綜合物探技術(shù)在徐州市城市軌道交通6號(hào)線巖溶勘察中的應(yīng)用

高國(guó)燦

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

研究區(qū)位于江蘇省徐州市，為城市鬧市區(qū)，交通條件便利。徐州市地形地貌為沖積平原地貌，總體上起伏不大，地形平坦。徐州地區(qū)位于中國(guó)東部新華夏系第二個(gè)隆起帶與秦嶺—昆侖緯向構(gòu)造的交匯部位，地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，主要構(gòu)造形跡為徐州弧形構(gòu)造、新華夏構(gòu)造和東西向構(gòu)造。區(qū)內(nèi)發(fā)育一系列NE-NNE向展布的復(fù)式褶皺及大致平行的逆斷層，并被NW-NWW向的斷裂切割。區(qū)內(nèi)NE向斷裂構(gòu)造較發(fā)育，但均非全新活動(dòng)斷裂。區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造主要有徐州復(fù)式背斜、三堡—七里溝復(fù)式向斜和賈汪復(fù)式向斜，且中間次褶構(gòu)造較為發(fā)育，軸向一般為NE向。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育非活動(dòng)性斷裂廢黃河斷裂（F1、F2、F3）和邵樓斷裂（F60），第四紀(jì)以來未見活動(dòng)跡象，區(qū)域地殼相對(duì)穩(wěn)定，且未發(fā)生過破壞性的歷史地震，屬地震地質(zhì)條件相對(duì)較好的工程場(chǎng)地。

該區(qū)第四系覆蓋層主要為人工填土、粉土和黏性土，下伏基巖為震旦系石灰?guī)r、白云巖及白堊系粉砂巖和礫巖。第四系覆蓋層厚度變化較大，約5～18 m，自西向東呈逐漸增厚趨勢(shì)。該段地表主要為1～2 m的雜填土（局部地段較厚），其結(jié)構(gòu)松散，成分復(fù)雜，物理力學(xué)性質(zhì)較差。人工填土層以下為第四系粉土和黏性土，粉土呈稍密-中密狀，黏性土以可塑為主，壓縮性中等，該組地層土質(zhì)結(jié)構(gòu)稍好，土質(zhì)相對(duì)均勻，物理力學(xué)性質(zhì)稍好。下伏震旦系張渠組石灰?guī)r為較硬巖，可研勘察成果顯示該組巖體呈中厚層狀構(gòu)造，裂隙稍發(fā)育，充填方解石脈，膠結(jié)良好，巖溶屬弱-中等發(fā)育。

1 工程概況及場(chǎng)地地球物理特性

徐州市城市軌道交通6號(hào)線一期工程為一條反“L”型軌道交通線路，全長(zhǎng)約22.912 km，全部為地下線?？辈?3標(biāo)段的范圍為商聚路西站（不含）—塘坊村站—惠民家園站—新城區(qū)客運(yùn)站—麗水路站，共4站4區(qū)間，線路全長(zhǎng)約5.14 km，均為地下線，本標(biāo)段下穿緯一河、人民河和緯四河等地表水體，下穿惠民花園小區(qū)、迎賓大道高架橋等重要建構(gòu)筑物。本研究所涉及的巖溶勘察范圍為塘坊村站，標(biāo)段編號(hào)AK21+960—AK22+260，全長(zhǎng)300 m。本標(biāo)段第四系覆蓋層主要為人工填土、粉土和黏性土，下伏基巖為震旦系張渠組白云巖，基巖和第四系覆蓋層的電性差異較大，覆蓋層的電阻率一般不超過100 Ω·m，基巖的電阻率一般在幾百至數(shù)千Ω·m。巖溶空洞與斷裂發(fā)育地帶的電阻率和介電常數(shù)都與圍巖有明顯的差異，這種電性差異是瞬變電磁法和地質(zhì)雷達(dá)法的基礎(chǔ)。研究區(qū)內(nèi)圍巖主要為白云巖，一般堅(jiān)硬、完整、強(qiáng)度高、電阻率高、對(duì)電磁波低吸收和彈性波速較高；當(dāng)巖體受裂隙、裂隙性小斷層、破碎帶、剪切帶、軟弱夾層和薄層及巖溶等破壞時(shí)，電阻率下降，對(duì)電磁波吸收增加，不同的介質(zhì)存在較為明顯的電磁吸收系數(shù)差異，這種電磁吸收系數(shù)差異的存在，為電磁波CT探測(cè)提供了較好的物性條件。

