綜合物探方法在鐵路路基巖溶勘察中的應(yīng)用

張 業(yè)

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

1 引 言

在鐵路線路經(jīng)過(guò)可溶性巖石區(qū)域時(shí)，會(huì)出現(xiàn)地下巖溶發(fā)育的地質(zhì)情況，地下溶洞發(fā)育，會(huì)形成地面塌陷、路基沉降等地質(zhì)災(zāi)害，給鐵路工程的施工和鐵路安全運(yùn)行帶來(lái)了巨大的安全隱患。因此在勘察時(shí)需要查明地下巖溶發(fā)育的特征和規(guī)律。

目前在對(duì)于巖溶區(qū)地質(zhì)勘察領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的是地質(zhì)鉆探。但是地質(zhì)鉆探布置孔位有限，鉆孔不能實(shí)現(xiàn)區(qū)域全覆蓋，同時(shí)鉆探只能夠探查出單一孔下豎直方向的巖溶發(fā)育情況，無(wú)法查明鉆孔周邊橫向發(fā)育溶洞，而且鉆孔成本也相對(duì)較高[1,2]。因此要選擇其他方法技術(shù)來(lái)進(jìn)行綜合勘探分析。

綜合物探方法是將兩種及以上的物探方法技術(shù)結(jié)合起來(lái)應(yīng)用，它能在高效率完成工作的同時(shí)保證工程質(zhì)量。綜合物探方法利用多種物探方法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使之成為應(yīng)用最廣泛的巖溶探測(cè)方法[3-7]。

本文介紹了高密度電法、跨孔電磁波 CT法和孔內(nèi)電視綜合物探方法在某鐵路線路基巖溶勘察中的應(yīng)用效果。

2 工程地質(zhì)概況和地球物理?xiàng)l件

工區(qū)沿線出露地層巖性較復(fù)雜，從新生界第四系到古生界震旦系地層均有出露，主要有新生界第四系、下第三系；中生界白堊系、侏羅系、二疊系、石炭系、志留系、奧陶系、寒武系、震旦系及燕山期侵入流紋斑巖、輝綠巖等。

該區(qū)可溶巖主要是侏羅系和寒武系灰?guī)r、白云巖。地表為素填土、雜填土、粉質(zhì)黏土等。該區(qū)灰?guī)r大部分被第四系覆蓋層覆蓋，因此該地區(qū)巖溶屬于“覆蓋型”巖溶，局部溶洞上下成串發(fā)育，部分巖溶呈漏斗狀發(fā)育。該地區(qū)雨水充足，發(fā)育的溶洞大部分被粉質(zhì)黏土、黏土、破碎巖屑等填充。同時(shí)地下水位較淺，未充填溶洞大部分含水，根據(jù)過(guò)往資料顯示，灰?guī)r、白云巖電阻率為400～2 500 Ω·m。覆蓋層及全風(fēng)化電阻率為10～200 Ω·m；破碎帶、溶洞內(nèi)含水導(dǎo)致電阻率明顯下降。

水的相對(duì)介電常數(shù)80，灰?guī)r的相對(duì)介電常數(shù)6～9，粉質(zhì)黏土的相對(duì)介電常數(shù)7～12，溶洞(黏土充填)的相對(duì)介電常數(shù)10～30，各介質(zhì)的電性差異較大，電磁波衰減性存在明顯差異。

3 綜合物探勘探方法

該地區(qū)地下巖溶主要發(fā)育有溶洞、溶槽、溶隙等，該區(qū)域地下水很發(fā)育，路基段地下水位很高，巖溶發(fā)育后一般會(huì)被水或者泥水混合物充填，因此地下巖溶的地球物理特性與周圍介質(zhì)會(huì)有很大的差異，具體表現(xiàn)為低電阻率、高彈性波衰減和高電磁波衰減等，因此可選用的物探方法包括高密度電法、瞬變電磁法、地震映像法、地質(zhì)雷達(dá)法、跨孔彈性波CT、跨孔電磁波CT等[8-10]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程地質(zhì)條件和工區(qū)地球物理特征性，最終采用地面物探方法和孔中物探方法結(jié)合，目的是對(duì)巖溶進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)。高密度電法的特點(diǎn)是一次探測(cè)的剖面可以很長(zhǎng)，數(shù)據(jù)采集量大，數(shù)據(jù)成果能較真實(shí)地反映地電斷面情況，可較準(zhǔn)確地圈定電性異常區(qū)域，但是該方法的分辨率不高，對(duì)尺寸較小的巖溶反映不太明顯。鉆孔電視成像技術(shù)可以直觀地描述鉆孔中孔壁附近區(qū)域的巖溶發(fā)育情況。分辨率較高，更加直觀，跨孔電磁波 CT 技術(shù)則能很好地反應(yīng)出鉆孔間的巖溶發(fā)育情況。因此最終確定使用高密度電法進(jìn)行地面大范圍探測(cè)，使用鉆孔電視技術(shù)和跨孔電磁波CT方法進(jìn)行孔內(nèi)和孔間探測(cè)。

