综合物探技术在徐州市城市轨道交通6号线岩溶勘察中的应用

高国灿

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

研究区位于江苏省徐州市，为城市闹市区，交通条件便利。徐州市地形地貌为冲积平原地貌，总体上起伏不大，地形平坦。徐州地区位于中国东部新华夏系第二个隆起带与秦岭—昆仑纬向构造的交汇部位，地质构造比较复杂，主要构造形迹为徐州弧形构造、新华夏构造和东西向构造。区内发育一系列NE-NNE向展布的复式褶皱及大致平行的逆断层，并被NW-NWW向的断裂切割。区内NE向断裂构造较发育，但均非全新活动断裂。区内褶皱构造主要有徐州复式背斜、三堡—七里沟复式向斜和贾汪复式向斜，且中间次褶构造较为发育，轴向一般为NE向。研究区内发育非活动性断裂废黄河断裂（F1、F2、F3）和邵楼断裂（F60），第四纪以来未见活动迹象，区域地壳相对稳定，且未发生过破坏性的历史地震，属地震地质条件相对较好的工程场地。

该区第四系覆盖层主要为人工填土、粉土和黏性土，下伏基岩为震旦系石灰岩、白云岩及白垩系粉砂岩和砾岩。第四系覆盖层厚度变化较大，约5～18 m，自西向东呈逐渐增厚趋势。该段地表主要为1～2 m的杂填土（局部地段较厚），其结构松散，成分复杂，物理力学性质较差。人工填土层以下为第四系粉土和黏性土，粉土呈稍密-中密状，黏性土以可塑为主，压缩性中等，该组地层土质结构稍好，土质相对均匀，物理力学性质稍好。下伏震旦系张渠组石灰岩为较硬岩，可研勘察成果显示该组岩体呈中厚层状构造，裂隙稍发育，充填方解石脉，胶结良好，岩溶属弱-中等发育。

1 工程概况及场地地球物理特性

徐州市城市轨道交通6号线一期工程为一条反“L”型轨道交通线路，全长约22.912 km，全部为地下线。勘察03标段的范围为商聚路西站（不含）—塘坊村站—惠民家园站—新城区客运站—丽水路站，共4站4区间，线路全长约5.14 km，均为地下线，本标段下穿纬一河、人民河和纬四河等地表水体，下穿惠民花园小区、迎宾大道高架桥等重要建构筑物。本研究所涉及的岩溶勘察范围为塘坊村站，标段编号AK21+960—AK22+260，全长300 m。本标段第四系覆盖层主要为人工填土、粉土和黏性土，下伏基岩为震旦系张渠组白云岩，基岩和第四系覆盖层的电性差异较大，覆盖层的电阻率一般不超过100 Ω·m，基岩的电阻率一般在几百至数千Ω·m。岩溶空洞与断裂发育地带的电阻率和介电常数都与围岩有明显的差异，这种电性差异是瞬变电磁法和地质雷达法的基础。研究区内围岩主要为白云岩，一般坚硬、完整、强度高、电阻率高、对电磁波低吸收和弹性波速较高；当岩体受裂隙、裂隙性小断层、破碎带、剪切带、软弱夹层和薄层及岩溶等破坏时，电阻率下降，对电磁波吸收增加，不同的介质存在较为明显的电磁吸收系数差异，这种电磁吸收系数差异的存在，为电磁波CT探测提供了较好的物性条件。

2 综合物探技术及工作方法

2.1 物探技术方法选择

综合研究区地质调查及钻探资料，具备开展瞬变电磁法、地质雷达和井间电磁波CT探测的地质和物理基础。根据钻孔揭露情况，研究区内岩溶属覆盖型岩溶，岩溶形态主要有溶洞、溶蚀裂隙等。为了进一步查明岩溶发育的具体情况，本研究采用初勘瞬变电磁法+地质雷达→详勘电磁波CT测试相结合的渐进式岩溶精细探测综合物探方法体系，对区内岩溶发育的类型和具体情况作出准确判断和精准定位。