2 綜合物探技術(shù)及工作方法

2.1 物探技術(shù)方法選擇

綜合研究區(qū)地質(zhì)調(diào)查及鉆探資料，具備開展瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)和井間電磁波CT探測(cè)的地質(zhì)和物理基礎(chǔ)。根據(jù)鉆孔揭露情況，研究區(qū)內(nèi)巖溶屬覆蓋型巖溶，巖溶形態(tài)主要有溶洞、溶蝕裂隙等。為了進(jìn)一步查明巖溶發(fā)育的具體情況，本研究采用初勘瞬變電磁法+地質(zhì)雷達(dá)→詳勘電磁波CT測(cè)試相結(jié)合的漸進(jìn)式巖溶精細(xì)探測(cè)綜合物探方法體系，對(duì)區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育的類型和具體情況作出準(zhǔn)確判斷和精準(zhǔn)定位。

2.2 工作方法

2.2.1 瞬變電磁

本研究采用HPTEM-18高精度瞬變電磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)橫向分辨率高、可有效減少淺層（地下0～200 m）數(shù)據(jù)失真，保證數(shù)據(jù)精度要求和信號(hào)帶寬；傳感器采用超低噪聲放大器，降低了系統(tǒng)噪聲，整個(gè)信號(hào)通路采用全差分結(jié)構(gòu)，有效壓制外界干擾。其發(fā)射頻率為6.25Hz，疊加周期500，重復(fù)2次，測(cè)點(diǎn)間距5 m。然后采用5DEM數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在數(shù)據(jù)處理過程中，首先對(duì)野外數(shù)據(jù)進(jìn)行剔飛值、去噪、靜態(tài)校正及近場(chǎng)校正等處理，然后進(jìn)行一維及二維反演成像，處理流程。處理主要是剔除干擾。對(duì)于固定地物引起的異常，包括地面電線、金屬器械等，應(yīng)結(jié)合野外記錄，實(shí)地查證加以分析；對(duì)于來自天然電磁場(chǎng)和人工電場(chǎng)所引起的漏電及電磁波干擾，采取頻譜分析與手工圓滑相結(jié)合的方法加以排除。本研究中，除了上述干擾外，測(cè)線跨過道路區(qū)域，過往車輛對(duì)數(shù)據(jù)影響較大，需要對(duì)晚期數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波及人工對(duì)數(shù)據(jù)光滑，以滿足地質(zhì)分析解釋要求。

2.2.2 地質(zhì)雷達(dá)

本次使用了美國(guó)勞雷公司生產(chǎn)的SIR4000地質(zhì)雷達(dá)，SIR4000是一個(gè)輕便、便攜式地面透視雷達(dá)系統(tǒng)。根據(jù)勘察深度，選擇了100 M天線，探測(cè)深度在25～30 m。隨后采用RADAN7軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。首先，刪掉多余的數(shù)據(jù)，查看標(biāo)記；然后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)間零點(diǎn)、距離歸一、背景去噪、道間能量平均和垂直帶通濾波（時(shí)間域和頻率域）等處理；最后，獲得地質(zhì)雷達(dá)成果剖面。

2.2.3 井間電磁波CT

詳勘階段井間電磁波CT探測(cè)采用HX-JDT-02B型井下無線電透視儀系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集模式采用掃頻（4～12 MHz），工作模式為定發(fā)；接收范圍為發(fā)射點(diǎn)位對(duì)應(yīng)深度上下5 m，發(fā)射點(diǎn)距1.0 m，接收點(diǎn)距0.5 m。測(cè)試過程中每2個(gè)鉆孔為一組，測(cè)試范圍在地面以下10 m到結(jié)構(gòu)底板下5 m處。電磁波CT處理軟件采用的是奧成科技研發(fā)電磁波CT反演軟件V2.1，數(shù)據(jù)處理流程為：①讀取場(chǎng)強(qiáng)幅值，依據(jù)測(cè)量資料計(jì)算每條射線的激發(fā)和接收點(diǎn)坐標(biāo)。②根據(jù)地質(zhì)地球物理?xiàng)l件、觀測(cè)系統(tǒng)、成像精度、分辨率和任務(wù)要求選擇和建立數(shù)學(xué)物理模型。網(wǎng)格單元尺寸不應(yīng)小于測(cè)點(diǎn)間距，單元總數(shù)不宜大于射線條數(shù)；模型的初始值和約束條件可由已知地質(zhì)條件、經(jīng)驗(yàn)值和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)計(jì)算等方法得出。③反演算法采用聯(lián)合迭代法（SIRT），根據(jù)迭代次數(shù)選擇最穩(wěn)定的成像結(jié)果。④CT圖像采用色譜圖示法，圖像可等差分級(jí)，為了突出異常，也可變差分級(jí)。

