物探綜合方法在巖溶區(qū)巖土工程勘察和施工中的應(yīng)用

王 龍，萬曉鋒，韓 鵬

（1.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心陜西總隊，陜西西安 710003；2.西安建材地質(zhì)工程勘察院有限公司，陜西西安 710003）

1 概述

巖溶是公路工程建設(shè)中常見的不良地質(zhì)體之一，特別是對橋梁區(qū)樁基穩(wěn)定性有潛在的影響，給公路工程建設(shè)造成重大的安全隱患[1]。

目前地質(zhì)鉆探在巖溶區(qū)地質(zhì)勘察中應(yīng)用最廣泛。但是鉆探手段的局限性導(dǎo)致其難以探明巖溶發(fā)育的規(guī)模、形態(tài)和分布規(guī)律。而且鉆孔位置有限，不能對勘察區(qū)域全覆蓋鉆探，同時鉆探只能夠探查出鉆孔位置下垂直方向的巖溶發(fā)育情況，對鉆孔周邊溶洞的橫向發(fā)育情況一無所知，鉆孔成本也相對較高[2-3]。因此巖溶區(qū)的地質(zhì)勘察要選擇其他經(jīng)濟、合理的勘察方法及技術(shù)手段并結(jié)合鉆探進行綜合勘察分析。

2 地球物理特征

巖溶的發(fā)育的區(qū)域通常存在一定程度的地質(zhì)構(gòu)造或地層變化，采用地球物理方法，研究巖溶塌陷的電性或彈性特征，可以對巖溶區(qū)塌陷進行有效的探測[4]。

本文研究的巖溶區(qū)域出露的地層主要有第四系覆蓋層和泥盆系中統(tǒng)泥質(zhì)灰?guī)r。該區(qū)域泥質(zhì)灰?guī)r大部分被第四系覆蓋，溶洞大多呈“串珠狀”發(fā)育，局部呈“漏斗狀”發(fā)育。該地區(qū)一年中4～8月份降雨頻繁，地下水位較淺。溶洞大部分被粘性土、破碎巖屑等填充，未充填溶洞大部分含水，根據(jù)既有資料顯示，該區(qū)域泥質(zhì)灰?guī)r電阻率為100～6000Ω·m。覆蓋層及全風(fēng)化電阻率為10～100Ω·m；破碎帶、溶洞內(nèi)含水導(dǎo)致電阻率明顯下降。

水的介電常數(shù)81，泥質(zhì)灰?guī)r的相對介電常數(shù)6～9，粉質(zhì)粘土的相對介電常數(shù)8～15，溶洞（有物質(zhì)充填）的相對介電常數(shù)20～30。由于各介質(zhì)的電性差異較大，電磁波衰減性存在明顯差異。

3 地球物理方法

該橋梁段的地下巖溶主要有溶洞、溶隙等，并且地下水位很高，發(fā)育的溶洞一般會被水或者粘性土充填，其地球物理特征主要表現(xiàn)為高彈性波衰減、高電磁波衰減和低電阻率等，從而與周圍介質(zhì)會產(chǎn)生很大的差異。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、樁底溶洞探測法、跨孔電磁波CT等[5-7]。

根據(jù)現(xiàn)場的工程地質(zhì)條件和地球物理特征，在勘察階段使用高密度電法進行地面大范圍探測，再結(jié)合跨孔電磁波CT方法進行鉆孔間探測，在施工階段用樁底溶洞聲吶探測法來指導(dǎo)樁基終孔，確保樁基持力層厚度滿足設(shè)計要求。

3.1 高密度電法

高密度電阻率法是一種在方法技術(shù)上有較大進步的電阻率法。就其原理而言，它與常規(guī)電阻率法完全相同。但由于它采用了多電極高密度一次布極并實現(xiàn)了跑極和數(shù)據(jù)采集的自動化，可進行資料的現(xiàn)場實時處理與成圖解釋[9]。由于電極的布設(shè)是一次完成的，測量過程中無需跑極，因此可防止因電極移動而引起的故障和干擾，數(shù)據(jù)成果能較真實地反映地層情況，可較準確地圈定電性異常區(qū)域。但使用該方法也有一定的不足，例如地層的分辨率不高，對尺寸較小的溶洞容易遺漏。

