物探方法在巖溶區(qū)高速公路地下空洞勘探中的應用

于 水，趙晨浩，吳 帥

（貴州大學喀期特重點實驗室，貴州貴陽550000）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，高速公路的建設(shè)在基礎(chǔ)建設(shè)中投入的比重不斷增加，尤其近幾年國家對西南地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)資金投入的增加，其中貴州省的高速公路的發(fā)展尤為迅速，但面臨的問題也日益突出。因其喀斯特現(xiàn)象十分常見，巖溶地區(qū)占地廣泛，大多數(shù)高速公路都要經(jīng)過灰?guī)r區(qū)。灰?guī)r區(qū)的溶蝕現(xiàn)象十分普遍，很容易致形成空洞導致公路塌陷，進而造成不必要的財產(chǎn)損失與人員傷亡。

1 工程原理

1.1 高密度電法

勘探區(qū)內(nèi)覆蓋層與基巖二者間的視電阻率存在一定的差異，覆蓋層視電阻率值相對較低，而基巖電阻率值就比較高一些，在基巖巖體中，節(jié)理裂隙發(fā)育和含水情況，都會引起視電阻率發(fā)生相應的變化。電阻率法勘查測區(qū)內(nèi)的覆蓋層厚度、巖體裂隙發(fā)育程度正是利用了這些物性上存在差異。

高密度電法利用的地質(zhì)體間存在電性的差異，即電磁場或電場在時間和空間上的變化規(guī)律和分布特點，通過對這種差異的勘測與分析，來了解地下地質(zhì)構(gòu)造情況的一種地球物理勘探方式。高密度電法的優(yōu)勢在于可以勘探地下一定深度范圍內(nèi)縱向與橫向2種方向上電性的變化情況，數(shù)據(jù)收集范圍大，同時測量的密度高，解釋方法多樣，對地電條件的適應性強。

1.2 地質(zhì)雷達

地質(zhì)雷達和探空雷達相比，相同點在于二者都是以寬頻帶短脈沖形式通過天線發(fā)射高頻電磁波（主頻為數(shù)十至數(shù)百乃至數(shù)千兆赫），被物體或目標物反射后返回被另一天線接收。不同點在于地質(zhì)雷達的電磁波是向地下發(fā)射，而地下與空中相比介質(zhì)也更加復雜多變，干擾因素也多許多。若地下介質(zhì)的波速v數(shù)值可知，可依據(jù)測到的脈沖波旅行時間T值計算目標體的埋深。

在探測中地質(zhì)雷達的基本參數(shù)如下：

（1）電磁脈沖波旅行時：

式中：z∶——探測目標體的埋深；

x——發(fā)射、接收天線的距離（式中因z＞x,故x可忽略）；

v——電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

（2）電磁波在介質(zhì)中的傳播速度：

式中：c——在真空中電磁波的傳播速度，2.9979×108m/s；

εr——介質(zhì)的相對介電常數(shù)；

μr——介質(zhì)的相對磁導率，一般μr≈1。

（3）電磁波的反射系數(shù)。電磁波在介質(zhì)傳播過程中，若相對介電常數(shù)差異較大時，電磁波將產(chǎn)生反射及透射現(xiàn)象，異常變化界面的電磁波反射系數(shù)是影響其反射和透射能量的分配關(guān)鍵因素：

式中：r——介質(zhì)界面電磁波反射系數(shù)；

ε1——第一層介質(zhì)的相對介電常數(shù)；

ε2——第二層介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

（4）地質(zhì)雷達記錄時間和勘查深度的關(guān)系：

式中：z——探測目標體的埋深；

t——雷達記錄時間。

根據(jù)探測目標要求及場地特點，選擇100MHz地面天線，32次疊加，點測方式，縱測線點距1m，橫測線點距0.5m。

2 工程應用

2.1 地質(zhì)概況

2.1.1 工程背景

貴陽環(huán)城高速西南環(huán)線K64+000～K64+200段路基為整體式路基，路基寬為26m，其中K64+000～K64+140段為挖方路基，K64+140～K64+200段為填方路基。

貴陽環(huán)城高速西南環(huán)線K64+040段左幅路面應急車道一側(cè)出現(xiàn)路面塌陷，造成離路面深2m左右、半徑約1.2m的凹槽。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，K64+071處右幅路基邊緣、K64+075處左幅路基邊緣、K64+091處左幅路基邊緣存在空洞，K64+091處左幅路基下部水穩(wěn)層已與上部結(jié)構(gòu)脫空，同時K64+000～K64+200段路基左右幅道路路面存在多處裂縫。為使公路恢復正常的運營，亟待進行對路基路面的相關(guān)勘探及有效治理。