3 綜合物探解譯成果及分析

3.1 物探解釋成果

3.1.1 瞬變電磁法解釋成果

本研究中塘坊村車站（AK21+960—AK22+260）初勘階段瞬變電磁法巖溶探測(cè)解譯成果如圖1所示?？煽闯觯?/p>

（1）塘坊村車站（AK21+960—AK22+260）左側(cè)（圖1（a）和圖1（b）），在地表深約0～3 m范圍表現(xiàn)為低阻，電阻率小于80 Ω·m，結(jié)合地質(zhì)及鉆探資料推斷為素填土；在深約3～18 m（高程14～30 m）電阻率小于300 Ω·m，推斷為粉土和黏土；隨著深度增加，電阻率增大，在深約30 m，里程范圍AK22+133—183這2側(cè)電性差異明顯，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷該里程范圍為F60（邵樓）斷裂，斷裂走向?yàn)镹E向，推斷斷裂左側(cè)（AK21+960—AK22+133）里程段為白云巖，在斷裂右側(cè)（AK22+183—260）段則為礫巖，在斷裂附近產(chǎn)生了明顯的異常，在AK22+090、AK22+135和AK22+160深約25～40 m，推斷為巖溶空洞。

（2）為塘坊村車站（AK21+960—AK22+260）右側(cè)（圖1（c）和圖1（d）），在地表深約0～3 m范圍表現(xiàn)為低阻，電阻率小于80 Ω·m，結(jié)合地質(zhì)及鉆探資料推斷為素填土；在深約3～18 m（高程14～30 m）電阻率小于300 Ω·m，推斷為粉土和黏土；隨著深度增加，電阻率增大，在深約30m，里程范圍在AK22+110—164這2側(cè)電性差異明顯，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷該里程范圍為F60（邵樓）斷裂，斷裂走向?yàn)镹E向。推斷斷裂左側(cè)（AK21+960—AK22+110）里程段為白云巖，在斷裂右側(cè)（AK22+164—260）段則為礫巖。在斷裂附近產(chǎn)生了明顯的異常，在AK21+090、AK21+140存在明顯的異常，推斷為巖溶。

圖1 塘坊村車站瞬變電磁解譯成果

3.1.2 地質(zhì)雷達(dá)解釋成果

對(duì)本標(biāo)段雷達(dá)資料進(jìn)行分析整理，可知，深約12～18 m存在明顯的反射剖面，結(jié)合地質(zhì)及鉆探資料，在深約0～2 m范圍內(nèi)主要為填土；在深約2～18 m范圍內(nèi)主要為第四紀(jì)覆蓋層，為黏土及粉土；在深約18 m以下為白云巖和礫巖。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)有效深度為20 m，在有效深度范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖溶發(fā)育。

3.1.3 井間電磁波CT法解釋成果

根據(jù)鉆孔資料可知，場(chǎng)地范圍內(nèi)存在部分巖溶，且大部分有填充物，為硬塑黏土，圍巖主要為白云巖和斷層角礫巖。溶洞內(nèi)外介質(zhì)存在較為明顯的電磁吸收系數(shù)差異。從塘坊村車站電磁波CT解譯成果可知，黏土層的下界面深度基本在15～22 m起伏變化，下伏基巖主要為白云巖、斷層角礫巖，在覆蓋層以下存在一層風(fēng)化嚴(yán)重的圍巖，該層圍巖較破碎；巖溶發(fā)育在邵樓斷裂附近，深度基本在25 m以下。通常溶洞為相對(duì)高吸收系數(shù)，本次物探工作共發(fā)現(xiàn)電磁波CT異常3處，具體異常見表1。這3處異常通過鉆探孔揭露，均為巖溶發(fā)育，可見電磁波CT探測(cè)成果與鉆探資料完全重合，說明井間電磁波CT技術(shù)在本次巖溶綜合勘察中取得很好的探測(cè)效果。

