綜合物探法在運營公路巖溶路基病害勘察中的應用

石 盼

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

近幾年來，隨著經濟建設的快速發(fā)展，為廣西公路建設帶來了新浪潮，越來越多高等級公路建成通車運營，大大便利了人們的出行。而同時，廣西是我國巖溶發(fā)育主要地區(qū)之一，巖溶遍布面廣，作為長距離線狀工程的公路建設無法避免穿越巖溶地區(qū)，巖溶地質病害對公路路基的穩(wěn)定性影響越來越大，巖溶塌陷和不均勻沉降對運營公路的運行安全造成了巨大的威脅。發(fā)生巖溶地質病害的公路路基，需進行針對性加固處治，而是否能準確探測隱伏巖溶地質情況，直接影響到巖溶地質病害處治方案是否科學合理、經濟有效。因此，選擇科學合理的勘察方法，準確查明巖溶地質情況，顯得尤為重要。

以往工程實踐證明，工程物探是巖溶勘察有效的重要手段。物探方法種類多，不同物探方法往往具有不同的應用條件及其優(yōu)缺點，且普遍存在多解性問題，對于施測環(huán)境復雜、探測精度要求高的運營公路巖溶病害勘察，應選用綜合物探方法相互印證，以規(guī)避或減小其多解性，提高探測精度與準確度。綜合物探并不是多種方法的簡單疊加，也不是方法越多越好，而是應該根據物探施工環(huán)境，針對不同的探測對象、探測目的以及各種物探方法的優(yōu)缺點進行合理地組合。本文在分析運營高速公路巖溶路基病害勘察特點與難點的基礎上，選用高密度電法、地質雷達、電磁波CT三種物探方法進行組合，取得了較好的探測效果，有效地查明了工區(qū)隱伏巖溶的發(fā)育規(guī)模、分布范圍和埋深等，為巖溶處治方案設計及施工提供了重要的地質資料。經分析認為，該綜合物探模式是科學有效的，可為類似建筑工程的物探勘察提供有意義的參考。

1 測區(qū)工程地質條件及巖溶地質病害概況

廣西某高速公路K194+240～K194+310段路基巖溶病害段屬剝蝕丘陵地貌，自然地面高程在84～130 m，相對高差約45 m。場地內覆蓋層為第四系人工堆積層(Qml)素填土及沖洪積層(Qal+pl)黏土，下伏基巖為泥盆系上統(tǒng)榴江組(D3l)中風化灰?guī)r。根據區(qū)域地質資料及鉆探揭示，勘察區(qū)未見區(qū)域性斷裂存在，亦未揭示構造破碎帶，區(qū)域穩(wěn)定性較好。于勘察區(qū)附近出露巖體測得巖層產狀為65°/NW∠20°。

該路基2017年年底建成通車，路基以半填半挖形式通過。左幅為挖方段，局部已入巖。右幅為填方段，第四系覆蓋層相對較厚。2019-06-10，發(fā)現K194+257～K194+272左側碎落臺處出現兩處溶洞塌陷。K194+260處塌陷坑長6.0 m，寬4.2 m，深3.8 m；K194+270處塌陷坑長5.0 m，寬3.5 m，深4.3 m。兩處溶洞內均無積水，施工單位采用C20混凝土回填溶洞。同時，右側路面K194+205～K194+235段及K194+265～K194+275段出現裂縫，裂縫長度分別為約30 m、10 m，裂縫延伸方向與路線方向平行，縫寬2～4 mm。施工單位已對裂縫進行簡單封水處理。

為查明該路段地層結構及隱伏巖溶發(fā)育情況，為巖溶病害處治方案設計與施工提供地質依據，特開展本次物探勘察工作。

2 運營公路物探勘察特點分析與方法選擇

本次物探工作場地位于運營高速公路上，物探施工限于在不中斷公路交通運輸的狀態(tài)下進行，宜采取分別封堵單一車道輪流作業(yè)的方式進行，因此地面物探適宜布置縱測線，而不宜橫跨公路布置；硬化路面接地條件差，不宜開展直流電法；地質雷達受公路電纜設施、護欄設施等電磁干擾影響大；地震類方法則受車輛頻繁通行振動干擾影響大；探測深度范圍大、探測精度要求高。由于路基為半挖半填型，巖面埋深起伏大，需同時探測淺部和深部巖溶，且精度要求高，需定量解釋溶洞形態(tài)及規(guī)模大小，才能滿足處治方案設計與施工要求。綜上所述，物探施測環(huán)境十分復雜，探測精度要求高，單一物探方法難以滿足探測需求。

