综合物探法在复杂地质条件下建设高速公路的应用

张建忠 周晓林

摘要：贵州省仁（怀）赤（水）高速公路K77-K78+800路段从采煤区、岩溶区及破碎带穿过，对工程存在较大的潜在危害性。工程勘查前期采用物探方法先行查清不良地质体的基本赋存状态，根据岩溶、破碎带、煤矿采空区及塌陷区表现的地球物理特征，选择了综合物探方法进行勘探，解释判定了岩溶区、破碎带、采空区空间赋存状态及塌陷状态，经钻探工程验证，证实了物探解释正确，综合物探方法有效，避免了单一物探方法的多解性和不确定性，实现了优势互补，提高了物探解释的可靠性，为工程勘查提供了准确、可靠的信息，为在复杂地质条件下工程勘查提供了有效的物探技术手段。

关键词：电磁测深法；土壤测氡法；采空区及塌陷区；岩溶；破碎带

Application of Integrated Geophysical Prospecting Method in Expressway Under Complicated Geological Conditions

Zhang Jianzhong1， Zhou Xiaolin1

The 102 Geological Team， Guizhou Bureau of Exploration and Development of Geology and Mineral Resources， Zunyi， 563003

Abstract： The K77-K78+800 section of the Ren Chi expressway in Guizhou Province， through the coal mining area， the karst area and the broken zone， has great potential hazard to the project. In the early stage of engineering exploration， the basic state of the harmful geologic body is identified by geophysical methods. According to karst， fracture zone， coal mine goaf and subsidence area show geophysical characteristics， chosen comprehensive geophysical methods for exploration， interpretation to determine the fracture zone， karst area， goaf spatial occurrence and collapse state， Verified by drilling engineering， it was proved that the geophysical interpretation is correct. Comprehensive geophysical prospecting method can effectively avoid the ambiguity and uncertainty of single geophysical methods， to achieve the complementary advantages， improve the reliability of the geophysical interpretation， provide accurate and reliable information for engineering exploration， is under complicated geological conditions in engineering exploration provides an effective means of geophysical technology.

Keywords： Electromagnetic sounding method， Soil radon measurement method， Goaf and subsidence area， karst， Fractured zone.

1.引言

煤矿开采形成的采空区，灰岩岩溶区及岩层破碎带改变，破坏了地球表面和岩石圈的自然平衡，通常可能引发严重的地质灾害，导致地表沉降、塌陷，道路裂缝，山体崩塌，建筑物损坏等结果，给社会经济带来极大损失[9-15]。贵州省仁（怀）赤（水）高速公路K77-K78+800路段地质条件极其复杂，穿过该区煤矿采空区、岩溶发育区及断层破碎带，对高速公路路基、大桥及隧道存在潜在危害性。应用综合物探方法勘查煤礦采空区、岩溶区及破碎带赋存状态及规模，为高速公路防范治理及方案决策优化，提供准确、可靠、有效的信息。测区大部分地势为海拔1000m～1100m的缓坡地，沟壑地带地形较陡，自然条件差，工程施工条件极差。工程勘查测网采用见缝插针式的非规则测网，共布置6条测线，点距100m，见图2。

2.地质及地球物理特征

2.1地质特征

测区出露地层有二叠系中统茅口组（P2m）灰岩地层、二叠系上统龙潭组（P3l）含煤碎屑岩系地层、二叠系上统长兴组（P3c）灰岩地层、三叠系下统夜朗组沙堡湾段（T1y1）页岩及钙质页岩地层、三叠系下统夜朗组玉龙山段（T1y2）中薄层灰岩夹钙质泥页岩地层、三叠系下统夜朗组九级滩段（T1y3）钙质泥页岩夹灰岩及泥灰岩地层及第四系浮土。区内构造为单斜地层构造，地层倾向西或南西，倾角15°～21°。断层构造发育，节理裂隙发育，岩溶发育，煤系煤层基本被采空[20]。

