基于三维可视化的跨孔电磁波CT在岩溶勘察方面的应用

胡俊杰，徐洪苗，王 鹏，段春龙

(安徽工程勘察院有限公司，安徽 合肥 230011)

1 引 言

岩溶发育地区，溶蚀溶洞是岩溶发育的最主要特征，岩溶对工程建设中地基的稳定性影响巨大[1]。岩溶发育区进行大桥选址时，特别是特大桥桥墩基础的设计与施工，将会面临更多难题[2]。特大桥由于跨度大、重心高、载荷大，其下构及地基除承受较大的垂直荷载外，还须承受较大的水平推力[3]，因此在进行特大桥桥基础设计与施工时，必须要准确查明设计桥基础位置的工程地质条件。

长期以来岩溶发育区桥梁基础勘察最常用的手段是地质钻探，但是地质钻探受制于孔位有限，无法实现钻孔密集覆盖整个场区[4-8]。同时在微观上，岩溶的形态、延伸及分布缺乏规律，岩溶的溶洞和溶隙，分布无序，形态极为复杂多变，即使两个钻孔不到1 m，揭露到岩溶的发育情况可能完全不同，因此仅靠钻探工作，难以准确地呈现岩溶在地下空间的三维形态特征，给后期工程设计、施工带来诸多难题[9-13]。因此在桥梁基础岩溶勘察时，运用高精度物探手段，同时辅以三维规则网剖面布置，以地球物理探测成果为数据基础，通过三维可视化技术构建岩溶的三维空间模型[4]，从而准确、直观地呈现岩溶异常体在地下空间的三维展布情况，实现多方位、多角度的异常分析与解译[14,15]。在众多三维建模软件中，Golden Voxler具有界面直观、多源数据格式兼容性好、易于操作、构建三维模型准确率高等特点，非常适合于地球物理成果展示以及三维地学模型构建。

基于此，本文以安徽某特大桥桥基础岩溶精细勘察为例，通过跨孔电磁波CT的物探成果为依托，基于Voxler三维可视化技术构建地下岩溶的三维空间分布情况，精确、直观地展示出岩溶与拟建桥基础的空间关系，为后期工程优化设计、施工提供了可靠、详实的地质依据。

2 井中电磁波CT方法原理

井中电磁波CT法是电(磁)法勘探的一种分支方法，它是利用高频电磁场(频率1～30 MHz)在不同地层岩性的传播过程中衰减吸收量的差异为基础，通过孔内发射、接收天线，获取不同位置电磁辐射场强的变化，并利用电磁波CT软件进行反演计算，从而探测地下目标异常地质体(矿体、岩溶、构造)。

根据电磁波原理，在射线光学理论下，耗散介质中发射场强E0与接收的场强E存在以下关系[16-19]：

式中：E为接收点场强值(dB)；E0为发射点场强值(dB)；β为吸收系数，即介质中单位距离对电磁波的吸收值(dB/m)；r为发射与接收点之间的距离(m)；E1*为r1点场强值(dB)；E2*为r2点场强值(dB)。

根据式(1)和式(2)可以看出，当电磁波在地下介质中传播时，不同的地层岩性对电磁波具有不同的吸收特性，接收的场强值越小，表明地质体的吸收系数越大，反之亦然。通过这一方法可探测地下地质体的分布和产状[20,21]。

3 工程应用

3.1 工程概况

安徽铜陵拟建特大桥，在前期的勘察过程中，发现拟建场区内岩溶非常发育，为论证岩溶对拟建桥基础的影响，需精细查明拟建桥址区岩溶的空间分布情况。

勘查区内下伏基岩主要为三叠系下统南陵湖组(T1n)的中厚层灰岩及燕山晚期的闪长岩构成，前第四系地层隐伏于第四系地层之下，具体描述为：

1)第四系中更新统(Q2al+pl)：勘查区广泛分布，为冲洪积成因，岩性为灰黄、灰褐色粉质黏土，灰褐色，硬塑状，稍湿，见少量铁锰结核及高岭土团块，无摇振反应，干强度中等，韧性中等。

2)三叠系下统南陵湖组(T1n)：查区广泛分布，岩性下部淡灰-深灰色薄层、中厚层石灰岩；上部灰—黑灰色薄—中厚层石灰岩。与下伏地层为整合接触。

3)闪长岩(δ)：岩浆岩主要为燕山晚期中—中偏酸性侵入岩，岩性主要为闪长岩，分布于查区东、南部，呈岩墙状产出，亦有岩枝、岩脉贯入围岩，走向北北东向，岩性特征：浅灰—灰绿色，斑状、粒状结构，块状构造。

