电磁波CT揭露重大工程岩溶发育特征——以某地铁岩溶勘察为例

王 薇，邓小虎，金 聪，周红伟，林 松,*

(1.中国地震局地震研究所,地震预警湖北省重点实验室，武汉 430071； 2.武汉地震工程研究院有限公司，武汉 430071)

地质勘察工作是重大工程建设前期的重要基础工作之一，灰岩地区地质勘察中，查明地下空间的岩溶发育情况显得尤为重要。前期基础地质勘察中，岩溶发育规模、埋深、空间延伸状态直接影响工程勘察进度以及施工人员和设备安全，后期重大工程建设中及建成后，岩溶的存在直接关系到建筑物和人民生命财产安全。岩溶作为灰岩地区最典型的不良地质现象[1]，发育状态千奇百怪，常规钻探虽然直观，但由于数量的局限性，不能完整提供地下地质体岩溶发育具体规模以及分布情况，且成本高、噪声污染大[2]。为快速、准确查明岩溶具体位置、埋深以及发育规模，地球物理手段在众多场地宽阔，受干扰较小地区的重大工程建设中发挥着重要作用：众多学者利用高密度电法[3-5]、地震反射波法[6-8]以及探地雷达[9-11]进行岩溶探测和岩溶路基注浆质量检测。然而，城市岩溶探测相比其他岩溶探测具有场地狭窄、干扰因素多。协调难度大等特点。高密度电法和地震反射波法测线无法展布，电极和检波器的插拔亦会存在一定困难，对于城市路面会造成一定破坏；探地雷达则主要在探测深度方面受到局限。因此，重大工程岩溶探测必须根据场地条件选取合适的地球物理探测方法，随着地球物理探测方法基础理论研究方面的不断深入以及勘探设备的更新，无论是外业数据采集还是室内资料分析和处理，都取得了质的飞跃[12]，井间电磁波CT技术基本不受场地范围限制，尤其是在潜水面较低的地区，不像地震CT因为缺水无法耦合而不能开展工作。因此，井间电磁波CT技术有其自身优点，逐渐在城市重大工程岩溶探测中发挥出优势，进而成为研究热点，学者们在正演和反演方面均做了大量工作，取得不少成果：陈湘华等[13]用数值模拟手段进行电磁波正演模拟；孙茂锐[14]对电磁波CT二维与三维成像进行研究；彭永良等[15]利用钻孔电磁波 CT进行复杂采空区注浆效果检测；黄生根等[16]通过电磁波CT技术对溶洞进行模拟分析与应用。然而，通过电磁波CT技术进行岩溶探测，分辨率却有待进一步提高。

现以某地铁岩溶勘察为例，采用电磁波CT对灰岩地区进行岩溶精细探测，应用联合迭代重建技术(simultaneous iterative reconstruction technique, SIRT)进行反演，获取电磁波CT吸收系数等值线图，并通过吸收系数判断岩溶发育状态。在城市重大工程岩溶勘察中，若采用电磁波CT技术可对地下空间岩溶发育状况进行较为精细的探测，较好查明岩溶发育规模与特征；则电磁波CT成果剖面可弥补单纯依靠钻探资料仅提供点信息不足的缺陷，与此同时，勘察速度得到提高，经济成本节约，具有较高的应用价值和科学意义。

1 地质背景与地球物理条件

1.1 地质背景

新近纪以来，某地铁线路经过区内地层结构复杂，并有褶皱出现，多呈闭合状态，且各地层厚度不均，区间内第四系分布广泛，岩性主要为河湖相、冲积相和坡积碎屑物，主要有杂填土、粉质黏土夹粉土；下伏基岩主要为三叠系大冶组灰岩(T1d)，成倾斜状态，角度较陡，局部直立甚至出现倒转[17-18]；中部为泥质灰岩夹黏土岩条带、泥灰岩夹灰岩条带、泥灰岩、泥质条带灰岩、灰岩夹黏土岩(页岩)；下部为页岩及钙质页岩、黏土岩夹灰岩条纹[19]。

1.2 地球物理条件

不同的地下介质对电磁波吸收程度不同，介质的均匀性、矿物质含量、裂隙发育程度、岩性以及含水量等因素都会导致电磁波的吸收差异。根据地质背景条件、钻孔资料揭露以及原位测试，某地铁线路区间覆盖层、下伏基岩以及基岩中的裂隙、溶蚀现象对电磁波的吸收系数存在较大差异(表1)，第四系覆盖层吸收系数较大，完整基岩吸收系数较小，溶洞、溶蚀对电磁波的吸收系数与岩溶发育规模以及填充物质有关，在碳酸盐岩中，大部分溶洞为无填充或半填充，因此吸收系数范围较为固定。基于上述条件，在某地铁岩溶探测中开展电磁波CT具备良好的地球物理前提。

