武漢軌道交通巖溶探測技術(shù)應(yīng)用研究

杜惠光

(長江地球物理探測(武漢)有限公司，湖北 武漢 430010)

在國家大力發(fā)展公共交通戰(zhàn)略的引導(dǎo)下，我國城市軌道交通工程建設(shè)已邁入快速發(fā)展期。很多城市的軌道交通工程基礎(chǔ)都不可避免地會建設(shè)在巖溶發(fā)育的灰?guī)r區(qū)，如不查明巖溶的發(fā)育及其分布情況，必會成為工程安全的重大隱患。

目前，國內(nèi)多個城市交通建設(shè)項目中針對巖溶探測進(jìn)行了多種物探方法的嘗試，其中，杭州西湖周邊巖溶區(qū)選取高密度電法為基本勘察方法；大連地鐵2號線選取高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)、超高密度跨孔電阻率CT進(jìn)行巖溶綜合探測；廣州市金沙洲使用綜合物探方法為城市巖溶處理提供依據(jù)。武漢市近年來也開始了大規(guī)模的城市軌道交通建設(shè)，已建和在建的多條地鐵線路均不同程度存在巖溶問題。需要針對武漢地區(qū)地質(zhì)條件選取一套快速、經(jīng)濟、有效的巖溶探測技術(shù)方法體系，為武漢市軌道交通建設(shè)保駕護航。

1 地質(zhì)條件及探測要求

武漢市總體的地形為北高南低，以丘陵和平原相間的波狀起伏地形為主，中南部以長江和漢水沖積平原為主，地形平坦開闊，總體地貌形態(tài)由剝蝕堆積壟崗區(qū)過渡為沖洪積區(qū)，地面標(biāo)高一般在21.6～26.8m。武漢地區(qū)第四系一般為：雜填土、黏性土、粉細(xì)砂、中粗砂；碳酸鹽基本為厚層第四系地層所覆蓋，部分為巖層所掩埋，為覆蓋型和埋藏型巖溶區(qū)。在平面上自北向南分布有6條走向NWW-SEE的可溶巖條帶，分別為天興洲條帶、大橋條帶、白沙洲條帶、沌口條帶、軍山條帶和漢南條帶，寬度為1.3～2.8km不等。三疊系灰?guī)r一般構(gòu)成向斜、背斜的核部，石炭系和二疊系灰?guī)r構(gòu)成褶皺的翼部，其間分布有二疊系上統(tǒng)非可溶巖。巖溶發(fā)育類型主要有溶隙和溶洞，發(fā)育方向和強度受層面和構(gòu)造控制，多沿陡立層面垂向呈溶隙形態(tài)發(fā)育，水平向連續(xù)性較差?？傮w屬巖溶弱-中等發(fā)育。

武漢市軌道建設(shè)重點關(guān)注建筑物結(jié)構(gòu)底板以下10m范圍內(nèi)溶洞的空間分布規(guī)律，并結(jié)合探測溶洞的發(fā)育情況，評價其對地鐵工程的影響，為地鐵設(shè)計與施工提供可靠地質(zhì)資料。

2 巖溶探測特點及方法比選

2.1 巖溶探測特點

地下介質(zhì)(巖石或土)與不良地質(zhì)體(巖溶或土洞)的結(jié)構(gòu)、成分及其組合形式的不同，決定了不同地質(zhì)對象間存在物性差異，包括彈性波參數(shù)、電阻率、電磁參數(shù)、密度參數(shù)的差異，為物探技術(shù)的應(yīng)用提供了地球物理前提；但城市環(huán)境中探測溶洞易受到強干擾，要求探測方法、探測設(shè)備、數(shù)據(jù)處理方法具備較強的抗噪能力；同時，武漢巖溶分布多為埋藏型巖溶，位于土巖結(jié)合面或之下，決定了與高速、高阻背景下的巖溶探測有所不同。土巖結(jié)合部的低阻、低速特性或者強烈的物性差異對有些探測信號是一個阻隔體，導(dǎo)致有效信號難以到達(dá)目標(biāo)體。

