瞬變電磁法在鐵路路基巖溶勘探中的應(yīng)用

劉　偉

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

巖溶勘探一直是可溶巖地區(qū)鐵路物探勘察工作的重點(diǎn)。石灰?guī)r地區(qū)常見的巖溶形態(tài)有[1]:落水洞、豎井、漏斗、溶洞、溶蝕洼地和暗河等。巖溶對(duì)新建鐵路的危害一般表現(xiàn)為：地下洞穴的頂板坍塌引起既有鐵路建筑物下沉或破壞，洞穴或漏斗周期性冒水，淹沒路基基底，引起沉陷、翻漿或崩塌，突發(fā)性地下涌水，沖毀鐵路建筑物等。會(huì)給人民的生產(chǎn)和生活帶來重大損失。故鐵路施工中必須查清可溶巖地區(qū)巖溶發(fā)育情況，以便施工時(shí)進(jìn)行處理。瞬變電磁法應(yīng)用于地質(zhì)研究起源較早[2]，在國內(nèi)外金屬礦勘探、煤田以及水文工程地質(zhì)及工程檢測(cè)等領(lǐng)域[3-8]取得了良好的效果。因瞬變電磁法本身對(duì)低阻體敏感，分辨率較高，測(cè)量速度快，其在淺層巖溶勘探中的應(yīng)用，越來越得到鐵路勘察設(shè)計(jì)部門的重視[9]。

1　瞬變電磁法正演模擬

對(duì)于不同埋深以及不同規(guī)模的地下異常體，瞬變電磁響應(yīng)也有所不同[10]。我們?cè)谧鰯?shù)據(jù)分析與解釋時(shí)，必須對(duì)各種地質(zhì)模型熟知，才能對(duì)異常進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。那么就需要正演計(jì)算。本文采用一次場(chǎng)二次場(chǎng)分離算法[11]對(duì)地下異常體進(jìn)行正演。

1.1　不同深度異常體正演模擬

因路基巖溶勘探一般位于平地地形，勘探要求一般在地下30 m以上。選取地下埋深分別在5 m,10 m,20 m以及30 m的低阻異常體，異常體邊長(zhǎng)為10 m的正方體，異常體電阻率ρ=1 Ω·m，圍巖電阻率ρ=100 Ω·m，發(fā)射線框?yàn)?0 m×10 m，發(fā)射波形為100 Hz的階躍波，正演結(jié)果如圖1所示，從正演結(jié)果分析，埋深為5 m時(shí)，異常響應(yīng)較大，當(dāng)埋深為30 m深時(shí)，異常響應(yīng)較小。故對(duì)于信號(hào)響應(yīng)而言，異常體埋深越淺，異常響應(yīng)越強(qiáng)烈，異常體埋深越深，異常響應(yīng)弱。

1.2　不同大小異常體正演模擬

同樣在平地地形條件下，地下10 m埋設(shè)邊長(zhǎng)分別為10 m,5 m和2 m的異常體，異常體電阻率為ρ=1 Ω·m，圍巖電阻率ρ=100 Ω·m，發(fā)射線框?yàn)?0 m×10 m，發(fā)射波形為100 Hz的階躍波，正演結(jié)果如圖2所示。對(duì)于同一深度信號(hào)響應(yīng)而言，異常體越大、異常響應(yīng)越強(qiáng)烈，異常體越小、異常響應(yīng)越弱。

2　工作方法和參數(shù)選取

2.1　裝置選擇

因本文主要針對(duì)鐵路路基淺層巖溶勘探。重點(diǎn)關(guān)注重疊回線裝置與中心回線裝置。重疊回線裝置與中心回線裝置最能發(fā)揮瞬變電磁法淺部勘探中的優(yōu)勢(shì)，且與目標(biāo)物耦合最緊密[12]，勘探精度也較高，在實(shí)際工作中應(yīng)大力推廣。在良導(dǎo)體分布較多的地區(qū)，中心回線組合裝置在施工和數(shù)據(jù)質(zhì)量方面均優(yōu)于重疊回線裝置，因此在良導(dǎo)體分布較多的地區(qū)宜采用中心回線組合裝置[13]，在空曠地區(qū)，使用重疊回線裝置施工要簡(jiǎn)潔一些，但對(duì)于利用邊長(zhǎng)為20 m以下的小型線框進(jìn)行收發(fā)來說，二者工作效率基本相當(dāng)。

2.2　發(fā)射回線邊長(zhǎng)選擇

在一定的邊長(zhǎng)范圍內(nèi)，目標(biāo)體異常幅度隨邊長(zhǎng)的增大而呈線性地增大，最后達(dá)到某一飽和值[14]。在實(shí)際工作中為提高生產(chǎn)效率，發(fā)射回線邊長(zhǎng)盡量取小。近幾年的工作實(shí)踐表明：采用重疊回線或中心回線裝置，尋找?guī)缀涡螤畲笥诎l(fā)射回線邊長(zhǎng)，埋深相對(duì)較淺的低阻目標(biāo)體效果較好，但對(duì)于幾何形狀較小，或埋深較大的低阻目標(biāo)體，效果欠佳。這也正是鐵路淺層巖溶勘探選擇共中心點(diǎn)回線裝置的經(jīng)驗(yàn)所在。一般發(fā)射回線邊長(zhǎng)與目標(biāo)體埋深之比L/h約為1∶4。隨著回線邊長(zhǎng)的增大，異常體受地質(zhì)噪聲的干擾強(qiáng)度也隨之增大，分辨率降低[15]。就路基巖溶勘探而言，選用發(fā)射線圈邊長(zhǎng)為10 m～20 m重疊回線和中心回線裝置效果較好。