表1 不同介质吸收系数Table 1 Absorption coefficient of different media

2 井间电磁波CT层析成像技术

2.1 基本原理

电磁波CT层析成像是基于电磁场理论和天线理论的一种工程物探方法，根本出发点是基于惠更斯原理，将对称偶极天线分别置于2个相邻钻井中，如图1所示，进行同步后，通过一个钻井中放置发射天线发射场强为E0的电磁波，另一钻孔放置接收天线接收场强为E的电磁波，二者关系为

(1)

式(1)中：β为介质对电磁波的吸收系数；r为接受孔与发射孔间的距离；f(θ)为与接收和发射有关的方向因子；θ为接收点位置与发射电场方向的夹角[20-21]。

图1 电磁波CT测试与成像原理图Fig.1 Electromagnetic wave computed tomography test and imaging schematic diagram

数据采集时，先在某一深度固定发射天线，接收天线在另一孔中由上往下按照一定间距移动，直至达到设计孔深，可得到若干条射线，每条射线记录了该射线方向地质体对电磁波的吸收状况。当测区中某点附近有数条射线通过时，便可以通过式(1)求得该点的物性参数。

数据处理时，可将相邻两孔的测量区间均匀划分为小方格，以便于实现空间离散化。为方便计算，可设置m个横向方格，n个纵向方格，方格总数为m×n，并对每个方格进行编号1,2,…，k，方格大小可以根据分辨率要求及数据采集情况进行约束调整。若Xj代表第j个方格地下介质对电磁波的吸收系数，则对于任意一条射线i，到接收点时，其射线的电磁波损失总量Pi可表示为

Pi=A1X1+A2X2+…+AkXk

(2)

式(2)中：Ak为射线经过第k个方格的长度。因此，若在井间不同深度进行N次数据发射与接收，则可列出如下矩阵：

(3)

利用矩阵方程可解出每个方格的电磁波吸收系数，降系数网格化后便可获取电磁波吸收系数等值线图[21]。

2.2 采集参数设置

图2 不同频率电磁波电场强度能量-深度变化曲线Fig.2 Electric field intensity energy depth curve of electromagnetic wave with different frequency

选用HX-JDT-02电磁波系统进行数据采集，钻孔间距为20～25 m，天线频率选择4 MHz-8 MHz-12 MHz三种频率同时进行扫描，采用2.1节所提及的定发方式进行数据采集，激发与接收角度控制在45°以内，发射步距为1 m，接收步距为0.5 m，探测深度根据孔深和PVC管深度共同决定。经过测试与比较(图2)，3种不同频率的天线对于某地铁岩溶探测电磁波衰减趋势差别不大，选择8 MHz进行数据反演成图。

2.3 数据处理

电磁波CT处理方法有代数重建、联合迭代、反投影法、共轭梯度。最大熵法以及波前射线追踪等[22]。根据不同的原始数据，数据处理方法也各有优缺点，针对某地铁数据采集过程中，高压和民用电等干扰现象严重，为保证收敛，使得反演图像准确反映实际地质情况，采用了联合迭代重建技术(SIRT)进行数据处理，处理流程按照图3所示。

图3 数据处理流程Fig.3 Data processing flow

3 研究区探测成果及地质解释

在某地铁轨道岩溶探测中，按照设计和规范要求，沿线路布设排钻进行电磁波CT探测，钻孔间距20～25 m，相邻两钻孔之间进行一一配对，进行井间电磁波CT扫描(图4)，并按照上述采集参数和数据处理流程获取CT吸收系数等值线剖面。选取了7个剖面进行探讨，剖面显示的覆盖层与灰岩、灰岩与岩溶、溶蚀裂隙区的吸收系数差异明显，岩溶发育规模和特征较为清晰，具备较高的分辨率。地质成果解释以CT吸收系数分布特征为基础，结合钻孔资料对比解释，最终形成地质解释剖面。