2.2 方法原理

針對武漢市地質(zhì)條件，在分析武漢地區(qū)軌道交通巖溶探測要求及特點的基礎(chǔ)上，選取了多種有效探測巖溶的物探方法進(jìn)行了比選研究。其中，比選方法包括：高密度電法、彈性波CT法、電磁波CT法等。

2.2.1 高密度電法

高密度電法即高密度電阻率法，實際上是一種陣列式電法勘探方法，是指通過電極陣列排列方式來觀測人工建立的地下穩(wěn)定電流場的分布規(guī)律，進(jìn)而可以實現(xiàn)目標(biāo)體探測的一種電阻率法。野外測量時，只需將全部電極(幾十至上百根)置于測點上，然后利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機工程電測儀便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動采集。當(dāng)將測量結(jié)果送入微機后，還可對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理并給出關(guān)于地電斷面分布的各種圖示結(jié)果。其工作原理示意如圖1所示。

圖1 高密度電阻率法工作原理示意圖

2.2.2 彈性波CT法和電磁波CT法

層析成像選用了電磁波CT和彈性波CT，層析成像的理論基礎(chǔ)——Radon變換。彈性波CT的Radon變換式為：

式中，R—發(fā)射點到接收點間的路徑；x—為探測區(qū)域介質(zhì)的慢度(速度的倒數(shù))；t—測得走時。

網(wǎng)格化后可建立如下反演控制方程：

[D][X]=[T]

式中，D—M×N階矩陣；M—觀測次數(shù)；N—網(wǎng)格個數(shù)；D的元素dij是第i次觀測中傳播路徑被第j個網(wǎng)格截得的距離，i=1，2，…，M，j=1，2，…，N；X—N維列向量，其元素xj是第j個網(wǎng)格中的慢度；T—M維列向量，其元素為ti是第i次觀測走時。電磁波層析成像原理類似，不同的是接收的電磁波場強幅值。其工作原理示意如圖2所示。

圖2 彈性波CT法和電磁波CT法工作原理示意圖

2.3 方法比選

為了驗證各種方法在武漢城市軌道交通地區(qū)探測巖溶的適應(yīng)性，在現(xiàn)場選取了溶洞較發(fā)育的區(qū)域，開展了方法比選試驗工作。

2.3.1 高密度電法

高密度電法現(xiàn)場試驗電極距設(shè)置為5m，共60個電極，測線長度共計295m，探測成果如圖3所示，高密度電法在野外數(shù)據(jù)采集中受城市游離電流干擾較大，雖然采取了措施，但是數(shù)值中畸變點相對較多。數(shù)據(jù)經(jīng)過分析后基本可以確定基巖埋深界面，但是由于覆蓋層和土巖結(jié)合部的溶洞均為低阻反應(yīng)，后經(jīng)過驗證判斷基巖面比實際要深，大型溶洞反應(yīng)明顯，小型溶洞無反應(yīng)。

圖3 WT1-WT2′線高密度電法成果圖

2.3.2 彈性波CT法

彈性波CT法現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)采集采用全掃描觀測系統(tǒng)，點距設(shè)置為1m，儀器采用R24地震儀、串檢波器和大功率電火花震源，探測成果如圖4所示，彈性波CT在數(shù)據(jù)采集中受到的各種震動干擾較大，需要選擇車流量小的時間段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而且彈性波傳播需要水作為傳播介質(zhì)，干孔中難以實施。

圖4 HQ05K-1～HQ06K-1線彈性波CT成果圖

2.3.3 電磁波CT法

電磁波CT法現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)采集同樣采用全掃描觀測系統(tǒng)，點距設(shè)置為1m，儀器采用JW-5大功率電磁波儀，探測成果如圖5所示，電磁波CT數(shù)據(jù)采集過程中遇到的主要干擾源是高壓電線及電磁波的繞射，前者影響的主要是淺部覆蓋層的數(shù)據(jù)，可在后期解釋中排除，后者則采用鋼套管支桶避免繞射，并且電磁波CT探測成果細(xì)部特質(zhì)不如彈性波CT，但是對地下介質(zhì)分布也有較好的反映。

