电磁波CT在既有铁路路基塌陷精细探测中的应用

刘 剑

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 地质路基设计研究院，湖北 武汉 430063)

1 引 言

近些年来，随着城市轨道交通、地下管廊、房建等工程建设的需要，电磁波CT技术以其抗干扰能力强、受场地条件影响相对较小、探测精度高等优势，在工程物探领域应用得越来越广泛，并取得了良好的效果[1-7]。电磁波CT数据处理过程中“X”型干扰会造成大量假异常，因此必须对其进行识别和处理。反演算法要求快速收敛、稳定可靠，否则会导致真假异常难辨，造成多解性困扰。针对这些问题，皮开荣[8]、刘润泽[9]提出采用改变网格权值对SIRT反演算法压制噪声干扰，效果明显。雷旭友等[10,11]基于多源多孔将联合反演方法应用于南宁至广州铁路下水泡特大桥桥址岩溶勘探工程实例，说明该反演方法能提高物探异常的纵横向分辨率。赵威[12]将代数重建法(ART)、联合迭代法(SIRT)、共轭梯度法(CGT)等方法应用于昆明地铁岩溶勘察实例数据反演成像，说明各反演方法针对不同地质对象具有的特点。张大力等[13]采用以图像熵取值为准则优化图像，达到抑制噪声及提高分辨率的效果。

本次研究以某既有铁路路基塌陷抢险工点开展电磁波CT为例，采用低通滤波及射线角度控制等技术基本消除了“X”型干扰，基于反投影结果建立初始模型的SIRT法进行多次迭代反演，可快速获得稳定可靠的计算结果，电磁波CT异常与钻探情况吻合良好。

2 基本原理

电磁波CT是将电磁波辐射源与接收装置分别置于两个钻孔中，辐射源(半波偶极天线)通过连续发送固定频率的电磁波E0，电磁波在地下传播过程中会发生能量衰减，可在另一钻孔中接收电磁波的场强衰减值E，得吸收系数的关系式如下：

(1)

对式(1)进行变换，可得到Radon[16-18]变换式：

(2)

根据Radon变换，吸收系数β(r)dr可以由它的无穷多个Radon变换式(2)唯一重建。基于射线原理，对式(2)进行离散化后变成求解大型稀疏矩阵方程[19-21]。

[D][B]=[Y]

(2)

3 地质概况

某既有电气化铁路K84+370附近地表为土状泥质粉砂岩，下伏基岩为灰岩，区域内岩溶较发育，附近还分布有3处矿山，受矿山开采大量抽排地下水影响，铁路附近地下水位与矿区地下水位差达50 m左右，形成了以矿山为中心的地下水漏斗。2019年6月11日至8月23日期间，受连续强降雨影响，K84+370附近共发生4次地面塌陷地质灾害，塌陷区顺铁路方向长16 m，垂直铁路方向长19 m，最深3 m，塌陷区边缘距线路外钢轨6 m，附近铁路挡墙开裂，路基侧沟明显下沉和偏移，路基单日最大沉降70 mm，累计沉降204 mm，严重影响铁路运营安全，列车被迫限速通行。铁路局启动应急响应，要求迅速查明塌陷原因及平面和深度范围，为后续灾害整治提供基础资料。

4 仪器与数据采集

抢险抢的就是时间，为此先行采用了瞬变电磁法及瞬态面波法，由于受接触网、密集过往火车震动等人文干扰严重，瞬变电磁法及瞬态面波法未获得较好的勘探效果，探测精度无法满足设计要求。为进一步精细查明塌陷区平面及深度范围，拟采用弹性波CT法或电磁波CT法进行探测，由于钻孔过程中发现孔内漏水严重，弹性波CT法不具备实施条件，故选择电磁波CT法进行勘察。仪器采用中国地质科学院物化探研究所生产的JW-6Q型跨孔电磁波仪，根据现场试验确定采用1 MHz、4 MHz、 12 MHz频率进行发射，数据采集采用水平同步加定发测量模式，发射、接收点距均为1 m，同步测量范围为地面以下3 m至孔底，定发测量发射、接收范围均为孔底至基岩界面以上10 m范围，以确保采集足够的数据及探测精度。现场分别在铁路两侧共布置钻孔15孔，实施CT剖面共27对，CT剖面平面布置图如图2所示。

