綜合物探技術(shù)在空鐵巖溶探測中的應(yīng)用

章飛亮,田占峰

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 勘察院，天津 300308)

1 引 言

地質(zhì)災(zāi)害是指由于自然的、人為的或綜合的地質(zhì)作用，使地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生突發(fā)的或漸進(jìn)的破壞，并對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)造成危害的地質(zhì)現(xiàn)象或事件。近幾年，全國各地地質(zhì)災(zāi)害(山體崩塌、滑坡、泥石流、地質(zhì)塌陷、地裂縫、地面沉降等)頻發(fā)，給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成了較大損失。地質(zhì)災(zāi)害的形成、發(fā)展都會(huì)引起地球物理場的變化，因此，加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)過程中的物探技術(shù)研究是非常必要的[1-3]。

物探技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、無損、高密度以及高效等優(yōu)勢，通過物探方法能夠?qū)Φ刭|(zhì)災(zāi)害進(jìn)行較詳細(xì)的調(diào)查，查明災(zāi)害體的大小和空間分布情況，為后期的災(zāi)害治理處置提供一定的依據(jù)[4-7]。當(dāng)前有很多物探方法可以用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中，不同的物探方法依據(jù)不同的理論原理，不過使用單一的物探方法對(duì)地下不良地質(zhì)體進(jìn)行探測，由于地下地質(zhì)的復(fù)雜性，往往會(huì)造成結(jié)果的不唯一性，因此，使用兩種或者兩種以上物探方法對(duì)同一地質(zhì)體進(jìn)行探測，能夠使得物探多解性相對(duì)減少，獲得較好的結(jié)果。本文以湖北省恩施市青云崖空鐵地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)項(xiàng)目為例，主要討論高精度瞬變電磁法、跨孔電磁波CT法和孔內(nèi)三維激光掃描3種物探技術(shù)在該項(xiàng)目地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中探測隱伏巖溶的應(yīng)用效果。

2 工程概況及地球物理特征

2.1 工程概況

恩施青云崖空鐵項(xiàng)目位于湖北省恩施市，是青云崖旅游度假區(qū)神掌峰公園至鷹嘴巖公園兩點(diǎn)間旅客交流的交通項(xiàng)目，承擔(dān)度假區(qū)內(nèi)部不同功能區(qū)間特色交通功能以及觀光功能。線路正線長度約為2.5 km，全部為高架工程，設(shè)車站3座，其中高架站2座，地面站1座。軌道梁及橋墩采用鋼結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為混凝土結(jié)構(gòu)。

從地質(zhì)條件看，該項(xiàng)目處于恩施斷陷盆地東側(cè)，中高山巖溶地貌，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較簡單，地貌類型單一。不良地質(zhì)較發(fā)育，主要有巖溶、危巖落石，存在隱伏斷裂的可能性也較大。

圖1 工區(qū)地理位置Fig.1 Geographic map of work area

前期普查階段做了大量的地面高精度瞬變電磁工作，地質(zhì)專業(yè)人員根據(jù)前期物探解譯的異常和地質(zhì)調(diào)查情況布置鉆孔驗(yàn)證，其中一個(gè)鉆孔(編號(hào)：ZK21)揭露有40.5 m的大溶腔，本次主要針對(duì)此溶腔采用了跨孔電磁波CT法，輔助以孔內(nèi)三維激光掃描對(duì)其探測并查明該溶洞大小及空間分布情況，為地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與治理提供依據(jù)。

2.2 地球物理特征及物探方法選擇

2.2.1 地球物理特征

根據(jù)收集工區(qū)地質(zhì)資料、以往物探工作情況及巖性分析，測區(qū)內(nèi)的主要地層有：第四系覆蓋層，包括素填土、黏土、卵石土等，基巖為石灰?guī)r。本場地內(nèi)，巖溶較發(fā)育，且無規(guī)律性。綜合以往巖土參數(shù)資料及本次工作測試情況，場地內(nèi)巖土的物理特性見表1。

表1 工區(qū)不同巖性物性參數(shù)

