跨孔電磁波層析成像探測(cè)技術(shù)在橋梁主墩基礎(chǔ)巖溶勘察中的應(yīng)用

廖 順，馮坤偉，李法濱

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴陽(yáng) 550009)

在地質(zhì)勘察中，對(duì)地下地質(zhì)情況的探知受到各種因素的制約。鉆探只能單點(diǎn)探測(cè)，費(fèi)用較高，且周期較長(zhǎng)；其他地面物探手段，如電法、地震波法、地質(zhì)雷達(dá)等易受到地表各種因素的干擾[1-3]。而跨孔電磁波層析成像利用鉆孔深入地下進(jìn)行探測(cè)，可獲得豐富的信息，對(duì)地下地質(zhì)情況有較為直觀的展現(xiàn)。分析國(guó)內(nèi)外對(duì)跨孔電磁波層析成像探測(cè)技術(shù)的研究，主要通過(guò)分析電磁波在介質(zhì)中的傳播時(shí)間或衰減值推測(cè)地層中的巖溶發(fā)育情況。目前，此項(xiàng)技術(shù)已基本成熟，廣泛應(yīng)用于交通、水利、建筑及礦產(chǎn)等領(lǐng)域中，取得了良好的效果[4-6]。

1 工程背景

場(chǎng)區(qū)地處貴州高原中部，屬?zèng)_蝕、溶蝕河谷地貌，橋位處為“U”型河谷，主墩位置地形坡度較陡，覆蓋層厚度較薄，基巖局部裸露，呈單斜構(gòu)造。兩岸地層產(chǎn)狀穩(wěn)定，局部有撓曲現(xiàn)象，無(wú)斷層通過(guò)。橋位基巖為三疊系下統(tǒng)大冶組(T1d)石灰?guī)r夾泥巖，產(chǎn)狀295°∠11°。地下水的補(bǔ)給主要靠大氣降水，主要為第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水、鹽酸鹽巖巖溶水，其中，碳酸鹽巖巖溶水賦存在兩岸灰?guī)r中，呈帶狀分布，常受溶蝕裂隙發(fā)育程度及含水層厚度控制。水質(zhì)類型為鹽酸鹽鈣質(zhì)水，對(duì)巖體和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物具有微腐蝕性。

由于測(cè)區(qū)內(nèi)粘土、水、空洞等與石灰?guī)r的相對(duì)介電常數(shù)有較大差別，當(dāng)電磁波穿過(guò)地層時(shí)，其振幅及走時(shí)均會(huì)發(fā)生不同程度的變化，這為利用跨孔電磁波層析成像法對(duì)測(cè)區(qū)巖溶發(fā)育情況的探測(cè)提供了前提。

根據(jù)測(cè)區(qū)野外巖土體探測(cè)結(jié)果，其主要地球物理參數(shù)如表1所示。

表1 電磁波參數(shù)

2 工作原理、參數(shù)及判譯

2.1 工作原理

跨孔電磁波層析成像法的工作原理：選取2個(gè)鉆孔分別布置發(fā)射天線和接收天線，發(fā)射天線與接收天線預(yù)設(shè)采樣間距。一般情況下，發(fā)射天線的移動(dòng)間距在0.5 m～2.0 m之間；接收天線的采樣區(qū)域以發(fā)射天線所在高程為中心，俯仰角在45°～60°內(nèi)，采樣間距在0.1 m～1.0 m之間，采樣間距與分辨率成反比。完成儀器組裝及軟件設(shè)置等各項(xiàng)準(zhǔn)備工作后，將發(fā)射與接收天線分別放入孔內(nèi)預(yù)定位置，固定發(fā)射天線，將接收天線沿鉆孔向上提升，每隔一定間距采集一次電磁波脈沖信號(hào)，完成預(yù)定長(zhǎng)度后，將發(fā)射天線提至下一個(gè)測(cè)點(diǎn)，接收天線折返向下采集，如此往復(fù)，直至完成整個(gè)測(cè)區(qū)的掃描。通過(guò)2個(gè)天線的移動(dòng)，多次激發(fā)接收，可得到若干條射線，形成測(cè)網(wǎng)，如圖1所示。每條射線記錄了電磁波振幅和走時(shí)等信息，它反映了沿射線方向巖石的平均物性參數(shù)。之后，通過(guò)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，采用修飾共軛梯度法反演，即可得出測(cè)區(qū)內(nèi)電磁波波速與衰減系數(shù)成果圖。

