電磁波CT在赤水河大橋主承臺(tái)巖溶探測(cè)中的應(yīng)用

陳 川

(四川省興冶巖土工程檢測(cè)有限責(zé)任公司，四川成都 610000)

0 引言

目前，電磁波CT探測(cè)廣泛運(yùn)用于橋梁、隧道、水電水利工程等領(lǐng)域，探測(cè)覆蓋層(砂層)、破碎巖體、斷層帶、裂隙密集帶、溶蝕區(qū)等不良地質(zhì)體的發(fā)育情況，取得了較好的應(yīng)用效果[1]。但是在具體的應(yīng)用中，往往存在個(gè)別工區(qū)特有的地質(zhì)體，這些地質(zhì)體可能是天然形成，也可能是施工造成，在反演剖面中，反映的是這些地質(zhì)體的空間形態(tài)、大小、填充介質(zhì)等影響因素與圍巖形成的綜合響應(yīng)，這使得探測(cè)結(jié)果撲朔迷離，如何去偽存真是解決這類(lèi)問(wèn)題的關(guān)鍵[2]。貴州赤水河大橋主承臺(tái)在檢測(cè)之前已經(jīng)形成了數(shù)個(gè)人工挖孔樁，個(gè)別孔正在施工，部分孔已經(jīng)完成鋼混澆筑，人工挖孔樁的存在使電磁波CT探測(cè)結(jié)果存在網(wǎng)狀異常、形態(tài)散亂，如何客觀(guān)地解釋是判斷赤水河大橋主承臺(tái)下巖體完整程度、巖溶是否發(fā)育的關(guān)鍵。本文結(jié)合該工區(qū)工程狀況，通過(guò)建立、討論正演模型并運(yùn)用于處理解釋中，能較好地解決該工區(qū)這一問(wèn)題。

1 電磁波CT基本原理

孔間電磁波CT技術(shù)基本原理是，利用不同地質(zhì)體對(duì)一定頻率下的電磁波的能量吸收強(qiáng)弱不同再現(xiàn)地質(zhì)體異常的電磁波吸收系數(shù)圖像，它是現(xiàn)代地球物理勘探技術(shù)領(lǐng)域最新成果的結(jié)晶[3-5]。

電磁波CT層析成像的過(guò)程和原理見(jiàn)圖1。

圖1 電磁波CT工作原理

電磁波CT是基于惠更斯原理用無(wú)線(xiàn)電波對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行成像的物理手段。從麥克斯韋方程組推導(dǎo)出電偶極子場(chǎng)，當(dāng)電偶極子衍射效應(yīng)可以忽略，測(cè)點(diǎn)與發(fā)射點(diǎn)距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，可以將電偶極子場(chǎng)作為輻射場(chǎng)。在輻射區(qū)內(nèi)，介質(zhì)中的電磁波傳播路徑可以用射線(xiàn)來(lái)描述[6]。對(duì)于配置半波偶極子天線(xiàn)的電磁波儀，其輻射場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)見(jiàn)式(1)、式(2)[7]。

(1)

由公式(1)可以推導(dǎo)出：

(2)

式中：E0為初始輻射場(chǎng)，V/m；R為射線(xiàn)長(zhǎng)度(即射線(xiàn)傳播的路線(xiàn)積分) ,m；D為兩孔間的水平距離，m；β是反映介質(zhì)電磁特性的一個(gè)參數(shù)，稱(chēng)為介質(zhì)電磁波吸收系數(shù)，dB/m。

通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)電磁場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行處理，重構(gòu)射線(xiàn)所掃描的區(qū)域內(nèi)巖體介質(zhì)電磁波吸收系數(shù)分布，從而確定異常的位置、空間分布和形態(tài)。