上述各巖土物性參數(shù)間存在差異，特別是溶洞中充填水或充填黏土均存在較大的差異，因此場地具備開展相應(yīng)物探方法的地球物理?xiàng)l件。

2.2.2 物探方法選擇

由于工區(qū)地貌為山區(qū)地貌，地形起伏大，且存在陡崖，普查階段選擇了地面高精度瞬變電磁法，此方法相對(duì)高密度電法來說，具有儀器使用輕便、不受接地條件影響、探測深度大、分辨率高等優(yōu)勢；詳查階段主要采用跨孔CT，由于鉆孔中沒有水，于是選擇了跨孔電磁波CT法開展工作；采用孔內(nèi)三維激光掃描直接測量大溶腔的大小和空間展布情況和分析該溶洞頂板的穩(wěn)定性，有助于查明靠近崖壁側(cè)巖溶發(fā)育情況，從而為后期錨固工程錨索錨固段的可實(shí)施性提供依據(jù)。

3 物探方法簡介

3.1 高精度瞬變電磁法

高精度瞬變電磁法基于等值反磁通技術(shù)原理[8]。等值反磁通技術(shù)采用上下平行共軸的兩組相同線圈為發(fā)射源，且在該雙線圈源合成的一次場零磁通平面上，測量對(duì)地中心耦合的純二次場，裝置示意見圖2[9]。雙線圈在地面發(fā)射瞬態(tài)脈沖電流產(chǎn)生激發(fā)電磁場，在該電磁場的激發(fā)下，地下導(dǎo)體地質(zhì)體受感應(yīng)而產(chǎn)生渦旋電流，在一次脈沖電磁場的間隙期間，渦流電流產(chǎn)生的二次場不會(huì)馬上消失，采用線圈或電極觀測二次場，通過研究二次場衰減的時(shí)間變化規(guī)律，可發(fā)現(xiàn)地下異常地質(zhì)體的存在，從而確定地下導(dǎo)體的電性結(jié)構(gòu)和空間分布形態(tài)。

圖2 等值反磁通瞬變電磁裝置示意圖Fig.2 Diagram of equivalent reverse magnetic flux transient electromagnetic device

數(shù)據(jù)采集使用HPTEM-18 型高精度瞬變電磁系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)的單圈源瞬變電磁法，等值反磁通瞬變電磁法的接收線圈處于一次場零磁通平面上，當(dāng)發(fā)射關(guān)斷時(shí)，接收面的一次場磁通不變，不會(huì)產(chǎn)生一次感應(yīng)電動(dòng)勢，可免受一次場干擾，接收到純二次場信號(hào)。采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)垂直發(fā)射磁源、高靈敏磁感應(yīng)接收傳感器以及高密度測量等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了淺層高精度瞬變電磁勘探[10-13]。

3.2 跨孔電磁波CT 法

跨孔電磁波CT法是利用無線電波在兩個(gè)鉆孔中分別發(fā)射和接收，根據(jù)不同位置上接收的場強(qiáng)的大小，來確定地下不同介質(zhì)分布的一種地下地球物理勘查方法，也稱井中無線電波透視法(圖3)。

當(dāng)電磁波通過不同的地下介質(zhì)(如各種不同的巖石、礦體及采空區(qū)、溶洞、破碎帶等)傳播時(shí)，由于不同介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收(β)存在差異，如采空區(qū)、溶洞、破碎帶等的吸收系數(shù)(βs)比其圍巖的吸收系數(shù)(βo)要大得多，因此在采空區(qū)、溶洞、破碎帶的背后的場強(qiáng)也就小得多，從而呈現(xiàn)負(fù)異常，于是利用這一差異推斷目標(biāo)地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)和形狀[14-18]。

本次勘察采用的儀器是國土資源部物化探研究所研制和生產(chǎn)的JW-6型地下電磁波儀，工作頻率為掃頻方式，功率為10 W，頻率范圍0.5～32 MHz。依據(jù)工區(qū)的地質(zhì)情況和頻率的選擇原則，本次觀測系統(tǒng)(工作原理見圖3)選用8、16、24、32 MHz 四個(gè)頻點(diǎn)，定點(diǎn)發(fā)射，發(fā)射點(diǎn)距1 m，觀測點(diǎn)距1 m,采集數(shù)據(jù)有異常的地方進(jìn)行重復(fù)觀測。本次資料處理主要選用24 MHz和32 MHz頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理軟件選用與儀器配套的反演軟件。

圖3 跨孔電磁波CT工作原理示意圖Fig.3 Diagram of working principle of cross-hole electromagnetic wave CT