為減少對路段正常運營的影響，物探工作主要采用的方式為地質(zhì)雷達法及高密度電法，主要目的是查明K64+000～K64+200段范圍內(nèi)路基侵蝕空洞、基巖巖溶發(fā)育情況等地質(zhì)信息。

2.1.2 地形、地貌

勘探區(qū)位置在云貴高原以東的傾斜地區(qū)，屬溶蝕型發(fā)育的地區(qū)，高低起伏較小。

2.1.3 地質(zhì)構(gòu)造

測區(qū)屬揚子準地臺—黔北臺隆—遵義斷拱—貴陽復雜構(gòu)造變形區(qū)，貴陽向斜的西翼。測區(qū)附近發(fā)育一逆斷層，場區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育。

2.1.4 地質(zhì)條件

場區(qū)上覆土層為紅粘土（Qel+dl），下伏基巖為三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d）灰?guī)r，薄—中厚層狀巖層綜合產(chǎn)狀為90°∠56°。

2.2 地球物理特征

2.2.1 地下空洞的電阻率特征

（1）空氣充填型地下空洞。一般表現(xiàn)為高電阻率的特征。

（2）地下水充填型地下空洞。一般表現(xiàn)為低電阻率的特征。

（3）坍塌充填型地下空洞。其充填介質(zhì)通常包括碎石、泥土、水和空氣，電阻通率一般介于上述兩者之間。

2.2.2 地下空洞的介電常數(shù)特征

（1）空氣充填型地下空洞。介電常數(shù)值較小、電磁波的傳播速度較快、震波的強度衰減較慢；

（2）地下水充填型地下空洞。介電常數(shù)值較大、電磁波的傳播速度較慢、震波強度的衰減速度較快；

（3）坍塌充填型地下空洞。介電常數(shù)值、電磁波的傳播速度、震波強度的衰減速度等視充填物質(zhì)而定，通常介于上述兩者之間。

2.2.3 工區(qū)地球物理參數(shù)

勘探區(qū)的地球物理參數(shù)如表1所示。

表1 地球物理參數(shù)表

2.3 工作方法

結(jié)合實際的地形地貌，依據(jù)探測的具體要求，布置測線的情況如下：

地質(zhì)雷達測線布置為：沿K64+000～K64+200左11m、左10m、左9m、左7m、左6m、左5m、左3m、左2m、左1m分別布置一條測線，編號為：LD1～LD1′-LD9～LD9′，分別采用多種天線頻率進行探測；沿K64+000～K64+200右3m、右7m、右10m各自布置一條測線，編號為：LD10～LD10′-LD12～LD12′，各采用2種天線頻率進行探測。

高密度電法布置為：沿K63+990～！K64+167左右側(cè)外邊緣各自布置一條測線，編號為：DF1～DF1′、DF2～DF2′。

2.4 資料解釋與成果分析

2.4.1 高密度電法

DF1～DF1′測線（圖1）：測線位于左幅邊溝外緣，測線內(nèi)表層為覆蓋層，厚度在1～11m之間，其中K64+000～K64+080段相對較均勻，均厚約6～8m，K64+080～K64+180變化較大，薄者1m，厚者11m，推測該處發(fā)育溶溝溶槽，與地表揭露情況吻合。K64+030～K64+045段，中心埋深14m，存在一低阻條帶狀異常，推斷為巖溶裂隙發(fā)育，巖體破碎，路基土層內(nèi)的水有沿該低阻體向下運移的可能。

圖1 DF1～DF1′測線物探成果解釋圖

DF2～DF2′測線（圖2）：測線位于右幅邊溝外緣，測線內(nèi)表層低阻為覆蓋層，K64+000～K64+133段厚度在4.5m左右，K64+133～K64+180段厚度在7.0m左右；基巖在K64+144～K64+157，中心深度10m，存在一低阻異常，推斷為裂隙發(fā)育區(qū)。

2.4.2 地質(zhì)雷達

圖2 DF2～DF2′測線物探成果解釋圖

A左幅：

（1）淺表層異常。探測主要采用GR-IV地質(zhì)雷達儀，采用頻率為與200MHz與400MHz的屏蔽天線，每車道布置物探測線2條，每測線均使用2種天線掃描一次。此次探測共發(fā)現(xiàn)7處異常，其中2處疑似空洞異常（圖3）。第一處（左幅）為全車道k64+79～k64+82，深0.5～1m左右；第二處（右幅）為應急車道k64+87～k64+94，深0.5～1.3m左右。