图5为1号CT剖面、2号CT剖面、3号CT剖面、4号CT剖面联合反演成像与地质解释图。1号剖面以YMK1为发射孔，YMK2为接受孔；2号剖面、3号剖面以YMK3为发射孔，分别以YMK2和YMK4为接收孔；4号剖面以YMK5为发射孔，YMK4为接收孔。将原始数据整理后，4个剖面按照所提及的数据处理方法进行联合反演，从成果图中可以明显看出，基岩面与上覆地层界限明显，岩溶、溶蚀与灰岩之间的视吸收系数差异较大，覆盖层视吸收系数大于0.45 Nper/m，在基岩面之下，岩溶视吸收系数大于0.72 Nper/m，溶蚀现象视吸收系数介于0.48～0.72 Nper/m。结合钻孔资料对比CT剖面联合反演成像：2号剖面与3号剖面之间存在1处规模较大的视吸收系数异常，深度范围为32～38 m，岩溶横向发育规模较大，宽度约18 m，形态呈不规则状态，溶洞外围呈不规则溶蚀状态；4号剖面中存在1处形态不规则的视吸收系数异常，深度范围为33～36 m，岩溶横向规模约7 m。对比2号剖面与3号剖面，两个剖面的视吸收系数异常在同一位置呈现高度吻合状态，且纵向发育规模与特征相符。为验证异常是否存在，在3号剖面和4号剖面中进行了钻孔验证，验证孔分别为YZK1、YZK2。两个验证孔揭露的覆盖层厚度与视吸收系数所反映的覆盖层深度一致；验证孔YZK1揭露3号剖面在深度33～35 m范围内，灰岩呈破碎状态，伴随溶蚀现象，深度35～38.5 m范围为半填充溶洞；14.3～22.3 m处存在岩溶。验证孔YZK2揭露4号剖面在深度32～34 m范围内，灰岩呈破碎状态，伴随溶蚀现象，深度34～36 m范围为半填充溶洞；通过对比发现，验证孔揭露的异常位置与CT是视收系数异常位置相符。

图4 CT剖面及岩溶平面投影Fig.4 CT profile and karst plane projection

灰岩地区地下岩溶发育状态千奇百怪，为更加准确揭露岩溶发育的空间形态，以YMK3号钻孔为中发射孔，分别与钻孔YRK3、YRK4、YLK3、YLK4配对进行了相同的数据采集工作，形成图4所示的其他剖面。图6为联合5号CT剖面数据与6号CT剖面数据获取的反演成果图。视吸收系数显示，覆盖层深度为26～28 m，5号剖面、6号剖面在同一深度位置32～36 m均出现视吸收系数异常，视吸收系数值为0.72 Nper/m。YMK3号钻孔揭露，33～38 m范围为半填充溶洞，由此可说明，2、3号剖面揭示的溶洞在5、6号剖面中视吸收系数也同样出现异常，图5结合图6，将使YMK3为中心的溶洞空间发育规模和形态更加明确。

图5 YMK1-YMK2-YMK3-YMK4电磁波CT联合反演成果与地质解释图Fig.5 Joint inversion results and geological interpretation map of YMK1-YMK2-YMK3-YMK4 electromagnetic wave CT

图7中出现两处视吸收系数异常，第一处异常以YMK3为中心，在7号剖面与8号剖面中均有分布，异常深度分布在33～37 m，视吸收系数为0.76 Nper/m，高于3号剖面中验证孔YZK1揭露的半填充溶洞的视吸收系数(该处为0.72 Nper·m-1)，结合YMK3号钻孔资料，可知以YMK3号为中心，深度32～38 m范围内的岩溶呈立体分布状态，横向最大规模为18 m。第二处异常在8号剖面中，31～37 m深度范围内，横向宽度10～38 m，视吸收系数大于0.76 Nper/m，结合验证钻孔YZK3，证实该处为半填充溶洞，填充物质多为破碎灰岩夹黏土。

图6 YRK3-YMK3-YLK4电磁波CT联合反演成果与地质解释图Fig.6 Joint inversion results of YRK3-YMK3-YLK4 electromagnetic wave CT and geological interpretation map

图7 YRK4-YMK3-YLK3电磁波CT联合反演成果与地质解释图Fig.7 Joint inversion results of YRK4-YMK3-YLK3 electromagnetic wave CT and geological interpretation map

4 结论

充分利用井间电磁波CT不受场地限制、分辨率较高等优点对某地铁进行岩溶探测，采用SIRT进行反演，获取了电磁波CT吸收系数等值线图，通过视吸收系数异常与钻孔资料进行对比解释，查明地下空间岩溶发育状态，取得良好效果。

研究实例中，以钻孔YMK3为中心，整合三个方向的8个电磁波CT剖面，最终形成三个联合剖面(图5～图7)，三个联合剖面共揭露5处吸收系数异常，通过钻孔资料发现，覆盖层吸收系数大于0.45 Nper/m，溶蚀与半填充溶洞视吸收系数下界介于0.48～0.76 Nper/m，完整基岩视吸收系数介于0.35～0.45 Nper/m。异常除利用钻孔进行验证之外，三个联合剖面呈梅花状交叉，交叉位置处的异常也得到了相互印证。

随着城市发展，地下空间的安全越来越引起人们的重视，重大工程岩溶探测仅依靠钻探手段提供的点信息来推测岩溶发育状态，甚至推进后期工程建设将会导致很多隐患。灰岩地区上覆地层界线变化剧烈，岩溶发育情况复杂，不能简单地依靠工程地质剖面来确定地下地质情况。井间电磁波CT技术可充分利用优势，为岩溶探测提供二维面信息甚至是三维信息，以弥补钻探的局限性，从而为重大工程建设提供地质及地球物理参考依据，具有较好的科学意义和研究价值。