3.3 孔內(nèi)三維激光掃描

三維激光掃描測距的技術(shù)方法可測量和探測地下空間和采空區(qū)等洞穴空間體積。JL-CALS(A)洞穴三維激光掃描探測儀能作球形360°掃描，覆蓋整個(gè)空穴，最大掃描距離達(dá)200 m。儀器探頭直徑僅為50 mm，可沿鉆孔深入到難以接近的空穴、地下空間以及空腔內(nèi)。內(nèi)置的鉆探攝像頭上裝有紅外LED燈，便于清楚地看到鉆孔內(nèi)部以及測量過程中遇到的各種障礙物。一旦進(jìn)入空穴，激光頭便能向外打開，開始掃描空穴的三維形態(tài)及其表面反射率，可安全、快速、精確地實(shí)現(xiàn)空穴和空腔掃描[19-21]。

本次測試工作采用武漢長盛工程檢測技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的JL-CALS(A)洞穴三維激光掃描探測儀，該設(shè)備的技術(shù)參數(shù)和性能滿足有關(guān)規(guī)范的要求，可為本次勘察提供準(zhǔn)確的野外數(shù)據(jù)。工作期間，儀器性能穩(wěn)定，工作正常。

4 物探外業(yè)

前期普查階段有一條瞬變電磁法測線在ZK21鉆孔附近布置，根據(jù)現(xiàn)場鉆探情況，ZK21鉆孔地面高程為1 297.6 m，該孔地層情況如下：0～2.5 m為粉質(zhì)黏土，2.5～21.3 m、25.2～30.3 m、33.3～34.5 m為中風(fēng)化石灰?guī)r(存在溶蝕現(xiàn)象)，21.3～25.2 m、30.3～33.3 m、34.5～75 m為溶洞(未充填)。對(duì)于在34.5～75 m揭露的這個(gè)40.5 m的大溶腔，首先采用JL-CALS(A)洞穴三維激光掃描探測儀對(duì)該溶腔進(jìn)行孔內(nèi)三維掃描探測；其次，采用跨孔電磁波CT法以相鄰鉆孔之間布設(shè)探測剖面，主要以ZK21鉆孔為中心，且保證CT鉆孔孔間距不超過30 m。具體布設(shè)情況如圖4所示。

圖4 物探測線布置示意圖Fig.4 Geophysical prospecting line layout

5 綜合成果解釋

5.1 高精度瞬變電磁法

該段高精度瞬變電磁測線長度70 m。從視電阻率剖面來看，并結(jié)合本區(qū)域巖溶發(fā)育特征，對(duì)明顯的低阻閉合區(qū)推斷解釋為溶洞，共1處，標(biāo)識(shí)為RD-01，其對(duì)應(yīng)的發(fā)育位置中心剖面距離為+28.3 m,異常頂板埋深55 m，底板埋深為65 m,寬度為10 m。對(duì)相對(duì)明顯的低阻閉合區(qū)、半閉合區(qū)及下凹異常區(qū)推斷解釋為溶蝕發(fā)育區(qū)，共3處，按剖面距離由小到大依次標(biāo)識(shí)為YR-01～YR-03，其對(duì)應(yīng)的發(fā)育位置中心剖面距離分別為+18.4 m、+51.2 m、+58.6 m。

5.2 跨孔電磁波CT法

巖溶較發(fā)育區(qū)對(duì)電磁波的吸收較強(qiáng)，所以測得的場強(qiáng)值較弱，在反演成果剖面上表現(xiàn)為相對(duì)較高吸收系數(shù)值。根據(jù)成果剖面上吸收系數(shù)的分布來判定地下結(jié)構(gòu)分布情況。

圖5 TMP-L-26測線高精度瞬變電磁視電阻率剖面Fig.5 High-precision transient electromagnetic apparent resistivity profile of TMP-L-26 line

圖6 ZK21～ZK04電磁波CT層析成像Fig.6 Geophysical anomaly interpretation profile(ZK21～ZK04)

圖7 ZK21～ZK05電磁波CT層析成像Fig.7 Geophysical anomaly interpretation profile(ZK21～ZK05)

圖8 ZK21～ZK20電磁波CT層析成像Fig.8 Geophysical anomaly interpretation profile(ZK21～ZK20)

圖9 ZK21～ZK23電磁波CT層析成像Fig.9 Geophysical anomaly interpretation profile(ZK21～ZK23)

從ZK21鉆孔與周圍其他四個(gè)鉆孔跨孔電磁CT成果剖面圖可知，各個(gè)探測剖面中的巖溶現(xiàn)象極為發(fā)育，共計(jì)推斷有14個(gè)巖溶異常區(qū)，溶洞成群分布，可能存在連通；推斷的YRS-01、YRS-02、YRS-04、YRS-05、YRS-09、YRS-12、YRS-13異常和ZK21鉆孔揭露的溶洞有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

