跨孔电磁波CT在济南某超高层勘察工程中的应用

2021-09-01熊辉马玉飞何巧灵

城市勘测 2021年4期

熊辉，马玉飞，何巧灵

(济南市勘察测绘研究院，山东济南 250101)

1 引言

随着人类建设的不断扩张，地上空间日趋饱和，工程建设转向地下发展，向地下要空间，我们需要面对大量的与岩体相关的工程地质问题。石灰岩地区最典型的工程地质问题就是岩溶问题，岩溶对地基的稳定性影响巨大[1～3]。因此工程上查明基底下岩溶的分布及其性质尤为重要。目前查明岩溶分布的常用方法有钻探、钻孔电视、管波探测[4]、地质雷达[5]、高密度电法[6]、瞬变电磁法[7]等。近年来，基于医学层析成像(CT)原理的地球物理层析成像技术以其成像精度高，成本小且操作方便的优点在工程中的应用越来越广泛，本文采用跨孔电磁波CT技术反演计算构建两钻孔之间的地质结构图像，从而解译两钻孔之间的岩溶分布情况。

2 工作原理

电磁波CT法是利用无线电波在两个钻孔中分别发射和接收，根据不同位置上接收的场强的大小，来确定地下不同介质分布的一种物探方法。根据电磁波理论，在射线光学近似下，耗散介质中的发射的场强与接收的场强存在下述关系[8]：

(1)

式中：E为接收点的场强值；

E0为发射点的场强值；

β为吸收系数，即介质中单位距离对电磁波的吸收值；

f(θ)为收发天线的方向因子函数；

r为发射与接收点之间的距离。

由式(1)可以看出，当电磁波通过不同的地下介质传播时，由于不同介质对电磁波的吸收存在差异[9]，吸收系数越大，从而接收到的场强值越小，因此吸收系数大的介质背后接收到场强较小，呈现负异常现象，如“阴影”一般，运用这一解译方法可推断目标地质体的结构和形状。总体来说，土层、饱水或充泥溶洞的电磁波吸收系数较大，破碎岩体、小规模岩溶裂隙的电磁波吸收系数次之，较完整岩体的电磁波吸收系数最小[10]。

3 工程实例

3.1 工程概况

根据钻孔揭示情况，未发现连续成规模发育的溶洞，钻孔见洞隙率为54%，线岩溶率为5.5%，洞隙高度 0.3 m～ 4.4 m，均为充填型岩溶洞隙，充填物为硬塑黏土、或含碎石黏土，充填物较密实，岩溶发育程度属中等发育。

3.2 工作方法

本次跨孔电磁波CT探测使用岳阳奥成科技有限公司生产的HX-JDT-02B型井下无线电波透视仪，主要由钻孔发射机(探管)，钻孔接收机(探管)，地面控制和数据采集器(收、发各一)，天线及其辅助设备，充电器等组成，可以跨孔方式探测钻孔间的剖面。

根据场地内钻孔揭示的岩溶发育情况共选取7个钻孔、6孔对进行电磁波CT测试。其钻孔位置如图1所示，CT1剖面长度 24 m，CT2剖面长度 51.2 m。

图1 电磁波CT剖面图位置图

4 数据解译及验证

4.1 数据解译

如图2所示，整个CT1剖面视吸收率值变化较明显，上部基岩视吸收率值较大，向下视吸收率值逐渐减小。标高在 120 m以上区域视吸收率值较高，吸收系数一般大于 0.5 DB/m，结合现场钻探资料，判断该区域溶蚀裂隙较发育，岩体较破碎。标高 120 m以下区域视吸收率值相对较低，表明该区域岩体整体相对较完整，仅存在两处物探异常区，其视吸收率值较高，吸收系数大于 0.5 DB/m，结合现场钻探资料，判断异常区域可能为岩溶裂隙或局部岩体破碎，为岩溶发育的可能性较小。

图2 CT1剖面反演图

如图3所示，整个CT2剖面视吸收率值变化较明显，上部基岩视吸收率值较大，向下视吸收率值逐渐减小。结合钻探资料，上部区域视吸收率值较高，吸收系数一般大于 0.5 DB/m，判断该区域溶蚀裂隙较发育，岩体较破碎；钻孔A32处视吸收率值较低，吸收系数一般小于 0.3 DB/m，判断该钻孔处岩体较完整，无明显岩溶发育。下部区域视吸收率值相对较低，表明该区域岩体相对较完整，仅存在三处物探异常区，其视吸收率值较高，吸收系数大于 0.5 DB/m，结合钻探资料，判断异常区域可能为溶蚀裂隙或岩溶洞隙发育，推断其沿层间裂隙及构造裂隙发育，可能形成“土石相间”的情况，充填物为硬塑黏土或黏土混碎石。