圖1 鉆孔電磁波層析成像探測(cè)原理示意Fig.1 Schematic diagram of borehole electromagnetic wave tomography detection

在野外工作中，做好現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪并搜集詳細(xì)的地質(zhì)資料，詳細(xì)記錄現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。正式采集數(shù)據(jù)之前，須做好以下內(nèi)容：1) 測(cè)試儀器，確保儀器正常穩(wěn)定，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠；2) 排除現(xiàn)場(chǎng)干擾；3) 由于電磁波在不同巖性地層中的速度與衰減情況差異較大，故需要在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)挑選幾組不同間距的鉆孔進(jìn)行試驗(yàn)，探明場(chǎng)區(qū)內(nèi)電磁波的背景值，選擇合適的孔間距，在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的同時(shí)，盡可能地?cái)U(kuò)大探測(cè)范圍，提高工作效率。

2.2 工作參數(shù)

本次探測(cè)采用瑞典生產(chǎn)的RAMAC/GPR鉆孔雷達(dá)，設(shè)備使用MALAProEx系統(tǒng)，天線主頻100 MHz。主要參數(shù)設(shè)置如下：

采樣頻率：1 018 MHz。

采樣點(diǎn)：614。

頻率步長(zhǎng)：36 MHz。

時(shí)窗：602 ns。

發(fā)射點(diǎn)距：1 m。

接收點(diǎn)距：0.2 m。

發(fā)射天線與接收天線均以孔口位置為參考點(diǎn)，采用測(cè)距輪定位。測(cè)距輪較準(zhǔn)參數(shù)：497.3。

2.3 數(shù)據(jù)判譯

1) 數(shù)據(jù)處理

對(duì)野外采集的數(shù)據(jù)，通常采用以下7個(gè)步驟進(jìn)行處理：1) 讀入數(shù)據(jù)，使用Wintomo軟件讀入由RAMAC/GPR的GroundVision采集的數(shù)據(jù)；2) 建立坐標(biāo)系，以2個(gè)鉆孔在剖面上的相對(duì)關(guān)系建立二維坐標(biāo)系，一般以發(fā)射孔的孔口位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，發(fā)射孔為Z軸，指向接收孔的方向矢量為X軸；3) 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波，濾波范圍38 MHz～120 MHz；4) 讀取每道直達(dá)波的初至?xí)r間，刪除壞道；5) 設(shè)置網(wǎng)格單元尺寸，以定義反演范圍和用于反演及解釋的像元尺寸，它與分辨率成反比，本次設(shè)置的網(wǎng)格尺寸為2 m×2 m，插值網(wǎng)格為0.25 m×0.25 m；6) 數(shù)據(jù)反演，采用修飾共軛梯度法，同時(shí)需設(shè)置的參數(shù)有：阻尼因子，范圍在0.1 N/(m/s)～5 N/(m/s)之間，波速區(qū)間38 mm/ns～120 mm/ns，衰減值區(qū)間0.1 dB/m～50 dB/m；7) 成圖，通過(guò)以上步驟即可計(jì)算出成果圖，并以surfer軟件成等值線圖的形式展示[7-10]。

2) 圖像判譯

電磁波在巖層中傳播時(shí)，會(huì)受到地層巖性及巖體的風(fēng)化裂隙發(fā)育程度、含水量、溶洞、空氣等因素的影響，波速及衰減系數(shù)都會(huì)發(fā)生變化。在貴州境內(nèi)的碳酸鹽巖地層，巖溶含水量較高，或有粘土充填，電磁波經(jīng)過(guò)此區(qū)域一般會(huì)呈現(xiàn)低波速、高吸收現(xiàn)象。基于這一特征，結(jié)合地調(diào)、地勘資料等綜合分析，即可推斷出測(cè)區(qū)的巖溶發(fā)育情況[11-15]。