根據(jù)采集的4對(duì)電磁波CT測量數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)的編排和網(wǎng)格化插值處理，應(yīng)用Voxler進(jìn)行三維成圖，生成體積VolRender圖(圖10)。

圖10 測區(qū)β=4.5 dB/m的空間等值面分布Fig.10 Survey area β=4.5 db/m spatial contour distribution

從吸收系數(shù)等于4.5 dB/m等值面的空間分布圖(圖10)也可以看出，測區(qū)的溶腔成條狀發(fā)育，走向大致為東南方向，從三維圖中可以看出其具有聯(lián)通性。且推斷解釋的溶洞與鉆孔揭示的溶洞基本一致。

5.3 孔內(nèi)三維激光掃描

根據(jù)ZK21號(hào)鉆孔揭露情況，在34.5～75 m深度范圍(1 222.6～1 263.1 m高程范圍)內(nèi)揭露有一個(gè)大溶腔。采用孔內(nèi)三維激光掃描技術(shù)探測空洞的體積約為376.4 m3?？斩葱螒B(tài)如裂隙長條狀，走向大致為東南60°。空洞的X(東方向)長度約為16.2 m，Y(北方向)寬度約為8.5 m,Z(垂直方向)高度約為36.5 m。根據(jù)鉆探情況，ZK21號(hào)鉆孔以下21 m開始出現(xiàn)空洞，后因底部有淤泥等原因，存在遮擋情況，探頭不能掃到真正的空洞底端，實(shí)際空洞體積大于376.4 m3。以下為通過孔內(nèi)激光掃描探測到三維空洞的不同角度的二維展示圖。

圖11 ZK21號(hào)鉆孔孔內(nèi)溶洞模型主視圖Fig.11 Front view of karst cave model in borehole ZK21

圖12 ZK21號(hào)鉆孔孔內(nèi)溶洞模型俯視圖Fig.12 Top view of karst cave model in borehole ZK21

圖13 ZK21號(hào)鉆孔下方探頭攝像Fig.13 Camera image of probe in borehole ZK21

結(jié)合TMP-L-26測線高精度瞬變電磁法成果、ZK21鉆孔與周圍四個(gè)鉆孔(ZK04、ZK05、ZK20、ZK23)的跨孔電磁波CT法成果資料，鉆孔揭露的該空洞位置在跨孔電磁波CT成果圖上均有異常反映，在ZK21～ZK05跨孔電磁法CT剖面中推斷RDS-07溶洞異常與高精度瞬變電磁推斷的RD-01溶洞位置大小基本一致；跨孔電磁波CT推斷的巖溶發(fā)育走向與孔內(nèi)三維激光掃描出來的巖溶發(fā)育走向基本吻合，溶洞有往底部延伸的趨勢，兩孔間探測的最大溶洞寬度大約為20 m，比實(shí)際的孔內(nèi)三維激光橫向?qū)挾却螅茢嗳芏吹膶?shí)際發(fā)育體積大于孔內(nèi)三維激光掃描的體積。

6 結(jié) 論

1)對(duì)多對(duì)跨孔電磁波CT采用三維成圖處理，更能直觀地刻畫巖溶的三維空間展布形態(tài)；孔內(nèi)激光三維掃描技術(shù)可以直接測量空腔形態(tài)、體積，準(zhǔn)確提供溶洞的三維形態(tài)與規(guī)模。

2)通過高精度瞬變電磁法地表普查、跨孔電磁波CT孔間詳查到孔內(nèi)激光三維掃描技術(shù)直接測量，逐步縮小異常靶區(qū),最終精細(xì)查明溶洞的發(fā)育、規(guī)模等賦存狀態(tài)，能夠滿足不同勘察階段的需求，為地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供直接可靠的物探依據(jù)。

3)根據(jù)工程的地質(zhì)、地球物理特征，因地制宜，分步施策，選擇最優(yōu)的物探方法組合，緊密結(jié)合驗(yàn)證鉆探驗(yàn)證、地質(zhì)調(diào)查等資料，可以有效查明可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的巖溶不良地質(zhì)體的發(fā)育狀態(tài)及其影響范圍，為地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、工程防治設(shè)計(jì)及施工提供科學(xué)的依據(jù)。