2.2电性特征

根据周边同类型地质层位部分测井资料统计，以地层为单位划分物性单元，夜朗组九级滩段（T1y3）电阻率总体最低；龙潭组（P3l）电阻率比九级滩段电阻率稍高，总体为低阻；夜朗组沙堡湾段和玉龙山段（T1y1+2）电阻率总体为中低；长兴组（P3c）电阻率总体为高阻；茅口组（P2m）电阻率为超高阻[21]，见表1。一般情况下，岩溶空洞及煤矿采空区（未积水或垮塌的）视电阻率值为最高。煤矿采空区松散堆积区随塌陷状况不同电阻率将出现较大变化，情况复杂。充填岩溶裂隙和破碎带电阻率总体表现为低阻。由电性特征可见，各物性单元间、岩溶裂隙、采空区、破碎带在电性上存在差异，具备电法勘探的基本条件。

2.3放射性特征

当采空区未塌陷时，形成的采空区由于致密性差，孔隙发育，放射性元素（氡气）可不断地在此聚集，形成氡气的富集区，氡气沿一定通道不断向上运移至地表，形成氡气高浓度异常。当采空区产生塌陷，岩层破碎带、地表覆盖层下塌，与塌陷区相连时，形成较发育的裂隙，对氡气运移有利，导致氡气保存条件变差，在地表形成氡气浓度异常不高。而在较完整岩层处，由于岩层的孔隙及断裂不发育，上覆地层的应力破坏较小，地层断裂不发育，所以不利于氡的运移，因此在地表覆盖层中形成氡气浓度较低。由此可以根據氡气浓度异常高低推断采空区、采空区塌陷区、岩层破碎带位置及范围。由此可见，在放射性特征上存在差异，具备放射性勘探的基本条件[16-20]。

3.物探方法选择

目前，探测岩溶、破碎带、采空区可供选择的物探方法较多，例如，电阻率高密度法、电阻率测深法、电阻率剖面法、高频大地电磁测深法、瞬变电磁法、浅层地震法及土壤测氡法等。针对测区的地质特征、高压电线干扰、采空区埋深等因素，根据掌握的物性特征，同时为降低单一物探方法解释的多解性，提高物探解释精度，采用了高频大地电磁测深法和土壤测氡方法综合物探方法进行勘查，该组合可以实现优势互补、提高工效。

3.1高频大地电磁测深法及EH-4仪器简介

高频大地电磁测深法是测量场源信号为几百～几万Hz的一种勘探方法，其测量频率很高。本次高频大地电磁测深法勘查选用EH-4仪器。EH-4是美国著名的Geometrics公司和EMI公司联合研制的双源型电磁系统。EH-4作为全新概念的电导率张量测量仪，利用大地电磁的测量原理，配置了特殊的人工电磁波发射源，深部构造通过天然场源成像（MT），其信号源为（10kHz～1kHz）；浅部构造则通过一个新型的便携式低功率发射器发射500kHz～100kHz的人工电磁讯号，补偿天然信号的不足，实现了天然信号源与人工信号源的采集和处理。仪器具有以下特点：①使用人工电磁场和天然电磁场两种组合场源；②既具有有源电探法的稳定性，又具有无源电磁法的节能和轻便性；③能同时接收和分析X、Y两个方向的电场和磁场，反演X-Y电导率张量剖面，对判断二维构造特别有利；④高精度反演地下0m～ 1000m的地质体的电性结构，连续的测深点阵可以组成地下二维电阻率剖面，甚至三维立体电阻率成像；⑤实时数据处理和显示，资料解释简捷，图像直观。具有精度较高、分辨率好、不受地形的影响、快速、轻便的特点，能很好地预测煤矿采空区、溶洞、断层等的赋存情况，适合恶劣地形条件下的煤矿采空区、公路隧道的勘探[1-8]。

3.2土壤测氡法及仪器简介

土壤测氡法是通过测量地表土壤中氡气元素的浓度，用氡气浓度异常来圈定煤矿采空区、采空区塌陷区、岩层破碎带位置和范围的一种勘探方法，具有不受地形、地电、电磁场、探测对象埋深等条件制约，操作简便、快捷、成本低、工作效率高的特点。本次测量使用FD-3017RaA测氡仪器，该仪器是一种瞬时测氡仪器，利用静电收集氡衰变的第一代子体RaA作为测量对象，不存在氡射气的干扰影响。

