采空區(qū)及巖溶探測(cè)方法技術(shù)探討

劉　劍

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063）

采空區(qū)及巖溶探測(cè)方法技術(shù)探討

劉劍*

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063）

查明采空區(qū)和巖溶在地下的分布情況，對(duì)鐵路線路方案及后期施工具有重要指導(dǎo)意義。通過(guò)分析采空區(qū)和巖溶的地球物理特征，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)與巖溶區(qū)往往表現(xiàn)為低阻異常。針對(duì)不同地質(zhì)背景、地電條件以及探測(cè)深度要求，將低頻地質(zhì)雷達(dá)方法、高密度電法及高頻大地電磁法應(yīng)用于工程實(shí)際當(dāng)中，分析了3種方法的有效性及探測(cè)效果，總結(jié)出一套實(shí)用且效果良好的采空區(qū)和巖溶探測(cè)技術(shù)。實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)果表明，低頻地質(zhì)雷達(dá)方法適用于探測(cè)埋深小于30m的目標(biāo)體，高密度電法對(duì)埋深小于50m的采空區(qū)探測(cè)效果良好，高頻大地電磁法對(duì)埋深大于50m的巖溶探測(cè)異常明顯、可靠。

采空區(qū)；巖溶；低頻地質(zhì)雷達(dá)；高頻大地電磁法

鐵路選線階段，地下采空區(qū)、巖溶發(fā)育區(qū)對(duì)線路方案往往具有重大影響，需要根據(jù)采空區(qū)或巖溶發(fā)育情況決定是否繞避或采取工程補(bǔ)強(qiáng)措施。由于很多采空區(qū)尤其是私采亂掘地區(qū)難以收集到完整開(kāi)采資料，巖溶發(fā)育區(qū)往往也較復(fù)雜，因此必須查明在地下的分布情況。采空區(qū)的空間形態(tài)相對(duì)較為規(guī)則，而巖溶在地下的分布形態(tài)相對(duì)復(fù)雜，如以溶槽、溶洞等形態(tài)賦存，但就地球物理探測(cè)角度而言，采空區(qū)與巖溶具有類(lèi)似的電性特征，因?yàn)椴煽諈^(qū)或巖溶發(fā)育區(qū)往往裂隙發(fā)育，容易匯集地下水，因此電性上往往表現(xiàn)為相對(duì)低阻，從而為利用電（磁）法探測(cè)此類(lèi)地下空洞奠定了基礎(chǔ)。針對(duì)采空區(qū)或巖溶探查，需要根據(jù)地質(zhì)背景資料、探查深度等要求選用對(duì)應(yīng)的物探方法，本文基于低頻地質(zhì)雷達(dá)方法、高密度電法以及高頻大地電磁法說(shuō)明在工程實(shí)際中的應(yīng)用效果。

1　低頻地質(zhì)雷達(dá)方法［1-2］

探地雷達(dá)是以寬頻帶、短脈沖的電磁波由地面向地下發(fā)射，當(dāng)遇到電性差異的地下地層或目標(biāo)體便反射回地面，通過(guò)對(duì)地下反射回來(lái)的電磁波信號(hào)進(jìn)行處理與分析，便可確定地下界面或地質(zhì)體的空間位置及結(jié)構(gòu)。常規(guī)地質(zhì)雷達(dá)目前以主要用于混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)，頻率范圍在400～2000MHz之間，探測(cè)深度一般為0.05～2m。對(duì)于施工階段較淺部的路塹巖溶探測(cè)，頻率范圍在100～400MHz之間，實(shí)際探測(cè)深度小于5m。隨著近幾年超低頻地質(zhì)雷達(dá)的面世，使得勘探深度可達(dá)數(shù)十米，由于其具有勘探深度大、縱橫向分辨率高、工作效率高等優(yōu)勢(shì)，很多情況下甚至可以取代常規(guī)電法，具有廣闊的應(yīng)用前景。圖1即為長(zhǎng)益常城際鐵路某特大橋DK47+890～DK47+910段的雷達(dá)探測(cè)成果圖，采用20MHz發(fā)射天線，該段地表為粉質(zhì)粘土，層厚3～4m，下部為強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r，厚約8～10m，基巖為泥灰?guī)r。分析圖1可知，綜合電磁波速度取0.11m/ns，在200ns（1#異常）及520ns（2#異常）附近，對(duì)應(yīng)大致深度分別為8.6～13m和23～29m，雷達(dá)波反射相位突然由水平發(fā)生錯(cuò)斷，分布紊亂，反射振幅變大能量增強(qiáng)，推測(cè)為巖溶發(fā)育區(qū)，后經(jīng)鉆孔揭示10.3～13m為巖溶空洞，驗(yàn)證了1#異常的存在。