2 工區(qū)地質(zhì)概況

赤水河特大橋橋址區(qū)位于貴州省習(xí)水縣習(xí)酒鎮(zhèn)沿赤水河下游約5 km處，屬赤水河溶蝕峽谷地貌。貴州岸坡度較緩，基巖出露范圍較廣，坡體表面植被發(fā)育，巖層產(chǎn)狀較緩，工區(qū)內(nèi)地層巖性為：第四系全新統(tǒng)人工填土塊碎石(Q4ml)；第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土(Q4el+dl)；下三疊統(tǒng)茅草鋪組灰?guī)r(T1m)；下三疊統(tǒng)夜郎組鈣質(zhì)泥巖(T1y)。區(qū)域地調(diào)資料顯示，三疊系的碳酸鹽巖類(lèi)中，溶洞和巖溶破碎較為發(fā)育，當(dāng)?shù)鼐植康貐^(qū)可見(jiàn)溶洞造成的地面塌陷[8-9]。

通過(guò)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的踏勘可知，赤水河大橋(貴州岸)左幅承臺(tái)樁基挖孔作業(yè)仍在進(jìn)行，未澆筑。右幅承臺(tái)樁基成孔、澆筑均完成，大橋樁基直徑3.5 m，深度20 m左右，檢測(cè)鉆孔分別位于承臺(tái)四角處，孔深在35～40 m之間，多條連孔測(cè)試剖面經(jīng)過(guò)樁基孔。

3 電磁波CT數(shù)據(jù)處理

3.1 電磁波CT正演模型討論

檢測(cè)資料初步處理成果如圖2所示。連孔剖面過(guò)樁基時(shí)，反演剖面較為雜亂，異常區(qū)域非常明顯，但并不能展現(xiàn)樁基的形態(tài)，見(jiàn)圖2(a)；而連孔剖面不過(guò)樁基時(shí)，反演剖面連續(xù)性好，能正常反映巖體完整性情況，見(jiàn)圖2(b)。

圖2 赤水河大橋電磁波CT反演成果圖

如何解釋上述異常區(qū)域是數(shù)據(jù)處理解釋的重點(diǎn)、難點(diǎn)，有必要對(duì)該工區(qū)建立正演模型，討論樁基對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。根據(jù)電磁波的傳播特性及其測(cè)量原理，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)情況，展開(kāi)如下討論。

對(duì)于常規(guī)地下異常體，空間規(guī)模有限，電磁波CT射線(xiàn)對(duì)能夠充分限制異常體在空間的展布，通過(guò)數(shù)據(jù)處理能夠準(zhǔn)確反映異常體的空間形態(tài)[10]。

工區(qū)承臺(tái)內(nèi)分布有直徑3.5 m、深度20 m的樁基，理論上樁基可以視為“地下異常體”，但不同的是，樁基異常體縱橫向比例達(dá)到5∶1，鉆孔孔距僅20～30 m，鉆孔深度最深為40 m，從測(cè)量原理上，這樣的空間異常體形態(tài)很難被電磁波CT射線(xiàn)對(duì)包絡(luò)，因此很難在反演剖面上展現(xiàn)樁基的形態(tài)。通過(guò)以上的討論，按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際尺寸(寬3.5 m，高20 m)建立樁基異常體正演模型，其正演結(jié)果如圖3所示。

圖3 樁基異常體正演模型及正演結(jié)果

正演結(jié)果表現(xiàn)為：20 m以上巖體吸收系數(shù)非常大、形態(tài)不規(guī)則，并且橫向上的異常大大超過(guò)了樁基孔徑3.5 m的范圍，因此，對(duì)于空間尺寸和長(zhǎng)細(xì)比均較大的地質(zhì)體，在處理剖面上并不能呈現(xiàn)其空間形態(tài)。

但是，如果鉆孔間距足夠大，鉆孔深度足夠深，相對(duì)于測(cè)量剖面，這樣的異常體是一個(gè)較小的局部異常，電磁波射線(xiàn)對(duì)能夠充分限制其空間形態(tài)，其形態(tài)就能在空間上展現(xiàn)出來(lái)。保持模型5∶1的比例，將異常體尺寸相對(duì)縮小來(lái)模擬此種異常(見(jiàn)圖4)，從正演結(jié)果來(lái)看，基本能夠展現(xiàn)出樁基異常體的形態(tài)。