針對以上勘察特點，結合常用物探方法應用條件、探測精度及優(yōu)缺點，本項目投入高密度電法、地質雷達、電磁波CT進行綜合探測。高密度電法在路基兩側路肩及中間隔離帶非硬化路面布置探測線，定量或半定量探測淺部及深部巖溶發(fā)育情況；地質雷達主要在硬化路面上并避開金屬護欄等干擾源進行路基內部結構破壞及淺部巖溶探測，并對溶洞作出定量或半定量解釋；完成高密度電法及地質雷達兩種地面物探后，根據探測結果布置鉆孔驗證，并組成CT孔對，進一步開展電磁波CT探測，與地面物探相互印證、補遺并了解橫跨公路的連續(xù)地質斷面，對溶洞作出定量或半定量解釋；綜合三種物探成果，并結合地質調繪與鉆探資料，作出最終地質解釋。見表1。

表1 選用物探方法比對表

2.1 高密度電法

本次高密度電法采用施倫貝爾排列裝置(α2排列)進行工作，其工作原理是：當A、B電極在供電時，M、N電極在測量電位差，經過供電電流、電位差和裝置系數的運算，得出每測點的視電阻率值。測量時，AM=MN=NB為一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到第一條剖面線；接著AM、NB增大一個電極間距，MN始終為一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形斷面的視電阻率等值線圖，如圖1所示。

圖1 高密度電法工作示意圖

2.2 地質雷達

地質雷達是利用地下介質中電性差異來探測地下目的體。其工作原理是由雷達主機控制地面天線向地下發(fā)射寬頻帶短脈沖電磁波，該高頻電磁波經地下地層或目的體反射后返回地面，被地面接收機接收，通過對接收的反射波的成像處理后，得到地下目的體信息圖像，經過對該圖像的分析解釋，得到推斷地質結果，如圖2所示。

圖2 地質雷達基本原理與工作示意圖

2.3 電磁波CT

在兩鉆孔中分別放入發(fā)射探頭和接收探頭，采用發(fā)射探頭定點發(fā)射，接收探頭逐點距提升(下降)接收電磁波信號(接收探頭接收一次算一個射線對)，接收探頭在有效接收范圍內接收完畢后，發(fā)射探頭移動一個點距，接收探頭再逐點距提升(下降)接收電磁波信號。本次接收點距為1.0 m，發(fā)射點距為1.0 m，通過逐一發(fā)射與接收，得到很多組射線對記錄，經過代數重建反演得到該剖面電磁波吸收系數等值線圖。該方法原理如圖3所示。

圖3 電磁波CT工作示意圖

3 物探工作布置及數據采集

物探工作布置總體原則已在第2節(jié)中闡述，各方法具體布置內容為：高密度電法主要在非硬化路面區(qū)域共布置4條測線，即在公路左側路肩布置B、C測線，在中央隔離帶布置G測線，在右側路肩布置K測線，測線長度為300～350 m；在硬化路面及無護欄路肩段以線距3～5 m共布置8條地質雷達測線，即C、D、E、F、G、H、I、J線，測線長度為150～200 m。根據高密度電法、地質雷達探測成果，布置8個驗證孔，并組成8對電磁波CT對進一步探測。各物探方法平面布置如后面圖7所示。

本次高密度電法采用重慶地質儀器廠生產的DUK-4型高密度電法儀，采用對稱四極裝置，電極距為5 m，電極數為70個，觀測層數29；地質雷達采用歐羅斯生產的OKO-3型地質雷達儀，選用天線頻率為50 MHz，采用連續(xù)測量方式，選800 ns時窗，512采樣點；本次電磁波CT采用湖南奧成科技有限公司生產的電磁波透射儀，采用定發(fā)模式觀測方式，發(fā)射及接收點距均為1.0 m。

4 資料處理與成果解釋

采用專業(yè)數據處理軟件，分別對三種物探數據進行預處理及后處理，高密度電法最終獲得各剖面實測電阻率斷面、電阻率反演斷面及測深類型曲線圖，地質雷達獲得時深轉換電磁波反射剖面圖，電磁波CT獲得電磁波吸收衰減系數層析成像圖。

本次高密度電法視電阻率值約在20～1 500 Ω·m，整體上表現為淺部低阻深部高阻，分別對應淺部覆蓋層和下伏基巖，在基巖中，局部表現為豎向相對低阻異常帶或低阻閉合圈，推斷為巖溶發(fā)育引起，巖溶形態(tài)包括溶洞、溶溝(槽)、溶蝕裂隙等，其中B、C線130～290段屬于挖方段，巖面埋深淺，整體電阻率相對高，局部出現低阻異常，推斷為巖溶發(fā)育，低阻異常具有淺部發(fā)育范圍小深部發(fā)育范圍擴大的特征，在兩個巖溶塌陷RD1、RD2對應位置并未發(fā)現規(guī)模大的異常，僅出現淺部的小范圍異常，與鉆孔ZK2、ZK3揭露巖溶情況基本吻合；G線位于填方區(qū)，電阻率整體相對偏低，橫向間隔出現低阻異常區(qū)，推斷為巖溶發(fā)育，K線位于高填方區(qū)，整體電阻率偏低，其中有兩處明顯低阻異常區(qū)，巖深大，推斷為巖溶強烈發(fā)育區(qū)，巖溶形態(tài)有溶溝、溶洞、溶蝕裂隙，兩低阻區(qū)間夾有“∧”型高阻體推斷為石牙發(fā)育，兩大低阻區(qū)分別與B、C、G線的低阻異常區(qū)連通形成兩個橫穿公路的強巖溶發(fā)育帶，亦為地下巖溶水的主要活動區(qū)域。圖4為典型高密度電法電阻率斷面及綜合推斷地質斷面圖。