（2）中深層異常。中深層異常探測的主要目的是：勘察可能存在的巖土界面（表層與回填土界面、回填土與原生土界面、基巖面等），設(shè)備使用MALA地質(zhì)雷達儀，采用頻率為100MHz與250MHz屏蔽天線。但是因為施工場地限制，只在行車道與超車道進行了物探作業(yè)，每車道布置測線一條，每條測線均使用2種天線掃描一次。

物探發(fā)現(xiàn)：

①該場區(qū)覆蓋層較厚條件下，250MHz電磁波有效穿透深度4～5m，100MHz電磁波有效穿透深度6～8m。

②K64+000～K64+060段填土層較厚，由K64+000段向K64+060減少到2m；K64+060～K64+160段填土層較薄，厚度約2～3m；K64+160～K64+200段填土層較厚，由K64+160段厚約3m向K64+200逐漸增加。可確定K64+000～K64+060段、K64+160～K64+200段為填方段，K64+060～K64+160段為挖方段。

③K64+042段物探異常推測為橫向排水管，埋深約1m。

④K64+084段，埋深約4～6m，存在一強反射異常，可能為溶洞。

圖3 疑似空洞異常雷達波特征

B右幅：受施工時間限制及場地條件影響，右幅僅開展了中深層異?？辈旃ぷ?。

右幅中深層異常探測的主要目的是：勘察可能存在的巖土界面（表層與回填土界面、回填土與原生土界面、基巖面等），設(shè)備使用MALA地質(zhì)雷達儀，天線采用250MHz屏蔽天線（探測結(jié)果見圖4）與100MHz屏蔽天線（探測結(jié)果見圖5）。分別在應急車道、行車道與超車道進行了物探作業(yè)，每車道布置測線一條，每條測線均使用2種天線掃描一次。物探發(fā)現(xiàn)K64+084～K64+088段，埋深約5～6m，存在一強反射異常，可能為溶洞。

3 結(jié)語

圖4 250MHz地質(zhì)雷達成果解釋圖

根據(jù)地質(zhì)雷達探測及高密電法成果，綜合分析，測區(qū)范圍內(nèi)面層、基層厚度在0.57m左右，墊層、路基厚度在1.4m左右，粘土層厚度在2～13m之間，溶槽內(nèi)較厚?；鶐r表生巖溶發(fā)育，個別部分存在小型溶洞。左幅應急車道K64+030～K64+038段存在強反射異常，深度在0.5～0.8m之間，確定為墊層疏松。K64+079～K64+094段存在強反射異常，深度在0.5～0.8m之間，確定為脫空。左幅行車道K64+079～K64+095段存在強反射異常，深度在0.5～0.8m之間，確定為脫空。左幅超車道K64+079～K64+083段存在強反射異常，深度在0.5～0.8m之間，確定為脫空。右幅整個路基范圍內(nèi)在K64+084深8m存在強反射，推斷為未充填型溶洞。最后經(jīng)開挖證實左幅行車道K64+079～K64+094段與左幅超車道K64+079～K64+083段深度在0.6～0.75m間為脫空。

圖5 100MHz地質(zhì)雷達成果解釋圖

因為物探方法的多解性,對辨認和解釋異常的情況具有一定的難度，往往采用某一種方法難以很好地判定。高密度電法具有探測數(shù)據(jù)豐富、探測密度較高、對存在電阻差異的地質(zhì)體的識別能力強、解釋方法多樣簡捷的優(yōu)點，可較直接、形體地反映斷面電性異常體的產(chǎn)狀、形態(tài)、規(guī)模等數(shù)據(jù)信息。但是高密度電法的缺點是探測的深度還有待提升。而探地雷達探測作為一種高效、便捷、快速、無損探測技術(shù)，根據(jù)介質(zhì)物性差異來探測與分析。地質(zhì)雷達的缺點是電磁波易受外界的干擾（如周圍高大建筑物）進而影響最終的分析結(jié)果，所以通過高密度電法與地質(zhì)雷達配合，雷達天線用多種頻率重復探測，使不同大小和深度的目標體能夠較好處理，與高密度電法對比分析，極大提高了勘測最終結(jié)果的高效準確性和科學有效性。