3 工程應(yīng)用

以貴州省貴安新區(qū)黔中大道市政主干道路上某特大橋的勘察為例，論述電磁波CT的應(yīng)用效果。該特大橋?yàn)檎鶚?，全長(zhǎng)868.08 m，上部結(jié)構(gòu)為：6×30 m簡(jiǎn)支變連續(xù)小箱梁+(100+180+100) m連續(xù)剛構(gòu)+10×30 m簡(jiǎn)支變連續(xù)小箱梁，下部構(gòu)造：橋臺(tái)采用U型臺(tái)接群樁基礎(chǔ)，主橋橋墩采用雙薄壁墩接群樁基礎(chǔ)，引橋橋墩及過(guò)度墩采用薄壁墩接群樁基礎(chǔ)。橋型示意及本文所用鉆孔如圖2所示。

圖2 橋型及鉆孔位置示意

本次探測(cè)區(qū)域位于橋梁左幅7#橋墩，經(jīng)鉆探揭示，地層中巖溶強(qiáng)發(fā)育。為查明巖溶的規(guī)模、走向及分布特征，特使用電磁波層析成像進(jìn)行詳細(xì)勘察。通過(guò)對(duì)多組鉆孔進(jìn)行比選，選擇QK97和QK115、QK113和QK99兩組鉆孔進(jìn)行跨孔電磁波層析成像，成果及地質(zhì)判譯如圖3、圖4所示。2組鉆孔的孔間距均為12.7 m。探測(cè)鉆孔與驗(yàn)證鉆孔的參數(shù)如表2所示。

表2 鉆孔參數(shù)

在QK97和QK115探測(cè)斷面中，通過(guò)綜合分析圖3中地層巖體的波速與衰減系數(shù)分布特征，對(duì)比鉆孔資料，發(fā)現(xiàn)3處異常區(qū)：1) 在QK97孔深-20.5 m～-37.2 m段，從QK97往QK115方向水平距離0.0 m～12.1 m區(qū)域電磁波呈高吸收、低波速現(xiàn)象，推測(cè)為半充填溶洞，洞內(nèi)充填水，底部存在少量碎石土。溶洞從QK115往QK97方向呈現(xiàn)從淺部向深部發(fā)育的趨勢(shì)，在QK97孔深-32.9 m～-37.2 m段與鉆孔QK97相交；2) QK97孔深-43.7 m～-46.5 m段，從QK97往QK115方向水平距離 5.0 m～9.7 m段；3) QK97孔深-50.0 m～-52.0 m段，從QK97往QK115方向水平距離2.7 m～5.3 m兩處區(qū)域電磁波呈高吸收、低波速現(xiàn)象，推測(cè)為溶蝕裂隙，可能存在溶洞。

在QK113和QK99探測(cè)斷面中，通過(guò)綜合分析圖4中地層巖體的波速與衰減系數(shù)分布特征，對(duì)比鉆孔資料，發(fā)現(xiàn)2處異常區(qū)：1) 在QK113孔深-26.3 m～-39.5 m段，從QK113往QK99方向水平距離3.2 m～12.7 m區(qū)域電磁波呈高吸收、低波速現(xiàn)象，推測(cè)為半充填溶洞，洞內(nèi)充填水，底部存在少量碎石土。溶洞從QK113往QK99方向呈現(xiàn)從淺部向深部發(fā)育的趨勢(shì)；2) QK113孔深-43.7 m～-46.9 m段，從QK113往QK99方向水平距離0.0 m～8.0 m區(qū)域電磁波呈高吸收、低波速現(xiàn)象，推測(cè)為溶蝕裂隙，可能存在溶洞。

(a) 波速 (b) 衰減系數(shù) (c) 地質(zhì)解譯

圖3 QK97和QK115跨孔電磁波層析成像成果及地質(zhì)解譯

Fig.3 Results of QK97 & QK115 cross-hole electromagnetic wave tomography and geological interpretation map

(a) 波速 (b) 衰減系數(shù) (c) 地質(zhì)解譯

圖4 QK113和QK99跨孔電磁波層析成像成果及地質(zhì)解譯

Fig.4 Results of QK113 & QK99 cross-hole electromagnetic wave tomography and geological interpretation map