圖4 K線高密度電法電阻率斷面及綜合推斷地質剖面圖

本次物探在C、D、E、F、G、H、I、J線開展了地質雷達探測，由于地質雷達穿透深度較小，主要探測出路基淺部內部破壞情況及左幅挖方路段淺埋巖溶發(fā)育情況，未能有效探測右幅深埋巖溶發(fā)育情況。總體上，地質雷達剖面未發(fā)現大規(guī)模的明顯異常，說明路基淺部無大的溶洞或土洞，局部小規(guī)模反射異常，推斷為巖溶發(fā)育，局部溶洞個體發(fā)育。圖5為典型地質雷達圖像及綜合推斷地質斷面圖。

圖5 D線地質雷達時間剖面及綜合推斷地質剖面圖

在完成高密度電法及地質雷達兩種地面物探工作后，根據探測成果，布置8個鉆孔進行驗證，在物探異常區(qū)的鉆孔均揭露有溶洞、溶蝕裂隙、溶溝發(fā)育，與物探推斷的巖溶發(fā)育區(qū)相吻合。在“隆起”的電阻率高阻區(qū)，ZK7鉆孔揭露巖面埋藏淺，未鉆遇溶洞，與物探推測的巖溶石牙相吻合?？梢姡孛嫖锾教綔y效果良好。

利用地面物探驗證孔進一步開展電磁波CT探測工作，從探測成果看，本次工作電磁波吸收系數多在0.1～0.6 Nper/m，根據測區(qū)內被測介質的地質條件結合鉆孔揭露情況，測區(qū)內完整灰?guī)r電磁波吸收系數多<0.3 Nper/m，巖溶發(fā)育帶(含溶洞、溶蝕裂隙、溶溝等)電磁波吸收系數多在0.25～0.6 Nper/m，其中溶洞電磁波吸收系數多在0.4～0.6 Nper/m。通過對比分析，電磁波CT探測的物性參數分布及異常范圍、形態(tài)與地面物探結果及鉆孔資料基本吻合，經綜合分析進行了物探解釋，繪制了各CT孔地質斷面圖。圖6為典型電磁波CT層析成像結果與綜合推斷地質斷面圖，受鉆孔塌孔影響，未能將探頭放至孔底，深部信息有所缺失。

圖6 ZK1-ZK6電磁波CT層析成像及綜合推斷地質剖面圖

根據綜合物探成果，結合地質調繪，鉆探資料，進行綜合地質解釋，繪制綜合探測平面圖(見后頁圖7)。

圖7 綜合探測平面圖

根據綜合探測成果，測區(qū)局部巖溶強烈發(fā)育，其中K194+185～K194+230段、K194+250～KZ94+272段分別發(fā)育有橫穿公路的巖溶強發(fā)育帶，為測區(qū)內主要的巖溶發(fā)育區(qū)，已發(fā)生的巖溶塌陷及路面開裂位置正是位于該兩處巖溶發(fā)育帶中。巖溶形態(tài)有溶蝕裂隙、溶溝、石牙、溶洞等，埋深在1.5～60 m，溶洞寬高多在1.0～6.0 m，多充填黏土，少數溶洞無充填，溶洞巖石頂板厚度多在0.4～18 m，部分溶洞巖石頂板的厚度與路基跨越溶洞長度之比<0.8，溶洞的頂板厚度不夠，不滿足《公路路基設計規(guī)范》要求。在自重、荷載作用下，加上地下水活動影響，上述兩路段容易發(fā)生巖溶頂板坍塌，使路基產生不均勻沉降，坍塌破壞。尤其是右幅填方路基，巖面起伏較大，巖面附近淺層巖溶強烈發(fā)育，對路基穩(wěn)定性十分不利，需進行處治。其他路段巖溶發(fā)育規(guī)模較小，對路基穩(wěn)定性影響不大，不需要做特殊處理。

5 結語

本文根據運營公路物探勘察特點，因地制宜地選擇了科學合理的綜合物探方法開展探測工作，總體探測效果良好，有效查明了測區(qū)巖面起伏及巖溶發(fā)育情況，圈定了巖溶處治重點區(qū)域，為巖溶地質病害處治方案設計與施工提供了科學的地質依據。實踐證明，高密度電法、地質雷達及電磁波CT組合模式適用于運營公路巖溶地質勘查，可為其他類似工程起參考與借鑒作用。

除電磁波CT外，具備條件時(一般要求有井液)，地震CT也可取得同樣的探測效果。此外，微動勘探法原則上可在運營公路巖溶勘查中取得效果，今后將在實際工程中進行實踐與探索。