綜合物探方法在路基巖溶探測中的應(yīng)用

賈忠才，何欣凱

（湖南省益常北線高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，長沙 410083）

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，我國的高速公路里程實現(xiàn)了跨越式增加，在公路建設(shè)中涉及的地質(zhì)情況也更加復(fù)雜。其中，巖溶地貌對公路建設(shè)造成了不可忽視的危害。路基下部巖溶在荷載作用下，會使路基發(fā)生不均勻沉降，從而導(dǎo)致地下溶洞頂板的坍塌，造成路基及其附屬建筑物的開裂、沉降和坍塌，此外，地下巖溶水活動也會導(dǎo)致路基冒水問題[1-3]。在隧道建設(shè)中，巖溶管道易發(fā)生突水、突泥現(xiàn)象，增加工程安全隱患[4-5]。如果不及時查明這些不良地質(zhì)問題，采取相應(yīng)的處置措施，將嚴重影響高速公路建設(shè)的工程質(zhì)量，增加了施工風險，使路基的安全性和可靠性得不到強有力的保障，給路基安全造成了一定的安全隱患。

本文試驗路段位于湖南某高速K30+700～K30+910 段，沿線地形、地貌復(fù)雜，巖溶等不良地質(zhì)發(fā)育。隱伏于地下的不良地質(zhì)，因其具隱蔽性，且其屬自然地質(zhì)形成，具復(fù)雜性，施工前期的工程地質(zhì)勘察不可能完全將其查明，隨著工程深入，不良地質(zhì)所產(chǎn)生的工程問題隱患逐漸顯現(xiàn)，有必要對這些不良地質(zhì)予以查明。工程地球物理勘探通過觀測地下物理場的差異和分布規(guī)律來解決工程地質(zhì)和水文地質(zhì)問題，具有“透視性”、工作效率高、成本低等優(yōu)點，因此在工程勘察中得到廣泛應(yīng)用[6-8]。但是由于每種物探方法都具有其局限性，因此合理選取幾種物探方法，進行綜合物探，與現(xiàn)有的地質(zhì)資料進行對比，才可以獲得更好的地質(zhì)效果。本文結(jié)合已有的地質(zhì)資料，主要采用探地雷達法和高密度電阻率法2 種物探方法，輔以地質(zhì)調(diào)查法對目標路段進行路基巖溶探測。

1 工程物探方法

1.1 地質(zhì)雷達工作原理

地質(zhì)雷達是一種高效簡便的淺層地球物理探測技術(shù)，通過向地下發(fā)射高頻電磁波短脈沖，地下介質(zhì)體或介質(zhì)分界面會將發(fā)射的電磁波的部分能量反射回來，通過布設(shè)在地表的接收天線接收反射回來的信號，并由主機記錄下來。由于地下介質(zhì)的電性參數(shù)具有差異，電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁波場強度及波形也會發(fā)生變化，經(jīng)過對雷達波場的資料分析處理，根據(jù)回波的振幅、波形和頻率等運動學和動力學特征來分析地下目標介質(zhì)的空間位置、電性、結(jié)構(gòu)與幾何形態(tài)，從而達到探測地下目標物的目的。探地雷達具有操作簡單快捷、分辨率高、定位準確等優(yōu)點，但是由于其發(fā)射的是高頻電磁波，在提高分辨率的同時犧牲了探測深度。地質(zhì)雷達的工作原理如圖1 所示。

圖1 探地雷達工作原理示意圖

1.2 高密度電阻率法工作原理

高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，是常規(guī)電阻率法中的一種，其工作原理與常規(guī)電阻率法相同，因為地下不同巖、礦石的電性特征有一定差異，人工建立的地下穩(wěn)定電場的分布規(guī)律也有所不同，高密度電阻率法就是通過觀測地下電場的分布規(guī)律來解決一系列工程地質(zhì)問題。

以對稱施倫貝歇爾裝置為例進行說明，如圖2 所示。電極A、B 向地下供電，在電極M、N 處測量兩電極的電位，將兩電極的電位相減便可得到測量電極間的電位差，從而求出測點的視電阻率。