圖4 樁基異常體正演模型及正演結(jié)果

通過(guò)以上正演模型討論可以得出結(jié)論，對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)的樁基只要鉆孔孔距、孔深足夠大，成果中就能反映出樁基的基本形態(tài)，但是在現(xiàn)場(chǎng)施工中受到儀器探測(cè)范圍、施工場(chǎng)地等因素的限制，很難滿(mǎn)足這一要求。

3.2 樁基異常體正演模型

由于赤水河大橋(貴州岸)承臺(tái)鉆孔位置沒(méi)有按照檢測(cè)方案測(cè)設(shè)，使得連井剖面過(guò)樁基孔的弦長(zhǎng)為不確定的變量，實(shí)際正演模型按照現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量尺寸建立，如圖5所示。

圖5 赤水河大橋(貴州岸)承臺(tái)6、8號(hào) 鉆孔位置及正演模型

施工中人工挖孔、爆破作業(yè)對(duì)圍巖有不同程度地?cái)_動(dòng)、可能在樁基附近1 m范圍內(nèi)形成裂縫、裂隙等，在電磁波CT檢測(cè)中，與樁基一起形成“長(zhǎng)柱狀異常體”，建立該工區(qū)正演模型，吸收系數(shù)為：①?lài)鷰r0.1；②樁基0.6～0.9(過(guò)樁基孔弦長(zhǎng)越小，值越小)；③可能破碎區(qū)0.5。正演模型、模型正演結(jié)果、實(shí)際反演結(jié)果如圖6所示。

3.3 連孔剖面數(shù)據(jù)處理

鉆孔5—鉆孔8連孔剖面上，連線(xiàn)經(jīng)過(guò)三個(gè)樁基，新建成三個(gè)樁基異常體，吸收系數(shù)與直徑成正比。同種巖性下，吸收系數(shù)的大小與路徑有關(guān)，直徑越大，對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)越長(zhǎng)，電磁波經(jīng)歷的路徑越長(zhǎng)，吸收系數(shù)也就越大，因此設(shè)置不同的吸收系數(shù)[11]。

鉆孔5—鉆孔8模型中，第一個(gè)樁基模型直徑最小，對(duì)應(yīng)的吸收系數(shù)最小，在正、反演剖面上也可看出吸收系數(shù)與下部巖體差別不大，原因同上。同時(shí)，在赤水河大橋(貴州岸)右幅承臺(tái)檢測(cè)時(shí)樁基澆筑已完成，基于同樣原因，得到的反演剖面低吸收系數(shù)區(qū)域明顯比左幅承臺(tái)低吸收系數(shù)區(qū)域大的多，下部異常明顯更少，電磁波穿過(guò)已澆筑的混凝土的難易程度明顯低于未澆筑的空氣介質(zhì)。

大橋樁基直徑3.5 m，深度達(dá)到20 m(測(cè)試時(shí)承臺(tái)左幅仍在挖孔施工，承臺(tái)右幅已經(jīng)澆筑)，并且施工中挖孔、爆破作業(yè)對(duì)圍巖有不同程度的擾動(dòng)并可能形成裂縫等，在電磁波CT檢測(cè)中，通過(guò)正演分析，工區(qū)這種“長(zhǎng)柱狀異常體”與圍巖的綜合響應(yīng)非常復(fù)雜，成果處理中解釋為“樁基與圍巖響應(yīng)區(qū)”。

另外，成果處理中部分鉆孔井段井壁附近表現(xiàn)為較高的吸收系數(shù)，并且在剖面橫向上并未有明顯異常延伸區(qū)域，形態(tài)上表現(xiàn)為半閉合的局部異常，這種異常由鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)造成的井壁破碎引起，成果處理中解釋為“井壁效應(yīng)”異常區(qū)。

表層0～5 m范圍內(nèi)，受地形起伏、地面荷載、高壓電線(xiàn)以及施工場(chǎng)地平整時(shí)上部巖土清除造成的裂隙等影響，測(cè)得的吸收系數(shù)較高，形態(tài)表現(xiàn)為半閉合的局部異常，成果處理中解釋為“表層效應(yīng)”異常區(qū)。