圖5 HQ05K-1～HQ06K-1線電磁波CT成果圖

2.4 綜合分析

通過現(xiàn)場試驗以及探測結(jié)果的對比分析(見表1)，得到以下結(jié)論：

(1)井中方法(彈性波CT法、電磁波CT法)在探測巖溶抗噪性與分辨率上優(yōu)于地面方法(高密度電法)，在城市環(huán)境中地下方法信號干擾較地面干擾小。

(2)地面方法(高密度電法)為了達(dá)到目標(biāo)探測深度(30～50m)，通常需布設(shè)測線長度超過200m，且電極與水泥地面耦合存在一定的限制性。

(3)井中方法探測巖溶效果，彈性波CT法在細(xì)部特質(zhì)比電磁波CT法稍好，但需要在地下水位較高地段進(jìn)行探測。

表1 各方法特征分析表

綜合考慮方法的有效性、經(jīng)濟性和可靠性，最終選擇采用電磁波CT法作為主要物探手段進(jìn)行巖溶探測，重點部位采取鉆孔電視錄像進(jìn)行驗證的探測方案。

3 應(yīng)用實例

3.1 工作布置

以武漢市軌道交通陽邏線(21號線)工程巖溶專項勘察為例。按規(guī)程、規(guī)范要求，采用鉆探與物探相互結(jié)合的綜合手段對場區(qū)巖溶發(fā)育特點進(jìn)行分析，重點探查建筑物結(jié)構(gòu)底板以下10m范圍內(nèi)溶洞的空間分布規(guī)律，并結(jié)合探測土洞的發(fā)育情況，評價其對地鐵工程的影響，為地鐵設(shè)計與施工提供可靠地質(zhì)資料。

由于采用的是鉆探與物探相互結(jié)合的綜合手段，在鉆孔位置布設(shè)時充分考慮了地鐵線路特點、施工方法、場地復(fù)雜程度，勘探鉆孔分別沿地鐵隧道左、右線外側(cè)和兩線隧道中間交錯布置勘探孔，成網(wǎng)格狀(如圖6所示)。原則上要求左右線外側(cè)孔位距隧道邊線外側(cè)3～5m，所有鉆孔間距控制在15～20m。要求鉆孔至少進(jìn)入灰?guī)r深度不小于25m，在此范圍內(nèi)遇溶洞時，應(yīng)再深入溶洞底板以下1倍洞徑的深度，且不小于6m，使之形成有效的背景場。對跨越隧洞的相鄰鉆孔均進(jìn)行層析成像(電磁波CT)，形成“三縱兩折”CT剖面線，探查巖溶地層中溶洞或土洞發(fā)育情況。數(shù)據(jù)采集采用全掃描觀測系統(tǒng)。

圖6 鉆孔布置圖

3.2 成果與解譯

資料分析工作首先是將電磁波CT圖像與地質(zhì)剖面合二為一，形成電磁波CT地質(zhì)剖面成果圖(如圖7)；遵循“視吸收系數(shù)愈小、巖體性狀愈好，反之愈差”的規(guī)律，對成果圖電磁波CT視吸收系數(shù)圖像的解釋、分析要做到解釋結(jié)論與測區(qū)總的規(guī)律相統(tǒng)一，定量解釋與定性解釋相統(tǒng)一，物性解釋與客觀地質(zhì)規(guī)律相統(tǒng)一。綜合試驗及本項目資料處理結(jié)果確定電磁波CT地質(zhì)剖面視吸收系數(shù)異常。異常劃分的原則為：(1)在較完整巖體里，視吸收系數(shù)異常原則上大于等于0.4Nper/m；可能發(fā)育無充填或充填較少巖溶的地層，視吸收系數(shù)異常降至0.3Nper/m。(2)在巖體較差或土巖結(jié)合部視吸收系數(shù)比背景值大0.3～0.4Nper/m。(3)大體上以視吸收系數(shù)值0.4Nper/m為界劃分基巖較完整分界線，對泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r等含泥量增加巖層而導(dǎo)致電磁波無法穿透的區(qū)域未劃分基巖較完整分界線，以此規(guī)律結(jié)合巖性等地質(zhì)條件對CT剖面進(jìn)行異常分析。