表1 井間電磁波CT異常分布空間位置信息統(tǒng)計(jì)表

3.2 綜合物探成果分析

在初勘中使用了地面物探方法對(duì)本段進(jìn)行探測(cè)，其中，瞬變電磁探測(cè)成果顯示本段存在邵樓斷裂（F60）位于AK22+110—AK22+183里程段落，斷裂附近巖體破碎，在斷裂中間和左側(cè)巖溶發(fā)育，深度在30 m左右；地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)有效深度在20 m，未發(fā)現(xiàn)巖溶發(fā)育異常點(diǎn)。在詳勘階段使用了電磁波CT方法，剖面深度均大于結(jié)構(gòu)地板下5 m，在20對(duì)剖面成果中共發(fā)現(xiàn)了3個(gè)巖溶，受鉆孔影響部分鉆孔的PVC管不能下至底部。在部分鉆孔Z10、Z11、Z12、Z35和Z37都存在巖溶發(fā)育情況，深度基本在25～40 m范圍，與初勘瞬變電磁結(jié)果對(duì)比較好。結(jié)合鉆探可判斷，場(chǎng)地范圍內(nèi)溶洞整體以充填型為主，充填物主要為黏性土、黏性土混灰?guī)r質(zhì)碎石，部分溶洞無充填。綜合判定，塘坊村站場(chǎng)地邵樓斷裂帶內(nèi)巖溶發(fā)育等級(jí)為強(qiáng)發(fā)育，邵樓斷裂（F60）西側(cè)震旦系巖溶發(fā)育等級(jí)為中等發(fā)育。

4 結(jié)論

本研究采用了一種用于城市軌道交通巖溶精細(xì)勘察的漸進(jìn)式綜合物探技術(shù)方法，將瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)和井間電磁波CT技術(shù)相結(jié)合，配合不同勘察階段（初勘和詳勘）進(jìn)行遞進(jìn)式綜合物理探測(cè)，以對(duì)研究區(qū)內(nèi)的巖溶發(fā)育作出準(zhǔn)確判斷和精準(zhǔn)定位。探測(cè)結(jié)果表明，塘坊村站里程AK22+110—AK22+183段為F60（邵樓）斷裂，斷裂走向?yàn)镹E向。在電磁波CT有效探測(cè)范圍內(nèi)，解譯成果與鉆探揭露的巖溶發(fā)育完全重合，說明井間電磁波CT技術(shù)在本次巖溶綜合勘察中取得很好的探測(cè)效果。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，電磁波CT探測(cè)成果與鉆探資料基本吻合，可為工程建設(shè)提供更可靠的基礎(chǔ)地質(zhì)資料和設(shè)計(jì)參數(shù)。

場(chǎng)地范圍內(nèi)溶洞整體以充填型為主，充填物主要為黏性土、黏性土混灰?guī)r質(zhì)碎石，部分溶洞無充填。綜合判定，塘坊村站場(chǎng)地邵樓斷裂帶內(nèi)巖溶發(fā)育等級(jí)為強(qiáng)發(fā)育，邵樓斷裂（F60）西側(cè)震旦系巖溶發(fā)育等級(jí)為中等發(fā)育。因基底以下發(fā)育巖溶和風(fēng)化巖，巖溶及風(fēng)化巖的不均勻性對(duì)基礎(chǔ)底板造成的不利影響?；滓韵掳l(fā)育溶洞，影響基底穩(wěn)定，建議采取處理措施。

本研究證明，根據(jù)不同的地質(zhì)條件合理選擇正確的物探方法，并與現(xiàn)有的地質(zhì)、鉆探資料進(jìn)行對(duì)比，可以快速、準(zhǔn)確地識(shí)別地下地球溶洞等不良地質(zhì)分布，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、省時(shí)和高精度的效果。