3.2 跨孔電磁波CT

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)的精細結(jié)構(gòu)圖像[10-11]。由于巖溶對電磁波吸收與圍巖存在差異，可以比較直觀地顯示出鉆孔間溶洞的分布形態(tài)和延伸情況，并準確分析溶洞的發(fā)育程度和空間分布，以此來彌補地面物探及工程地質(zhì)鉆探的不足，很好地反映出鉆孔間的巖溶發(fā)育情況。

3.3 樁底溶洞聲吶探測法

聲吶狹義上是指利用水下聲波判斷物體的存在、位置及類型的方法和設(shè)備，廣義上是指凡是利用水下聲波作為傳播媒體，以達到某種目的的設(shè)備和方法都稱之為聲吶。

樁底溶洞聲吶探測法是在鉆孔灌注樁樁底，利用在泥漿及水環(huán)境中激發(fā)的聲吶應(yīng)力波，遇到樁基底部一定范圍內(nèi)的溶洞、溶蝕裂隙、軟弱夾層等不良地質(zhì)體時，會產(chǎn)生反射回波，接收樁底溶洞反射回來的聲吶應(yīng)力波就可以分析樁底的不良地質(zhì)情況。

4 巖溶探測效果分析

本文主要是對位于廣西桂林某高速公路K2+060～K2+300 段橋梁樁基持力層進行巖溶探測效果分析。

4.1 高密度電法應(yīng)用

在K1+945～K2+415 段落沿線路右邊線布置高密度測線一條。本次高密度電法使用的是重慶地質(zhì)儀器廠研發(fā)的DUK-2A 型高密度電法測量系統(tǒng)，根據(jù)測量需要，現(xiàn)場選用60 道電極，5m 道間距，每15 道向前滾動的方式布線，采用溫納裝置進行觀測。

從高密度電法測線剖面的視電阻率值來看，表層介質(zhì)的視電阻率值相對較低，視電阻率值ρs為10～100Ω·m，推斷為第四系覆蓋層。下部視電阻率相對較高，ρs為100～6000Ω·m，推測為風(fēng)化基巖。從視電阻率等值線圖可以推斷測線下存在4處低阻異常區(qū)，D1～D4推測為巖體破碎區(qū)或者為巖溶區(qū)。其中：D1 位于K2+159～K2+176，D2 位于K2+199～K2+213，D3 位于K2+224～K2+245，D4位于K2+315～K2+323。

為進一步驗證高密度電法的推測成果，在D1、D2異常區(qū)域處布置2個鉆孔。鉆孔情況見表1。鉆孔揭露的溶洞平距與深度基本和高密度電法結(jié)果一致（圖1）。

圖1 高密度電法測線推測的巖溶發(fā)育區(qū)及鉆孔揭露的溶洞

表1 高密度電法D1、D2異常鉆孔驗證情況

根據(jù)高密度電法解譯結(jié)果，結(jié)合工區(qū)地形地貌條件，依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，對該橋梁逐墩布設(shè)鉆孔進行勘探，勘探結(jié)果顯示，鉆孔揭露的溶洞位置與高密度電法解譯結(jié)果基本一致。

4.2 跨孔電磁波CT應(yīng)用

為進一步確定鉆孔附近的巖溶發(fā)育情況，在ZK-15和ZK-6 鉆孔位置對應(yīng)的線路左邊線處布置鉆孔ZK-5和ZK-16。并布置了ZK5-ZK15和ZK16-ZK6兩對跨孔電磁波CT剖面，探測鉆孔間溶洞的延伸情況。跨孔電磁波CT 使用的是湖南奧成科技有限公司生產(chǎn)的HXJDT-02B型井下無線電波透視儀，選擇5、8、11MHz 3個頻點進行數(shù)據(jù)采集。