2.2 工作方法

2.2.1 瞬变电磁

本研究采用HPTEM-18高精度瞬变电磁数据采集系统，该系统横向分辨率高、可有效减少浅层（地下0～200 m）数据失真，保证数据精度要求和信号带宽；传感器采用超低噪声放大器，降低了系统噪声，整个信号通路采用全差分结构，有效压制外界干扰。其发射频率为6.25Hz，叠加周期500，重复2次，测点间距5 m。然后采用5DEM数据处理系统对采集的数据进行处理。在数据处理过程中，首先对野外数据进行剔飞值、去噪、静态校正及近场校正等处理，然后进行一维及二维反演成像，处理流程。处理主要是剔除干扰。对于固定地物引起的异常，包括地面电线、金属器械等，应结合野外记录，实地查证加以分析；对于来自天然电磁场和人工电场所引起的漏电及电磁波干扰，采取频谱分析与手工圆滑相结合的方法加以排除。本研究中，除了上述干扰外，测线跨过道路区域，过往车辆对数据影响较大，需要对晚期数据进行滤波及人工对数据光滑，以满足地质分析解释要求。

2.2.2 地质雷达

本次使用了美国劳雷公司生产的SIR4000地质雷达，SIR4000是一个轻便、便携式地面透视雷达系统。根据勘察深度，选择了100 M天线，探测深度在25～30 m。随后采用RADAN7软件进行数据处理。首先，删掉多余的数据，查看标记；然后，对数据进行调节时间零点、距离归一、背景去噪、道间能量平均和垂直带通滤波（时间域和频率域）等处理；最后，获得地质雷达成果剖面。

2.2.3 井间电磁波CT

详勘阶段井间电磁波CT探测采用HX-JDT-02B型井下无线电透视仪系统，数据采集模式采用扫频（4～12 MHz），工作模式为定发；接收范围为发射点位对应深度上下5 m，发射点距1.0 m，接收点距0.5 m。测试过程中每2个钻孔为一组，测试范围在地面以下10 m到结构底板下5 m处。电磁波CT处理软件采用的是奥成科技研发电磁波CT反演软件V2.1，数据处理流程为：①读取场强幅值，依据测量资料计算每条射线的激发和接收点坐标。②根据地质地球物理条件、观测系统、成像精度、分辨率和任务要求选择和建立数学物理模型。网格单元尺寸不应小于测点间距，单元总数不宜大于射线条数；模型的初始值和约束条件可由已知地质条件、经验值和现场试验计算等方法得出。③反演算法采用联合迭代法（SIRT），根据迭代次数选择最稳定的成像结果。④CT图像采用色谱图示法，图像可等差分级，为了突出异常，也可变差分级。

3 综合物探解译成果及分析

3.1 物探解释成果

3.1.1 瞬变电磁法解释成果

本研究中塘坊村车站（AK21+960—AK22+260）初勘阶段瞬变电磁法岩溶探测解译成果如图1所示。可看出：

（1）塘坊村车站（AK21+960—AK22+260）左侧（图1（a）和图1（b）），在地表深约0～3 m范围表现为低阻，电阻率小于80 Ω·m，结合地质及钻探资料推断为素填土；在深约3～18 m（高程14～30 m）电阻率小于300 Ω·m，推断为粉土和黏土；随着深度增加，电阻率增大，在深约30 m，里程范围AK22+133—183这2侧电性差异明显，结合地质资料，推断该里程范围为F60（邵楼）断裂，断裂走向为NE向，推断断裂左侧（AK21+960—AK22+133）里程段为白云岩，在断裂右侧（AK22+183—260）段则为砾岩，在断裂附近产生了明显的异常，在AK22+090、AK22+135和AK22+160深约25～40 m，推断为岩溶空洞。

（2）为塘坊村车站（AK21+960—AK22+260）右侧（图1（c）和图1（d）），在地表深约0～3 m范围表现为低阻，电阻率小于80 Ω·m，结合地质及钻探资料推断为素填土；在深约3～18 m（高程14～30 m）电阻率小于300 Ω·m，推断为粉土和黏土；随着深度增加，电阻率增大，在深约30m，里程范围在AK22+110—164这2侧电性差异明显，结合地质资料，推断该里程范围为F60（邵楼）断裂，断裂走向为NE向。推断断裂左侧（AK21+960—AK22+110）里程段为白云岩，在断裂右侧（AK22+164—260）段则为砾岩。在断裂附近产生了明显的异常，在AK21+090、AK21+140存在明显的异常，推断为岩溶。