CT剖面視吸收系數(shù)異常分類，結(jié)合具體的地質(zhì)、鉆孔資料，分為：土巖結(jié)合部、溶溝、溶槽，

溶洞、溶蝕，巖體完整性較差，巖性變化4個類別。

結(jié)合工程需要重點對基巖面及以下高程CT圖像及主要異常從如下三個方面進(jìn)行解釋。第一，電磁波CT剖面特征，CT剖面圖像一般呈上部吸收較強，下部吸收較弱的規(guī)律；剖面上部吸收較強區(qū)大體上與較完整巖體分界線以上的覆蓋層及土巖結(jié)合部對應(yīng)，下部吸收較弱區(qū)與較完整巖體分界線以下的較完整巖體對應(yīng)。部分區(qū)段因泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r對電磁波的強吸收等因素而未穿透，呈現(xiàn)整體吸收較強的特征。第二，較完整巖體分界線，根據(jù)CT成像地質(zhì)剖面圖物性特征，劃分出一條較完整巖體分界線，總體隨著基巖頂板埋深起伏而相應(yīng)變化，與地質(zhì)上劃分的覆蓋層與基巖分界線高程偏低0～7.8m，客觀反映了土巖結(jié)合部位溶蝕現(xiàn)象較發(fā)育。第三，覆蓋層以下異常分布特點，從發(fā)現(xiàn)的大量視吸收異常中分析，在縱向上樁號14+915～CK15+015段、樁號17+110～CK17+153段存在較大溶洞溶蝕發(fā)育區(qū)；在垂向上，總體上淺部溶蝕發(fā)育強度強于深部；從視吸收異常屬性來分，其中土巖結(jié)合部異常、溶溝、溶槽占比24.7%，溶洞、溶蝕占比44.4%，巖體完整性較差占比14.5%，巖性變化占比16.4%。

為便于異常位置的確定，將電磁波剖面CT圖像中基巖界面及以下主要視吸收系數(shù)異常進(jìn)行水平面投影，并對不同剖面上的相鄰異常進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜⒓巴庋?將縱剖面異常投影到水平面上，同類型異常依據(jù)水平、縱向位置的臨近性進(jìn)行合并)，主要視吸收系數(shù)異常平面投影位置與CT剖面平面布置圖合二為一。

3.3 成果驗證

本勘探區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，物探中間成果資料解釋完畢后，首先根據(jù)已有鉆孔揭露的溶洞、巖性變化等地質(zhì)原因引起的物探異常進(jìn)行符合性統(tǒng)計，即所謂的物探事前符合性鉆孔驗證。本次工作發(fā)現(xiàn)的440個視吸收異常有132個與已有鉆孔揭露的吻合，余下308個異常位于鉆孔之間，另本次共完成事后符合性驗證孔23個，目的是檢驗物探資料的準(zhǔn)確性。其中物探異常的驗證鉆孔19個，驗證異常20個，物探異常推斷，溶洞溶蝕13個，巖體完整性差2個，巖性變化3個，土巖結(jié)合部、溶槽2個；另基巖未圈定物探異常的驗證鉆孔4個。驗證結(jié)果如下：

圖7 電磁波CT剖面成果示意圖

圖8 YZK-3039物探異常(a)及鉆孔揭露(b)示意圖

(1)物探異常驗證，20個物探異常與鉆孔揭示的地質(zhì)情況吻合或基本吻合。在發(fā)現(xiàn)異常的鉆孔相應(yīng)部位都能找到對應(yīng)的地質(zhì)-物性差異，為四類異常中的某一類或幾類的綜合反映。