ZK5-ZK15和ZK16-ZK6兩個剖面的跨距為23.5m，探測深度范圍為0～50m，電磁波CT成果圖見圖2。

圖2 鉆孔剖面電磁波CT成像結(jié)果

鉆孔ZK5 與ZK15 之間巖土的吸收系數(shù)在0.15～0.45Nper/m之間。鉆孔ZK16與ZK6之間巖土的吸收系數(shù)在0.2～0.45Nper/m 之間。ZK5-ZK15 和ZK16-ZK6 的電磁波CT反演成果如表2所示。

從上述反演成果可以看出，CT 剖面中基巖面起伏不大，ZK5-ZK15處基巖埋深30～35m，ZK16-ZK6處基巖埋深5～6m。探測剖面中的溶蝕現(xiàn)象比較發(fā)育，在探測范圍內(nèi)存在大面積的溶蝕發(fā)育區(qū)。剖面中共圈定了15個溶洞異常區(qū)域。

對比圖2 與表1 中2 個鉆孔的資料，可以判斷高視吸收異常區(qū)域應(yīng)為溶洞區(qū)（粉質(zhì)粘土全充填），且部分溶洞較大。測區(qū)的溶洞成群發(fā)育，具有聯(lián)通性，且異常反映的溶洞與鉆孔揭示的溶洞情況基本一致。

4.3 樁底溶洞聲吶探測法

進入施工階段，對ZK5-ZK15 和ZK16-ZK6 鉆孔間共4個樁基孔采用樁底溶洞聲吶探測法確定樁底以下樁徑的3倍并不小于5m的深度范圍內(nèi)有無溶洞等不良地質(zhì)現(xiàn)象的存在[12]。樁底溶洞聲吶探測使用的是武漢長盛工程檢測技術(shù)開發(fā)有限公司研制生產(chǎn)的JL-SONAR(A)樁底溶洞聲吶探測儀。

對該橋梁4-4樁基（對應(yīng)鉆孔ZK15）、5-4樁基（對應(yīng)鉆孔ZK6）進行樁底溶洞聲吶探測，探測結(jié)果如圖3所示。

圖3 樁基探測結(jié)果

根據(jù)探測數(shù)據(jù)可知，4-4樁基和5-4樁基樁底聲吶波形規(guī)則，波形數(shù)據(jù)頻率較好，衰減正常。判斷該樁基樁底圍巖完整，巖性較好，樁底標高以下8m 內(nèi)未發(fā)現(xiàn)溶洞發(fā)育。

5 結(jié)語

（1）公路工程巖溶勘探過程中，首先采用高密度電法進行地面大范圍初步探測，并在推斷的巖溶發(fā)育異常區(qū)進行地質(zhì)鉆探驗證，然后采用跨孔電磁波CT方法探明鉆孔間的巖溶規(guī)模以及延伸發(fā)育情況，最后在施工過程中，對巖溶發(fā)育區(qū)的樁基采取樁底溶洞聲吶探測法確保樁底標高以下8m內(nèi)無溶洞發(fā)育，既確保工程質(zhì)量、又合理減少了工程勘察成本、縮短工期。

（2）物探結(jié)果的解譯具有多解性，單一的物探方法往往達不到很好的效果，利用多種物探手段進行綜合探測，其探測結(jié)果相互驗證、優(yōu)勢互補，能很好地提高巖溶地區(qū)的勘察成果質(zhì)量，也進一步確保和施工質(zhì)量和施工安全。

（3）應(yīng)用綜合物探方法比常規(guī)單一物探方法的解譯結(jié)果更加準確，從長遠來看，綜合應(yīng)用物探方法在公路巖溶勘察中具有廣泛的應(yīng)用前景，可以為公路工程建設(shè)提供詳實的勘察資料。