图1 塘坊村车站瞬变电磁解译成果

3.1.2 地质雷达解释成果

对本标段雷达资料进行分析整理，可知，深约12～18 m存在明显的反射剖面，结合地质及钻探资料，在深约0～2 m范围内主要为填土；在深约2～18 m范围内主要为第四纪覆盖层，为黏土及粉土；在深约18 m以下为白云岩和砾岩。地质雷达探测有效深度为20 m，在有效深度范围内未发现岩溶发育。

3.1.3 井间电磁波CT法解释成果

根据钻孔资料可知，场地范围内存在部分岩溶，且大部分有填充物，为硬塑黏土，围岩主要为白云岩和断层角砾岩。溶洞内外介质存在较为明显的电磁吸收系数差异。从塘坊村车站电磁波CT解译成果可知，黏土层的下界面深度基本在15～22 m起伏变化，下伏基岩主要为白云岩、断层角砾岩，在覆盖层以下存在一层风化严重的围岩，该层围岩较破碎；岩溶发育在邵楼断裂附近，深度基本在25 m以下。通常溶洞为相对高吸收系数，本次物探工作共发现电磁波CT异常3处，具体异常见表1。这3处异常通过钻探孔揭露，均为岩溶发育，可见电磁波CT探测成果与钻探资料完全重合，说明井间电磁波CT技术在本次岩溶综合勘察中取得很好的探测效果。

表1 井间电磁波CT异常分布空间位置信息统计表

3.2 综合物探成果分析

在初勘中使用了地面物探方法对本段进行探测，其中，瞬变电磁探测成果显示本段存在邵楼断裂（F60）位于AK22+110—AK22+183里程段落，断裂附近岩体破碎，在断裂中间和左侧岩溶发育，深度在30 m左右；地质雷达探测有效深度在20 m，未发现岩溶发育异常点。在详勘阶段使用了电磁波CT方法，剖面深度均大于结构地板下5 m，在20对剖面成果中共发现了3个岩溶，受钻孔影响部分钻孔的PVC管不能下至底部。在部分钻孔Z10、Z11、Z12、Z35和Z37都存在岩溶发育情况，深度基本在25～40 m范围，与初勘瞬变电磁结果对比较好。结合钻探可判断，场地范围内溶洞整体以充填型为主，充填物主要为黏性土、黏性土混灰岩质碎石，部分溶洞无充填。综合判定，塘坊村站场地邵楼断裂带内岩溶发育等级为强发育，邵楼断裂（F60）西侧震旦系岩溶发育等级为中等发育。

4 结论

本研究采用了一种用于城市轨道交通岩溶精细勘察的渐进式综合物探技术方法，将瞬变电磁法、地质雷达和井间电磁波CT技术相结合，配合不同勘察阶段（初勘和详勘）进行递进式综合物理探测，以对研究区内的岩溶发育作出准确判断和精准定位。探测结果表明，塘坊村站里程AK22+110—AK22+183段为F60（邵楼）断裂，断裂走向为NE向。在电磁波CT有效探测范围内，解译成果与钻探揭露的岩溶发育完全重合，说明井间电磁波CT技术在本次岩溶综合勘察中取得很好的探测效果。对比发现，电磁波CT探测成果与钻探资料基本吻合，可为工程建设提供更可靠的基础地质资料和设计参数。

场地范围内溶洞整体以充填型为主，充填物主要为黏性土、黏性土混灰岩质碎石，部分溶洞无充填。综合判定，塘坊村站场地邵楼断裂带内岩溶发育等级为强发育，邵楼断裂（F60）西侧震旦系岩溶发育等级为中等发育。因基底以下发育岩溶和风化岩，岩溶及风化岩的不均匀性对基础底板造成的不利影响。基底以下发育溶洞，影响基底稳定，建议采取处理措施。

本研究证明，根据不同的地质条件合理选择正确的物探方法，并与现有的地质、钻探资料进行对比，可以快速、准确地识别地下地球溶洞等不良地质分布，达到经济、省时和高精度的效果。