圖2 施倫貝歇爾裝置示意圖

2 工程應(yīng)用實例

2.1 工作場地概況

某高速K30+610～K30+910 段路基為填方，巖淺挖段，覆蓋層主要為粉質(zhì)黏土，局部發(fā)育薄層透鏡體狀細砂巖層。基巖主要為泥盆系上統(tǒng)佘田橋組灰?guī)r，為中風化，巖溶發(fā)育，以水平發(fā)育為主，發(fā)育形態(tài)一般為溶洞和溶蝕裂隙，少量以溶洞形態(tài)發(fā)育。一般充填流塑-可塑狀粉質(zhì)黏土及少量碎石。

結(jié)合物探實施過程中的實際情況，雷達檢測共布置8 條測線，高密度電阻率法共布置6 條測線，物探測線的具體情況如圖3 所示。

圖3 物探測線布置圖

2.2 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)采集正式開始之前，需要合理分析現(xiàn)場環(huán)境，明確探測目標，并進行現(xiàn)場實測試驗，確定最優(yōu)探測參數(shù)，可以獲取更好的探測效果，以便對成果進行對比分析。

獲取的探地雷達實驗數(shù)據(jù)主要通過RADAN 軟件進行處理，其他軟件進行輔助，通過數(shù)字濾波器、褶積、偏移及希爾伯特變換等一系列方法對探測結(jié)果進行預(yù)處理，壓制干擾信號，增強圖像質(zhì)量，進一步分析異常現(xiàn)象。

采集的高密度電法探測數(shù)據(jù)主要通過RES2DINV軟件進行處理：進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，剔除突變點，進行平滑處理，選取合適的反演方法，利用RES2DINV 軟件進行反演，進行異常分析。

2.3 探測成果解譯

2.3.1 探底雷達成果解譯

據(jù)雷達掃描成圖分析可知，8 條雷達測線的解譯結(jié)果一致，因此截取測線R1—R1′的K30+750～K30+770 m 區(qū)段進行說明。由圖4 可以看出，局部雷達振幅相對較大，同相軸較連續(xù)；結(jié)合現(xiàn)場情況推測，在測線探測范圍內(nèi)，無明顯反射異常。

圖4 測線R1—R1′中K30+750～K30+770 m 區(qū)段雷達探測成果圖

2.3.2 高密度電法成果解譯

圖5 為高密度電阻率法數(shù)據(jù)處理圖，結(jié)合物探成果剖面與地質(zhì)資料，對高密度電阻率法探測成果進行解譯。產(chǎn)生中低阻響應(yīng)和小范圍低阻響應(yīng)的區(qū)段有測線G1—G1' 的K30+700～K30+750 m 和K30+785～K30+795 m 區(qū)段，測線G2—G2'的K30+790～K30+800 m區(qū)段，測線G3—G3'的K30+800～K30+820 m 區(qū)段，測線G4—G4'的K30+800～K30+850 m 區(qū)段，測線G5—G5' 的K30+720～K30+740 m 區(qū)段，測線G6—G6' 的K30+810～K30+830 m 區(qū)段，推測這些區(qū)段巖體較破碎，圍巖自穩(wěn)能力較差，可能發(fā)育有節(jié)理裂隙、巖溶裂隙。產(chǎn)生中高阻響應(yīng)和高阻響應(yīng)的區(qū)段測線G2—G2'的K30+618～K30+770 m 和K30+840～K30+902 m 區(qū)段，測線G3—G3' 的K30+618～K30+770 m 和K30+840～K30+902 m 區(qū)段，測線G4—G4' 的K30+670～K30+770 m 區(qū)段，測線G5—G5'的K30+620～K30+720 m區(qū)段，測線G6-G6'的K30+620～K30+770 m 區(qū)段，推測這些區(qū)段巖體較完整，圍巖自穩(wěn)能力較好。

圖5 高密度電法測線數(shù)據(jù)處理成果圖

3 結(jié)論

1）探測場地路線位于中低山丘陵地貌，根據(jù)對物探測線結(jié)果歸納、分析，結(jié)合地表地質(zhì)調(diào)查，該區(qū)覆蓋層超過15 m，路基以下15 m 范圍內(nèi)暫未發(fā)現(xiàn)土洞及溶洞發(fā)育。

2）根據(jù)探測現(xiàn)場的環(huán)境、探測目的以及地基的深度范圍，物探工作選擇了合適的測線距離和點距，但是仍然可能遺漏尺度較小的地基巖溶；此外，由于地球物理勘探是以物性參數(shù)差異為基礎(chǔ)來推測地下介質(zhì)的尺度、埋深等分布特征，可能會存在誤差。