4.物探综合解释及验证

物探综合解释以1号剖面为例，见图1。在1号剖面上，从小号至大号测点依次出露地层有茅口组（P2m）、龙潭组（P3l）、长兴组（P3c）、夜郎组沙堡湾段和玉龙山段（T1y1+2）、夜朗组九级滩段（T1y3），地表界线清楚。从图1看出，在长达1800m的剖面上，地质情况比较复杂，根据反演电阻率图形及掌握的物性特征综合解释，①7与8号中点至9与10号中点、13点右侧至16号点左侧电阻率为近似直立的低阻板状异常，电性与两侧差异明显，且对应RaA曲线异常，解释为断层破碎带，断层编号为WF1和WF2，破碎带地表宽度分别为约200m、270m，WF1和WF2将剖面分割成三段，WF1与WF2之间地层略有抬升。②地表1～3号点及向右下延伸的深部高阻异常（800Ω·m～4600Ω·m）解释为茅口组（P2m）；茅口组（P2m）之上从高向低过渡带异常（25Ω·m～300Ω·m）解释为龙潭组（P3l）；13号测点左侧至19号测点低阻异常（5Ω·m～50Ω·m）解释为夜朗组九级滩段（T1y3）；地表7与8号点中点至13号点右侧及九级滩段之下中低阻异常（250Ω·m～400Ω·m）解释为夜郎组沙堡湾段和玉龙山段（T1y1+2）；夜郎组沙堡湾和玉龙山段与龙潭组（P3l）之间推断为长兴组（P3c）。③7号点之下，埋深约30m～46m红线圈定异常位于龙潭组（P3l）内，异常宽度约50m，且与RaA曲线1号异常对应较好，解释为采空区。④13至16号点之下，埋深约226m～251m洋红线圈定异常位于龙潭组（P3l）内，且与RaA曲线2号异常对应较好，异常宽度约310m，异常幅度比1号异常低得多，解释为采空区松散堆积区。⑤2至4号点茅口组（P2m）内黑线圈定的串珠状相对高阻异常解释为岩溶发育区，异常中心埋深约108m、宽度大于200m；8号点长兴组（P3c）内黑线圈定的相对高阻异常解释为岩溶发育区，异常中心埋深约39m，宽度约100m；8号点茅口组（P2m）内黑线圈定的极低阻异常解释为岩溶发育区，异常中心埋深约265m，宽度约100m；14号点浅部夜郎组沙堡湾段和玉龙山段（T1y1+2）内黑线圈定的相对高阻异常解释为岩溶发育区，异常中心埋深约59m，宽度约30m；13左侧至15号点深部长兴组（P3c）内黑线圈定的低阻异常解释为岩溶发育区，异常中心埋深约290m，宽度约230m；18至19号点夜郎组沙堡湾段和玉龙山段（T1y1+2）内黑线圈定的串珠状相对高阻异常解释为岩溶发育区，异常中心埋深约136m，宽度约110m。

通过对测区6条剖面推断解释，在平面圈定岩溶异常有4处，圈定断层2条，圈定岩层破碎带异常2处，煤矿采空区、采空区塌陷区异常各1处，见图2。

针对综合解释结果，布置了ZK01（1号剖面7号点）、ZK02（1号剖面14号点）钻探工程验证钻孔。ZK01钻孔在孔深为39.50m～41.77m揭露采空区（物探解释为30m～ 46m）。ZK02钻孔在50.33m揭穿夜郎组九节滩段（T1y3）底板（物探解释为49m），在189.26m揭穿夜郎组玉龙山段及沙堡湾段（T1y1+2）底板（物探解释为194m），其中54.36m～ 64.58m为溶洞（物探解释为52m～66m），在216.28m揭穿长兴组（P3c）底板（物探解释为219m），235.56m～244.65m（终孔）揭露采空塌陷区（物探解释为226m～251m）。钻探工程验证结果证实物探定性综合解释结果正确，吻合度较好，分层深度相差不大，最大相差为9.56m。