(2)物探異常推斷解釋結(jié)果驗證，20個物探異常的推斷解釋與鉆孔揭示吻合或基本吻合的14個，不吻合的6個。其中：13個推斷為“溶洞、溶蝕”物探異常驗證吻合或基本吻合有7個(如圖8)，其余6個驗證結(jié)果為5個巖體完整性較差，1個土巖結(jié)合面；從工程地質(zhì)角度上講，以上6個與推斷不吻合的異常均為不良地質(zhì)體，也是工程關(guān)注的重要對象；推斷的2個“土巖結(jié)合部、溶溝、溶槽”、2個“巖體完整性較差”、3個“巖性變化”與驗證結(jié)果一致。

(3)“無異常”情況驗證，全部吻合。4個基巖未圈定異常的驗證鉆孔，在基巖中未發(fā)現(xiàn)異常，與解釋全部一致，且物探剖面劃分的較完整基巖分界線與鉆孔驗證吻合。說明物探剖面未圈定異常的低吸收區(qū)巖體的完整性得到確認(rèn)。

結(jié)合本次事后驗證及事前已有鉆孔揭露的情況發(fā)現(xiàn)，以樁號15+350～15+800為主的區(qū)段巖溶欠發(fā)育，造成的異常多為巖體完整性差或者性狀改變。針對這個情況對部分解釋做了相應(yīng)修改。

圖8(a)中3039號物探異常深32～35m推測為溶洞、溶蝕圖8(b)鉆孔揭露深32.5～34.8m為溶洞，填充軟塑狀黏土。

4 討論

(1)通過大量的探測成果和鉆孔驗證，我們發(fā)現(xiàn)，盡管采用了大功率電火花及電磁波透視儀，但有些土巖結(jié)合部位的彈性波或者電磁波穿透信號仍然難以獲取。缺失的數(shù)據(jù)造成精度下降是不得不接受的客觀事實。

(2)采用電磁波CT方法，巖體含泥較重、土巖結(jié)合部、溶槽或巖體完整性較差這幾種情況異常反應(yīng)一致，難以分析其異常屬性。

(3)巖溶探測問題本身也具有復(fù)雜性，巖溶充填形式的多樣性(如空洞、充泥、半充填、充水)會有不同的物性差異，對異常解釋造成一定的困難。

5 結(jié)論與展望

通過對武漢市地質(zhì)條件、探測環(huán)境和要求的綜合分析，進(jìn)行了系統(tǒng)的物探方法比選試驗工作，選擇了有效的物探方法；同時，通過對鉆孔布置和物探方法的實施和處理、數(shù)據(jù)分析進(jìn)行系統(tǒng)化的研究，摸索出了一套快速、經(jīng)濟、有效的巖溶探測技術(shù)方法體系：

(1)在方法選擇上，石炭、二疊系地層地下水位較高地段，以彈性波CT法為主，電磁波CT法為輔；三疊系地層地下水位較低地段，采用電磁波CT法；在重點部位采用鉆孔電視錄像。

(2)在數(shù)據(jù)處理與解釋中，從電磁波CT剖面特征、較完整巖體分界線、覆蓋層以下異常分布特點三個方面系統(tǒng)分析了巖溶發(fā)育情況，做到了全面系統(tǒng)的巖溶分析。

(3)物探事前符合性鉆孔驗證為數(shù)據(jù)處理與解釋提供了已知信息；事后符合性鉆孔驗證驗證了探測精度。兩者均有效驗證了CT方法在探測溶洞存在明顯的優(yōu)勢。

同時，技術(shù)無止境，在很多方面仍需要進(jìn)一步開展研究工作。如無充填溶洞是軌道交通巖溶探測的難點，需要開展相關(guān)的理論計算、模型試驗研究，從而找出更有效的探測手段；目前武漢市軌道交通巖溶探測大量采用CT方法，需要較多勘探孔，成本高，且易受鉆孔進(jìn)度影響，發(fā)展經(jīng)濟、快速、有效的地面探測方法，是城市軌道交通巖溶探測面臨的重要課題。

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