圖2為武漢市某小區(qū)地下人防空洞低頻雷達(dá)探測(cè)成果圖，抗日戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，因戰(zhàn)事需要曾在小區(qū)所處的山體中修筑防空洞，因年代久遠(yuǎn)已無(wú)法確定防空洞具體位置，需要探明其進(jìn)口位置。該別墅小區(qū)規(guī)模不大，環(huán)境幽靜，無(wú)電纜電線干擾，適合于采用低頻雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)采用15MHz發(fā)射天線，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距1m。分析圖2可知，雷達(dá)圖像顯示表層層位明顯，且對(duì)深部層位也有較細(xì)致的反映，在18～24m之間地質(zhì)雷達(dá)剖面上存在明顯的反射波異常，經(jīng)估算波速得到深度約11m左右，后經(jīng)小區(qū)外側(cè)側(cè)向鉆孔到該異常處附近時(shí)，鉆孔漏水嚴(yán)重，無(wú)法取芯，推測(cè)為防空洞位置。

2　高密度電法［3］

圖1　DK47+890～910段低頻雷達(dá)探測(cè)成果圖

圖2　武漢某小區(qū)防空洞低頻雷達(dá)探測(cè)成果圖

高密度電法方法原理與常規(guī)直流電法相同，具有工作效率高、數(shù)據(jù)量大、地電信息豐富以及分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，適用于地形較平坦、接地條件良好地區(qū)的淺層勘探。昆明軌道交通6號(hào)線地鐵線路從人民路延長(zhǎng)線下方穿越，測(cè)線位于人民路延長(zhǎng)線某邊坡的二級(jí)臺(tái)階上，測(cè)線與6號(hào)線（已運(yùn)營(yíng)）線路方向斜交。該區(qū)表層為第四系粘土、粉質(zhì)粘土層，下伏基巖為泥質(zhì)砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖等，測(cè)線114～129m段曾經(jīng)出現(xiàn)數(shù)次塌陷，且塌陷范圍逐漸擴(kuò)大，由于塌陷區(qū)正好位于地鐵隧道上方及人民路旁側(cè)，嚴(yán)重威脅地鐵運(yùn)營(yíng)及人民路過(guò)往車(chē)輛安全，為了查明塌陷影響范圍，采用高密度電法勘探，極距3m。測(cè)線里程99～129m段明顯存在一“漏斗狀”的低阻異常，異常底部位于隧道頂部附近，與后期鉆孔結(jié)果吻合，為后期工程整治設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