5.结论

（1）选择放射性RaA法和高频大地电磁测深法综合物探方法探测一定深度的岩溶区、破碎带、采空区空间赋存状态及塌陷区现状，其方法是可行有效的，克服了任何单一的物探方法所具有的局限性，实现了优势互补，降低了物探解释的多解性，提高了物探解释的可靠性，为高速公路工程勘查、设计、施工提供了准确、可靠、有效的信息。

（2）通过一定数量钻孔进行物探异常验证，钻孔揭露的相应层位、岩溶区、采空区及塌陷区与物探解释完全正确，为在复杂地质条件下工程提供了有效的综合物探勘探方法。

参考文献：

[1]何继善，汤井田.可控源音频大地电磁法[M].长沙：中南工业大学出版社， l990.

[2]A A考夫曼， G V凯勒.频率域和时间域电磁测深[M].北京：地质出版社， 1987.

[3]陈乐寿.大地电磁测深方法[M].北京：地质出版社1990.

[4]傅良魁.应用地球物理教程[M].北京：地质出版社， 1991.

[5]魏胜.大地电磁解释工作站[J].物探与化探， 1994，（18）： 50-54.

[6]陈庆凯，席振铢. EH4电磁成像系统的数据处理过程研究[J].有色矿冶， 2005， 21（5）： 7-9.

[7]张莹，张胜业. EH4资料处理解释系统的研究[J].工程地球物理学报， 2005， 2（4）： 311-315.

[8]郭建强，武毅，邵汝君，等. Stratagem ^TM EH—4电导率成像系统简介及应用[J].物探与化探， 1998， 000（006）：458-464.

[9]孙升林，倪新辉，龚惠民，等. EH4电磁成像系统在中西部岩溶区地下水勘查中的应用[J].中国煤田地质， 2001 ，13（3）：67-68.

[10]柳建新，蒋玲霞，严家斌，等. EH4电磁成像系统在高速公路隧道工程勘察中的应用[J].工程地球物理学报， 2008， 5（6）： 652-656.

[11]童立元，等，高速公路下伏采空区问题国内外研究现状及进展[ J] .岩石力学与工程学报， 200423（7）：1 198～1202.

[12]柳建新，罗曦，童孝忠，等. EH4时频数据联合处理及其在煤矿采空区的应用[J].地球物理学进展， 2012， 27（5）：2160-2167.

[13]赵智能，刘建，邢保国， EH 4电磁成像系统在高速公路隧道工程勘察中的应用研究[J].工程地球物理学报， 2010， 7（3）： 323-326.

[14]孙英勋. EH4电磁成像系统在高速公路长大深埋隧道勘察中的应用研究[J].工程地质学报， 2005（13）： 32-36

[15]刘菁华，等.煤矿采空区及塌陷区的地球物理探查[J].煤炭学报， 2005（6）：22-26.

[16]刘春来，庹先国，黄连美，等.地下氡气测量推断隐伏断层走向[J].物探与化探， 2011， 35（2）： 226-229.

[17]韩许恒，郁春霞.氡射气探测在采空区勘察中的应用[J].工程勘察， 1996（5）：63-66.

[18]杨华，刘鸿福.测氡在煤矿采空区的应用[J].山西煤炭， 2003， 23（02）：38-40.

[19]段鸿杰，唐岱茂，曹为民.测氡技术圈定采空区影响边界的应用[J].华北地质矿产杂志， 1999， 14（1）： 71-76.

[20]郭崇光，李敬宇，刘君.氡气测量在山西采空区探测中的应用[J].科技情报开发与经济， 2004， 14（1）： 180-181.

[21]周明平.貴州省仁（怀）赤（水）高速公路部分路段（K77～K83+ 600）勘查物探报告[R].贵州遵义：贵州省地矿局一○二地质大队， 2012.

[22]蔡方国.贵州省仁怀市长岗岭煤矿普查测井报告[R].贵州省地矿局一〇二地质大队， 2004. 11.