根據(jù)層析成像成果，在2對(duì)跨孔電磁波層析成像剖面的交點(diǎn)位置布置了驗(yàn)證鉆孔QK106，鉆孔揭露顯示，在QK106孔深-24.5 m～-32.6 m區(qū)域發(fā)現(xiàn)溶洞，溶洞呈空洞狀態(tài)，底部充填0.7 m粘土?？咨?41.8 m～-43.6 m段巖芯呈碎塊狀，與QK97和QK115探測(cè)斷面中，QK97孔深-43.7 m～-46.5 m段，從QK97往QK113方向水平距離5.0 m～9.7 m及QK113孔深43.7 m～46.9 m段，從QK113往QK99方向水平距離0.0 m～8.0 m區(qū)域2處異常位置基本一致。

根據(jù)本次跨孔電磁波層析成像探測(cè)成果，結(jié)合鉆孔資料，測(cè)區(qū)范圍內(nèi)存在2處明顯的巖溶，從高程上分為上下2部分，淺部區(qū)域的巖溶表現(xiàn)為半充填溶洞，高程在1 222.5 m～1 203.0 m之間，在空間上展現(xiàn)為QK113、QK115方向高，QK97、QK99方向低的分布特征；深部區(qū)域的巖溶表現(xiàn)為溶蝕裂隙，高程在1 199.2 m～1 191.2 m之間，呈水平方向發(fā)育，與巖層產(chǎn)狀基本一致，故推斷為溶蝕裂隙，為地下水的運(yùn)移通道。

本次電磁波層析成像剖面圖中的異常區(qū)域與鉆孔QK97、QK106揭示的深度并不能完全吻合，分析原因主要有以下幾點(diǎn)：

1) 地下巖溶與圍巖之間的物性差異較小，無(wú)法分辨。

2) 電磁波行時(shí)間最短路線，與剖面方向可能不一致。

3) 存在分辨率不夠的問(wèn)題，可采用加密測(cè)點(diǎn)，增加測(cè)網(wǎng)密度或選用不同角度的鉆孔進(jìn)行多方位的探測(cè)。

4) 反演算法存在差異，不同的數(shù)據(jù)成像方法側(cè)重點(diǎn)不同，效果差異較大。

4 結(jié)束語(yǔ)

1) 地質(zhì)勘察應(yīng)結(jié)合地調(diào)、測(cè)繪、物探及鉆孔等多種手段綜合進(jìn)行。在工程實(shí)踐中，先采用地調(diào)、測(cè)繪及物探等方法查明場(chǎng)區(qū)的巖土界面及巖溶的規(guī)模及發(fā)育規(guī)律，后采用鉆探詳細(xì)查明巖溶的位置及分布情況，對(duì)如特大橋一類特殊結(jié)構(gòu)工程的地基基礎(chǔ)，此時(shí)可采用鉆探加孔內(nèi)物探的組合方式，精確定位巖溶的空間分布情況。

2) 電磁波層析成像探測(cè)適宜的前提是目標(biāo)體與圍巖之間要有明顯的速度與吸收系數(shù)差異，才能明顯分辨界線。相比于完整灰?guī)r區(qū)，電磁波在巖溶區(qū)的速度明顯降低，吸收系數(shù)顯著增高，這是由于巖溶區(qū)內(nèi)存在水和充填物，電磁波在基巖與水、充填物中的速度與吸收系數(shù)差異較大，因此，該法適用于探測(cè)巖溶分布。

3) 波速與衰減系數(shù)作為電磁波在介質(zhì)中傳播的2種特性，所測(cè)數(shù)據(jù)是相對(duì)值，不同工區(qū)要結(jié)合實(shí)際情況具體分析，才能得到真實(shí)可靠的信息。

4) 鉆孔間距也是影響電磁波層析成像探測(cè)精度的重要因素，不同巖性的地層，電磁波透射能力不同，因此，要想獲取理想的數(shù)據(jù)，孔間距的選擇非常重要。

本次實(shí)踐成果表明，該方法在復(fù)雜條件下的地質(zhì)勘察中，能夠彌補(bǔ)鉆探探測(cè)范圍狹小、耗時(shí)長(zhǎng)、成本高等諸多局限，且能指引鉆孔的布置，對(duì)局部地區(qū)巖溶的分布情況能較為直觀地展示，既節(jié)約了成本，又提高了效率。