5 数据处理与解释

基于射线原理的电磁波CT数据处理，通常存在覆盖层吸收系数凌乱、土石界限不清晰、“X”型假异常等难题。“X”型干扰是客观存在的，其造成的假异常会严重干扰资料解释，关于其形成机理较为复杂，国内外研究文献较少。为解决覆盖层吸收系数凌乱，土石界限不清晰的问题，可对同步测量数据进行最低限值，采用反投影结果进行模型初始化，模型网格与测量点距相同，即为1 m×1 m。对测量数据角度范围进行限制并辅以低通滤波，可消除“X”型假异常，本次数据处理射线角度取30°，低通滤波系数取0.5，单剖面采用SIRT法进行反演。然后，再按测线对各剖面进行联合反演，图3～图6为部分测线电磁波CT剖面联合反演成果图。

图3 CT1-CT2-CT4-CT5剖面电磁波CT反演成果Fig.3 The electromagnetic wave CT inversion profile of CT1-CT2-CT4-CT5

图4 CT11-CT7-CT9-CT10剖面电磁波CT反演成果Fig.4 The electromagnetic wave CT inversion profile of CT11-CT7-CT9-CT10

图5 CT1-CT7-CT3-CT8-CT15-CT9-CT5剖面电磁波CT反演成果Fig.5 The electromagnetic wave CT inversion profile of CT1-CT7-CT3-CT8-CT15-CT9-CT5

图6 CT10-CT14-CT9-CT12-CT7-CT4-CT8-CT5剖面电磁波CT反演成果Fig.6 The electromagnetic wave CT inversion profile of CT10-CT14-CT9-CT12-CT7-CT4-CT8-CT5

分析图3～图6可知：覆盖层、岩溶发育区为相对高吸收异常，视吸收系数在3.0～9.2 Np/m之间，完整基岩为相对低吸收异常，视吸收系数在1.0～3.0 Np/m之间。测区内岩溶主要沿土石分界线发育，为覆盖型岩溶。土石界线下方基岩层厚度较大且无岩溶发育时，土石界限明显，土石界线附近灰岩顶板厚度较小且岩溶强烈发育时，电磁波信号吸收强烈，导致岩溶发育区顶界面附近视吸收系数与覆盖层内吸收系数差别不明显。本次场地基岩属于典型性灰岩地层，现场试验情况表明，钻孔间距小于25 m时，电磁波信号穿透性强，土石界限清晰，岩溶异常范围与钻孔情况吻合良好，钻孔间距大于25 m时，电磁波信号穿透性降低，需采用更低发射频率，分辨率降低，覆盖层内出现部分信号穿透现象，导致局部土石界限不明显。对各测线电磁波CT异常进行平面投影，平面异常投影结果如图7所示。

基于电磁波CT反演数据，以下行线K84+340为坐标原点，物探异常底部作为完整基岩面，利用三维绘图软件对图1塌陷区完整基岩面进行空间展示，如图8所示。分析图8可知，K84+340～+360段基岩面较完整，K84+360～+390段岩溶强烈发育，完整基岩与岩溶发育区呈现出明显的台阶状分布，K84+370(上下台阶交界处)附近存在明显的垂向线路方向的溶沟。后经钻孔揭示,在下行线K84+370外侧15 m处存在一葫芦状岩溶塌陷竖向通道，与三维成果图深切溶沟位置一致，在地下水的作用下，不断掏蚀运移上部土体，久而久之便形成漏斗状塌陷区，导致铁路路基沉降，附近挡墙开裂。

6 结 论

通过应用电磁波CT法在某既有电气化铁路路基塌陷进行探测，可得出如下结论：

1)采用同步加定发测量模式，根据现场试验情况合理设置频率参数，可获得良好的数据质量，提高探测精度。

2)数据处理过程中采用反投影结果作为初始模型，选择合理射线角度并进行低通滤波，可有效消除“X”型干扰，剔除假异常，对连续剖面进行联合反演可实现视吸收系数归一化，消除剖面间存在的“台阶”。

3)综合CT剖面岩溶发育深度、平面投影范围和物探异常三维空间形态资料，可为后续工程整治设计、施工提供基础资料。