3　工程勘察實(shí)例

3.1　滬昆高鐵路基巖溶勘探

滬昆高鐵杭長(zhǎng)六測(cè)段位于江西省新余市境內(nèi)，測(cè)區(qū)內(nèi)地表覆蓋土為第四系全新統(tǒng)殘坡積粉質(zhì)黏土，褐黃色。下伏二疊下統(tǒng)灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r，灰黑色，強(qiáng)～弱風(fēng)化，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育。鉆孔顯示巖溶以溶溝、溶槽為主，填充型。因部分測(cè)段黏土導(dǎo)電性極差，地表視電阻率大于5 000 Ω·m，為高阻屏蔽層，常規(guī)直流電法無法作業(yè)。為探明地下巖溶發(fā)育情況，采用瞬變電磁法進(jìn)行勘探，下面以兩條典型剖面說明瞬變電磁法的勘探效果。

DK698+650～DK698+950段分析：

DK698+650～DK698+950段離新余北站站址約1 km，為巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)，測(cè)線布置為鐵路中線以及中線右側(cè)10 m，共兩條測(cè)線，點(diǎn)距10 m，線框邊長(zhǎng)20 m×20 m，裝置為重疊回線裝置。圖3為中線TEM成果圖，從圖3可以看出地表電阻率較高，基巖面埋深約為30 m～40 m，這與周邊鉆孔揭示的覆蓋層厚度基本相似，覆蓋層附近低阻異常發(fā)育，推測(cè)以溶溝、溶槽為主，圖中推測(cè)的五處低阻異常范圍為巖溶的影響區(qū)域。

圖4測(cè)線布置為中線右側(cè)10 m，測(cè)量參數(shù)同上。從圖4同樣可以看出地表電阻率相對(duì)較高，基巖面埋深約為30 m～40 m。推測(cè)的五處低阻異常，與圖3在形態(tài)和深度上都有較好的對(duì)應(yīng)性，說明此段巖溶異常發(fā)育強(qiáng)烈，且發(fā)育規(guī)模較大。

本工點(diǎn)因其地表土的特殊性，導(dǎo)致直流電法勘探無法開展，瞬變電磁法因?qū)Ω咦杵帘螣o影響，且對(duì)低阻體敏感的特性，使其在此工點(diǎn)具有其他物探方法不具備的優(yōu)越性，從上述兩個(gè)剖面的左右線對(duì)比上看，異常的位置，形態(tài)和深度都有較好的對(duì)應(yīng)性，說明兩段巖溶均較發(fā)育，且影響范圍較大，屬于巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地段。之后經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，驗(yàn)證孔Jz-Ⅵ 09-126位于鐵路里程DK698+692.5，鉆孔顯示覆蓋層厚度為32.3 m，巖溶發(fā)育位置為鉆孔深度34.2 m～39.5 m，為填充型溶洞，溶洞位置位于物探推測(cè)的異常范圍內(nèi)，說明瞬變電磁勘探方法效果良好。

3.2　婁邵線DK81+720～DK81+780段路基巖溶勘察

此婁邵線DK81+600～DK81+900段位于湖南省邵陽市境內(nèi)，測(cè)區(qū)內(nèi)地表覆蓋土為第四系粉質(zhì)黏土，下伏灰?guī)r，巖溶發(fā)育較強(qiáng)烈。為探明地下巖溶發(fā)育情況，采用瞬變電磁法進(jìn)行勘探，測(cè)線沿鐵路中心布置，采用中心回線裝置測(cè)量，點(diǎn)距5 m。并在中線右側(cè)5 m布置一條面波測(cè)線，通過兩種方法進(jìn)行綜合解釋，以提高物探解譯精度。

根據(jù)臨近鉆孔資料顯示，測(cè)區(qū)內(nèi)覆蓋厚度層約為6 m～7 m，巖溶類型以填充型巖溶為主。從測(cè)量成果圖推測(cè)覆蓋層位于1 400 Ω·m等值線附近，推測(cè)的覆蓋層厚度如圖5所示。推測(cè)低阻異常四處，為巖溶影響范圍。除巖溶影響范圍外，其余測(cè)段巖體完整性較好。圖6為鐵路中線右5 m的多道瞬態(tài)面波的測(cè)量成果，推測(cè)低速異常帶3處，為巖溶影響范圍。雖然兩種方法測(cè)量的物性參數(shù)不同，但兩種方法所劃分的異常在形態(tài)和深度上一致性較好，說明兩種方法在淺層巖溶勘探方面均有良好效果。但又可以看出兩種方法的不同特點(diǎn)，瞬變電磁法對(duì)低阻巖溶異常較敏感，縱向分辨率好，面波對(duì)覆蓋層厚度劃分效果較好，但對(duì)較小的異常，因測(cè)量裝置原因分辨率較瞬變電磁法弱。

4　結(jié)語

通過對(duì)路基巖溶常見的形態(tài)瞬變電磁正演模擬，并在滬昆高鐵以及婁邵線等鐵路路基巖溶的大量勘察應(yīng)用，結(jié)合其他物探方法以及鉆孔驗(yàn)證，證實(shí)了瞬變電磁法在淺層路基巖溶勘探方面具有良好的應(yīng)用效果：

1)針對(duì)淺部巖溶瞬變電磁探測(cè)進(jìn)行正演模擬，根據(jù)正演結(jié)果分析了在平地地形條件下不同大小和不同埋深的dB/dt場(chǎng)異常響應(yīng)，對(duì)實(shí)際的外業(yè)勘探、數(shù)據(jù)處理與解釋具有一定的指導(dǎo)意義；

2)瞬變電磁法不受地表接地限制，對(duì)地表高阻穿透能力強(qiáng)。對(duì)高阻圍巖中的低阻體反應(yīng)靈敏，分辨率較好，工作效率高，在淺層路基巖溶勘探方面具有廣泛的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。