3.2 查区物性特征

表1为查区主要介质的电磁波参数。由表1可知，第四系地层相对于三叠系下统南陵湖组的灰岩及燕山晚期的闪长岩表现为低电阻率—高吸收系数特征。结合钻探资料，岩溶发育区多被水及软、流塑状物质充填，同样表现为低电阻率—高吸收系数特征；基岩破碎区、小规模岩溶裂隙的电磁波吸收系数次之；较完整的基岩吸收系数最小。综上所述，本区具备开展跨孔电磁波CT的地球物理条件，为本次利用工程物探手段进行岩溶精细勘查提供了地球物理前提。

表1 主要介质电磁波参数

3.3 探测方案布置

结合前期勘察钻孔，进行跨孔电磁波CT剖面布置，为满足物探成果的三维可视化，进行拟三维“田”字型网格布置剖面，按照这种布线原则，通过插值，在进行数据网格时，可最大程度降低空白数据区范围。本次实施跨孔联测方式进行，共完成27对跨孔剖面测量，见图1。

图1 物探工作布置示意图

3.4 跨孔电磁波CT剖面异常特征及分析

如图2所示，C6线剖面由N015A～N009A及N009A～N003共计2对电磁波CT剖面组成。根据C6线跨孔电磁波CT成像，在高程-7～-12 m以上，存在高吸收系数反映，结合钻孔资料，推断解释为第四系覆盖层反映，且该地层厚度不均。在水平距离14～44 m、高程-12～-28 m和水平距离4～27 m、高程-25～-41 m处存在高吸收系数异常，且吸收系数均大于4.5 dB/m，结合钻孔资料推断为岩溶发育，且被流、塑性等高吸收物质充填引起的异常，局部高吸收异常具有明显的连通性，推断该剖面岩溶发育，成带状发育。

图2 C6线电磁波CT综合剖面

3.5 基于三维可视化的物探成果

根据测区内27条跨孔电磁波剖面测量成果，经过数据处理、拼接，构建围岩吸收系数(βs)的三维可视化模型，如图3所示。通过围岩吸收系数βs的三维模型可以看出，浅部第四系土层结构均匀、松散、含水率高，呈高吸收系数反映；中深部完整基岩呈低吸收系数反映，岩、土体界面反映清晰。在查区中、北部，出现多个高吸收系数团状异常，结合钻孔资料，解译岩溶发育影响区的反映。岩溶异常区整体水平方向呈带状，垂向呈串珠状，形态呈不规则状，具有一定的水平连通性，垂向上随深度增加，岩溶规模逐渐减小。根据本次探测成果，溶洞呈高吸收异常反映，解释溶洞内有流塑、软塑性物质充填。

图3 基于三维可视化的钻探及跨孔电磁波反演成果

为了更加直观地了解整个测区内局部岩溶的展布情况，在三维可视化的基础上，沿不同方向进行切片(图4)，可以更为清晰地展示出岩溶在平面的分布以及不同深度的延展情况。由图4可知，沿X向切片，垂向分辨率较高，可以看出地层垂向分层的特征；沿Z向切片，横向分辨率较高，可以更清晰地展示出岩溶水平连通情况及向下发育、延伸情况。

图4 沿X向、Z向等距切片

3.6 物探综合异常三维建模

根据本次跨孔电磁波探测成果，结合少量钻孔先验约束，在三维可视化的基础上，构建出查区内岩溶的空间三维情况，准确、直观地展示出岩溶与拟建桥基础的空间关系。图5展示了不同方位视角下岩溶等值面三维图，根据岩溶三维空间展布情况，场地范围内岩溶主要分布在第四系覆盖层与灰岩接触面附近，水平方向呈带状，垂向呈串珠状分布，形态呈不规则状，具有一定的水平连通性，垂向上随深度增加，岩溶规模逐渐减小；岩溶发育区主要影响高程在-10～-60 m以内，深部基岩中，岩溶局部发育。

图5 综合物探、钻探成果圈定的岩溶等值面三维图

4 结 论

1)根据跨孔电磁波CT测量成果，岩溶发育区呈低阻(ρs)—高吸收系数(β)综合异常模式反映，根据吸收系数的异常形态，准确、精细地刻画出测区内岩溶的分布特征及形态大小，测区内岩溶主要集中在中部、北部区域，岩溶整体异常形态呈不规则状，水平方向成带状分布且连通性较好；垂向成串珠状分布，随深度增加，岩溶规模逐渐减小。

2)地球物理探测成果基于三维可视化技术，能够快速实现地质模型的三维建模，具有直观呈现异常体在地下空间的三维展布情况，能够实现多方位、多角度的异常分析与解译，弥补了二维剖面或者点状钻孔展示成果信息的局限性和不足，为满足精细化勘探提供了一种手段。