4 赤水河大橋電磁波CT成果分析實(shí)例

4.1 ZK2—ZK3剖面

ZK2—ZK3電磁波CT反演剖面圖如圖7所示。該剖面長(zhǎng)20 m，該承臺(tái)樁基已經(jīng)完成澆筑。

圖7 ZK2—ZK3井電磁波CT反演剖面圖

由成果圖得知：

(1)在剖面頂部即地表下厚度0～13 m范圍內(nèi)存在電磁波高吸收異常區(qū)，電磁波吸收系數(shù)在0.70～0.95 dB/m之間，為大橋右幅承臺(tái)樁基等長(zhǎng)柱狀異常體形成的“樁基與圍巖響應(yīng)區(qū)”。由于樁基已經(jīng)完成澆筑，圍巖與樁接觸良好，特別是13 m以下測(cè)量幾乎未表現(xiàn)出異常形態(tài)，13 m以上僅有局部異常，地表和井壁局部表現(xiàn)為高吸收系數(shù)現(xiàn)象，其形態(tài)為半封閉狀，為“表層效應(yīng)”和“井壁效應(yīng)”所致；

(2)其他區(qū)域電磁波吸收系數(shù)多在0.1～0.5 dB/m范圍內(nèi)，未見(jiàn)明顯異常區(qū)，巖體較完整。

4.2 ZK5—ZK7剖面

ZK5—ZK7電磁波CT反演剖面圖如圖8所示。該剖面長(zhǎng)24.5 m，該承臺(tái)樁基未完成澆筑，部分樁基孔仍在挖掘。

圖8 ZK5—ZK7井電磁波CT反演剖面圖

由成果圖得知：

(1)反演剖面上、下存在明顯的分界線(xiàn)，在剖面頂部即地表下厚度0～20 m范圍內(nèi)存在電磁波高吸收異常區(qū)，電磁波吸收系數(shù)在0.65～0.95 dB/m之間，為大橋左幅承臺(tái)樁基等長(zhǎng)柱狀異常體反演形成“樁基與圍巖響應(yīng)區(qū)”，經(jīng)正、反演結(jié)果進(jìn)行比較，異常區(qū)域形態(tài)較為相似，由于樁基未完成澆筑，電磁波的繞射造成成果圖中的高吸收系數(shù)區(qū)域；

(2)其它區(qū)域電磁波吸收系數(shù)多在0.1～0.5 dB/m范圍，巖體相對(duì)較完整，未見(jiàn)明顯異常。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)工區(qū)地質(zhì)特性的分析，建立了正演模型，經(jīng)正、反演討論，基本能判斷該工區(qū)下部巖體完整性較好，巖溶發(fā)育較差。

(1)在地表以下0～5 m范圍內(nèi)，局部區(qū)域出現(xiàn)吸收系數(shù)較高現(xiàn)象，主要是受地形起伏、地面荷載、高壓電線(xiàn)以及施工場(chǎng)地對(duì)上部巖土清理時(shí)產(chǎn)生小范圍巖體破碎的影響，在成果圖中解釋為“表層效應(yīng)”異常。部分鉆孔孔壁附近巖體表現(xiàn)為高吸收系數(shù)，原因在于鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中造成的井壁破碎，形成“井壁效應(yīng)”。

(2)地表以下20 m范圍內(nèi)的巖體，多處可見(jiàn)吸收系數(shù)較高的異常區(qū)域，通過(guò)正、反演討論和分析發(fā)現(xiàn)，這些異常主要是樁基與圍巖的綜合響應(yīng)引起，并非巖溶造成。

(3)通過(guò)主承臺(tái)區(qū)域的電磁波CT檢測(cè)成果分析，樁基底部以下15～20 m巖體吸收系數(shù)在0.1～0.5 dB/m范圍內(nèi)，未見(jiàn)明顯不良地質(zhì)體(或巖溶)異常反應(yīng)，推測(cè)樁基底部以下15～20 m范圍內(nèi)巖體較完整。