3.1 高密度電法

高密度電阻率法是一種直流電阻率方法，它是基于不同巖土存在的電性差為工作條件。高密度電阻率法可以一次布設(shè)多道電極，通過(guò)電極向周圍介質(zhì)人工施加電場(chǎng)，再對(duì)不同位置的人工電場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)量，計(jì)算得到地下介質(zhì)的視電阻率，進(jìn)一步推斷出地下異常情況。故它實(shí)際上是一種陣列勘探方法，使用儀器可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集，還可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并給出關(guān)于地電斷面分布的各種圖示結(jié)果[11-15]。

3.2 跨孔電磁波CT

跨孔電磁波CT是使用高頻電磁波進(jìn)行探測(cè),當(dāng)電磁波穿過(guò)不同的地質(zhì)體時(shí)，由于不同地下介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收系數(shù)不同，導(dǎo)致電磁波穿過(guò)后衰減程度不同，從而導(dǎo)致接收到的電磁波場(chǎng)強(qiáng)值存在差異。跨孔電磁波 CT 技術(shù)就是利用電磁波在不同介質(zhì)中吸收系數(shù)的差異，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理，反演出吸收系數(shù)的分布，得到地下介質(zhì)的精細(xì)結(jié)構(gòu)圖像[16-18]。

3.3 孔內(nèi)電視

孔內(nèi)電視主要利用360°廣角攝像頭進(jìn)行孔內(nèi)攝像，再配合電子羅盤進(jìn)行方向定位，利用成像系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集和處理，對(duì)采集的圖像進(jìn)行一定的處理，可以形成全孔壁柱狀剖面圖像[19,20]。

4 巖溶探測(cè)效果分析

本文主要主要是對(duì)某鐵路線勘察設(shè)計(jì)階段DK123+002～DK123+700路基巖溶的探測(cè)效果進(jìn)行分析。

4.1 高密度電法應(yīng)用

在DK123+002～DK123+700段落線路左中線布置高密度物探測(cè)線一條。高密度電法勘探使用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WGMD-9型超級(jí)高密度電法儀，工作電極120根，每30道滾動(dòng)的方式，道間距為 5 m，觀測(cè)采用溫納裝置，觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)置的層數(shù)為30層。

從測(cè)得高密度電法測(cè)線剖面的視電阻率數(shù)值來(lái)看，表層介質(zhì)的視電阻率值相對(duì)較低，視電阻率值ρs為20～70 Ω·m，推斷為第四系覆蓋層或者強(qiáng)風(fēng)化基巖層。整個(gè)下部視電阻率相對(duì)較高，ρs為90～1 500 Ω·m，推測(cè)為基巖。視電阻率等值線形態(tài)顯示，推斷存在4處低阻異常區(qū)，C1～C4推測(cè)為巖體破碎區(qū)或者為巖溶區(qū)。C1位于DK123+547～DK123+644,C2位于DK123+284～DK123+342,C3位于DK123+252～DK123+235,C4位于DK123+123～DK123+135。

為驗(yàn)證高密度電法推斷的溶洞成果，C2異常區(qū)域處布置3個(gè)鉆孔。鉆孔情況見(jiàn)表1。鉆孔揭露的溶洞平距與深度基本一致(圖1)。

表1 高密度電法C2異常鉆孔DK123+284～DK123+342驗(yàn)證情況

圖1 高密度電法測(cè)線推測(cè)的巖溶發(fā)育區(qū)及鉆孔揭露的溶洞Fig.1 Karst development area inferred by high density electrical method and kast cave exposed by drilling