3　高頻大地電磁法

高頻大地電磁法是利用宇宙中的太陽(yáng)風(fēng)、雷電等入射到地球上的天然電磁場(chǎng)信號(hào)作為激發(fā)場(chǎng)源，其產(chǎn)生的平面電磁波垂直入射到大地介質(zhì)中，根據(jù)Maxwell電磁場(chǎng)理論［4-5］，大地介質(zhì)中將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，計(jì)算電場(chǎng)和磁場(chǎng)的比值即可獲得波阻抗，然后利用頻率與阻抗的關(guān)系進(jìn)一步計(jì)算出對(duì)應(yīng)的深度。一般而言，高頻信息主要反映淺部介質(zhì)的電性特征，低頻信息主要反映相對(duì)深部介質(zhì)的電性特征。因此，在一個(gè)寬頻帶上觀測(cè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)信息，可以獲得隨深度變化的電阻率值，從而利用這種電性差異來(lái)判斷是否存在異常。某高速公路玉園隧道YK124+700～YK125+200段上覆第四系土層主要坡積層，下伏基巖為侏羅系梨山組粉砂巖、砂巖以及棲霞組灰?guī)r，呈構(gòu)造接觸關(guān)系。洞身里程YK124+777附近兩側(cè)電阻率值差別明顯，推測(cè)存在不同巖性的分界，傾向小里程方向，巖性分界左側(cè)為砂巖，右側(cè)為灰?guī)r，巖性分界地表位置與區(qū)域地質(zhì)圖中構(gòu)造位置一致。此外，根據(jù)YK124+ 800～YK125+200段洞身附近電阻率等值線分布特征，推測(cè)存在4處巖溶異常，分別編號(hào)為1、2、3、4。后期針對(duì)1、2、3號(hào)異常布置編號(hào)分別為隧16、隧12和隧15三個(gè)鉆孔，1號(hào)異常在90.2m（標(biāo)高391.16m）深度開(kāi)始見(jiàn)溶洞，厚5.6m，局部充填粉質(zhì)粘土。2號(hào)異常于53.3m（標(biāo)高392.32m）深度開(kāi)始見(jiàn)一厚達(dá)73m的巨型溶腔，充填物為流塑—軟塑—可塑狀粉質(zhì)粘土，以及深度128.1～137.6m之間存在一厚達(dá)9.5m的空洞。3號(hào)異常于17.8m（標(biāo)高396.52m）深度開(kāi)始見(jiàn)一厚達(dá)12.7m的溶洞，且52.9～57.5m深度、66.5～67.2m深度均存在溶洞。4號(hào)異常未布置鉆孔，地表局部灰?guī)r出露，溶蝕現(xiàn)象明顯。

4　結(jié)論

（1）低頻地質(zhì)雷達(dá)方法適用于電磁干擾弱、接地條件差、探測(cè)深度小于30m的路基巖溶、采空區(qū)探查，效果良好。

（2）接地條件良好、探測(cè)深度小于50m時(shí)，采用高密度電法探測(cè)采空區(qū)效果良好。

（3）探測(cè)深度大于50m的弱電磁干擾區(qū)，高頻大地電磁法探測(cè)巖溶效果良好。

［1］崔德海.超低頻地質(zhì)雷達(dá)在地形起伏地段路基巖溶勘探中的應(yīng)用研究［R］.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2012.

［2］張勁松，趙育剛，王夢(mèng)茹.低頻地質(zhì)雷達(dá)深層探測(cè)分析［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2010（5）：1848-1855.

［3］劉曉東.高密度電法在工程物探中的應(yīng)用［J］.工程勘察，2001 （4）：64-66.

［4］A.A.Kaufman，G.V.Keller.頻率域與時(shí)間域電磁測(cè)深［M］.王建謀，譯.北京：地質(zhì)出版社，1987：221-240.

［5］姜鷹，曹哲明，劉鐵.高頻大地電磁法在宜萬(wàn)鐵路隧道巖溶的應(yīng)用［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2006（3）：207-210.

Research of Method and Technology to Detecting Goaf and Karst

LIU Jian
（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，LTD，Wuhan Hubei 430063，China）

It is of great guiding significance to identify the distribution of underground gob and karst in the pre-plan and post-construction process of railway project.By analyzing their geophysical characteristics，goaf and karst are found to exhibit low resistivity anomaly.According to different geological background，geoelectric conditions and exploration depth，three methods:low-frequency GPR，high density resistivity and Hi-frequency MT method are adopted in engineering practice.Thus，a set of practical and effective detection technology is worked out to detect the goaf and karst based on the effectiveness and validity of these methods.The results of practical application show that low-frequency GPR method is applied to object at a buried depth less than 30m，Hi-density resistivity method is effective to detect goaf less than 50m deep，and Hi-frequency MT method is most distinct and reliable for exploring the karst buried more than 50m depth.

Goaf；Karst；Low-frequency GPR；Hi-frequency MT

P631.3

A

1004-5716（2016）06-0186-03

2016-02-18

2016-02-25

劉劍（1983-），男（漢族），湖南永州人，工程師，現(xiàn)從事工程物探研究與應(yīng)用工作。