4.2 孔內(nèi)電視應(yīng)用

為進(jìn)一步探測(cè)鉆孔附近的巖溶發(fā)育情況，在DZZ-37鉆孔處，進(jìn)行了孔內(nèi)電視測(cè)試，鉆孔電視使用的是岳陽(yáng)奧成科技有限公司生產(chǎn)的HX-JD-01B|01C|02B智能鉆孔電視成像儀系統(tǒng)。鉆孔電視成像結(jié)果顯示深度10.9～14.9 m溶蝕發(fā)育明顯，可見(jiàn)粉質(zhì)黏土充填，深度15.4～16.6 m溶蝕發(fā)育明顯(圖2)。通過(guò)孔內(nèi)電視圖像與鉆孔巖芯資料對(duì)比，圖像顯示內(nèi)容與巖芯資料基本吻合，圖像能較好地反映巖層的巖性以及溶蝕發(fā)育情況等信息。

圖2 DZZ-37號(hào)孔孔內(nèi)電視成像結(jié)果Fig.2 Image result of borehole television in DZZ-37

4.3 跨孔電磁波CT

根據(jù)DZZ-35，DZZ-37，DZZ-39的溶洞情況，布置了DZZ35—DZZ37和DZZ37—DZZ39兩對(duì)跨孔電磁波CT 剖面，以推測(cè)3個(gè)鉆孔間溶洞的延伸情況?？缈纂姶挪?CT 使用的是HX-JDT-02B型井下電磁波透視儀，選擇5、8、11 MHz 3個(gè)頻點(diǎn)。

DZZ35—DZZ37和DZZ37—DZZ39兩個(gè)剖面的跨距為20 m，探測(cè)深度范圍為5～22 m，其將兩個(gè)剖面進(jìn)行聯(lián)合反演，電磁波CT成果圖見(jiàn)圖3。

圖3 DZZ-35- DZZ-37 -DZZ-39剖面電磁波CT成像結(jié)果Fig.3 Electromagnetic wave CT results of the DZZ-35- DZZ-37 -DZZ-39 profile

鉆孔DZZ-35與DZZ-37之間巖土的吸收系數(shù)在0.2～0.6 Nper/m之間。鉆孔DZZ-37與DZZ-39之間巖土的吸收系數(shù)在0.2～0.8 Nper/m之間。DZZ-35，DZZ-37，DZZ-39電磁波CT聯(lián)合反演成果如表2所示。

表2 電磁波CT成果分析

從反演成果中可以看出，剖面中基巖面起伏不大，埋深7～12 m。整個(gè)探測(cè)剖面中的溶蝕現(xiàn)象非常發(fā)育，在探測(cè)范圍內(nèi)存在大面積的蜂窩狀強(qiáng)溶蝕發(fā)育區(qū)，基本貫穿整個(gè)剖面，其間發(fā)育的溶洞形態(tài)各異。剖面中共圈定了7個(gè)溶洞異常區(qū)域。

對(duì)比圖3與表1中3個(gè)孔的鉆孔資料，可以判斷高視吸收異常區(qū)域應(yīng)為溶洞區(qū)(充填粉質(zhì)黏土，充水)，溶洞的頂板和底板起伏較大，且溶洞較大。測(cè)區(qū)的溶洞成群發(fā)育，具有聯(lián)通性，且異常反應(yīng)的溶洞與鉆孔揭示的溶洞情況基本一致。

5 結(jié) 語(yǔ)

1)鐵路巖溶勘探，首先采用高度密度電法進(jìn)行地面大范圍探測(cè)，推定出巖溶發(fā)育異常較大較明顯區(qū)域后，在推斷的巖溶發(fā)育異常區(qū)進(jìn)行地質(zhì)鉆探成果驗(yàn)證，然后采用孔內(nèi)電視方法和孔間電磁波CT方法精確探明地下巖溶深度、規(guī)模以及延伸發(fā)育情況。

2)物探方法具有多解性，單一的物探方法往往達(dá)不到很好的效果，綜合物探方法的應(yīng)用能很好地對(duì)巖溶地區(qū)由面到點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)多層次的深入探測(cè)，綜合各物探方法成果解釋，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，相互驗(yàn)證，提高解釋的精度，避免了單一物探方法成果的多解性。

3)應(yīng)用綜合物探方法基本查明了巖溶發(fā)育分布情況，經(jīng)過(guò)鉆孔驗(yàn)證，結(jié)果表明綜合應(yīng)用物探方法在鐵路巖溶勘察中具有廣泛的運(yùn)用前景，能為鐵路設(shè)計(jì)施工提供詳實(shí)的勘察資料。