基于綜合物探技術(shù)的鐵路路基巖溶探測方法研究

曹波

（廣西南崇鐵路有限責(zé)任公司，廣西崇左 532299）

0 引言

近年來，隨著鐵路軌道交通在全國工程項目中的增多，出現(xiàn)巖溶、斷裂、采空區(qū)等越來越復(fù)雜的地質(zhì)問題。隧道坍塌容易引發(fā)粉塵、水、沙等地質(zhì)災(zāi)害[1]。為了避免事故發(fā)生，在鐵路建設(shè)中，需采取必要和有效的檢測方法來探測巖溶結(jié)構(gòu)的具體分布和范圍[2]。通常巖溶和周圍圍巖之間的一個或多個明顯物理差異對于使用綜合物探方法確定熱體至關(guān)重要[3]。路基巖溶研究中最常用的探測研究方法包括電學(xué)方法、地震方法、微重環(huán)境法、射氣排放方法、綜合物探法等[4]。電學(xué)方法主要分為兩類：一類是電阻法，包括電剖面法、電聲法、高密度電學(xué)法、三電位法等[5]；另一種是電磁方法，包括TEM、綜合物探、EH4、AMT、無線電透視等。地震方法主要包括折射波法、反射波法、剖面地震法、陸地鉆探地震法和地震剖面法[6]。本文使用了綜合物探方法，其優(yōu)點是綜合物探不影響非均勻體附近的電極，如電阻法，具有效率高、成本低、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，同時綜合物探法對低密度結(jié)構(gòu)非常敏感[7]。由于熱延遲填充材料，無論是空氣、水還是沉積物，都比周圍的圍巖相對較低。綜合物探可以勘探廣泛的喀斯特高原開發(fā)區(qū)，還可以繼續(xù)分析喀斯特高原開發(fā)帶，更準(zhǔn)確地識別喀斯特高原結(jié)構(gòu)的邊界和深度，以實現(xiàn)喀斯特高原研究的目標(biāo)[8]。單一物探方法廣泛應(yīng)用于巖溶高原、斷裂、采空區(qū)的發(fā)現(xiàn)，而單種物探方法的多解性也給解釋反演帶來了實際困難。另一方面，還有許多不利因素，如電磁干擾、地下管線干擾和城市水泥硬化道路等，限制了傳統(tǒng)磁電方法的發(fā)展。為了解決上述問題，應(yīng)使用具有較強(qiáng)抗干擾能力的喀斯特高原探測方法，且應(yīng)易于實施。同時，應(yīng)使用在多種綜合物探方法中具有額外優(yōu)勢的組合識別方案，以減少綜合物探研究解決方案造成的不確定性，可以顯著提高研究的影響，并利用鉆探的實際地質(zhì)條件來揭露和驗證研究的結(jié)果。近年來綜合物探法為鐵路路基巖溶研究提供了新的方向。使用自然源信號的探測技術(shù)優(yōu)勢在于防止數(shù)據(jù)侵入并且擁有抗干擾性，使其特別適合城市中的環(huán)境。基于微運(yùn)動的H/V 頻譜比曲線的最大頻率可用于確定熱起始區(qū)中界面的深度。重量測定法是基于密度差，使其可以在地面上進(jìn)行調(diào)節(jié)，適合在城市進(jìn)行高密度、高精度數(shù)據(jù)采集。本文采用基于綜合物探技術(shù)的鐵路路基巖溶探測方法，分析了綜合物料方法在鐵路路基巖溶工程研究中的優(yōu)勢。

1 基于綜合物探技術(shù)的鐵路路基巖溶探測方法設(shè)計

1.1 巖石物性參數(shù)統(tǒng)計

在研究區(qū)采集多組巖石樣品，巖石樣品分布廣泛，具有一定的代表性。統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示。統(tǒng)計結(jié)果表明，黏土、溶洞填充物、碳?xì)浒鍓K、灰塵、鹽和砂巖都具有低電阻率的特點，角礫巖鹽的平均電阻率水平較高，為中高水平，而灰?guī)r則具有明顯的高電阻率特點。

表1 巖石物性參數(shù)統(tǒng)計

溶洞填充物平均熱溶洞密度為1.16 g/cm3，低于其他類型的巖石，特別是與熱溶洞更發(fā)育的灰?guī)r相比，密度相差可能達(dá)到-1.44 g/cm3。為了正演溶洞引起的表面溫度異常，確定了直徑為5 m 的圓形熱溶洞模型，埋深為地表50 m，熱溶洞密度為1.16 g/cm3，巖層周圍的熱溶洞密度是2.60 g/cm3。上述計算是在GeoIPAS V4.02 軟件重磁正反演模塊中進(jìn)行的，熱溶洞模型在其正上方的重力為-0.785×10-5m/s2，重力異常明顯。如果溶洞未填充，則溶洞充滿空氣（標(biāo)準(zhǔn)1.293 g/cm3），表面為-1 315×10-5m/s2，重力異常明顯。因此，該研究區(qū)域具備綜合物探前提。

1.2 地質(zhì)剖面繪制

首先，將上述采集到的初始數(shù)據(jù)通過通信程序傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，用于轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)過濾和缺陷剔除。然后使用Surfer 軟件或使用RES2DINV 高密度電阻率數(shù)據(jù)反演程序來進(jìn)行高密度剖面繪制，測線綜合地質(zhì)剖面如圖1 所示。

圖1 測線綜合地質(zhì)剖面

通過將巖石物性參數(shù)數(shù)據(jù)和測線綜合地質(zhì)剖面相結(jié)合，獲得了全面的地理剖面圖，直觀地反映了地表剖面的分布和結(jié)構(gòu)特征，以幫助巖溶探測。解釋塔址的地質(zhì)和綜合物探特征以及基底的綜合物探數(shù)據(jù)時，應(yīng)遵循以下原則：電阻測試重疊區(qū)域的視電阻率超過400 Ω·m，則將其認(rèn)定為中等灰?guī)r。高電阻區(qū)局部低電阻異常發(fā)生時的具體解釋是泥質(zhì)或水填充的溶洞，由于采用了高密度電法的異常擴(kuò)展效應(yīng)，其異常形態(tài)應(yīng)大于實際地質(zhì)尺寸。將數(shù)據(jù)的解釋與線路實際地質(zhì)情況相結(jié)合，采用“點線已知到未知，由簡單到復(fù)雜”的原則對塔的視電阻率剖面進(jìn)行了預(yù)測和解釋?；谏鲜鼋忉尩脑?，分析并解釋穿過通道基底的測線，其視電阻率相對較低，為20～120 Ω·m，推測為方形荷載層。地表的含水量相對較高，超載層具有高視電阻率的區(qū)域被推測為中等灰?guī)r的基礎(chǔ)。塔附近的荷載是發(fā)育良好的接縫和裂縫，巖層相對破碎。底板基于高密度電反轉(zhuǎn)剖面上的低電阻異常板，具有低局部電阻（約400～1 000 Ω·m）和對致密巖石密度質(zhì)量的高電阻，達(dá)到約3 000～5 000Ω·m，視電阻率約20～60 Ω·m。由于高密度電法對異常增大的影響相對較高，因此低電阻異常的范圍相對較高。根據(jù)對五極縱軸剖面的分析，五極縱軸的電流密度分布較為集中，對異常的描述相對準(zhǔn)確。該輪廓還包含一個低電阻異常區(qū)且具有明顯的輪廓特性。視電阻率相對較低的區(qū)域預(yù)計是由許多完整的冠狀動脈裂縫引起的。位于距離測線187 km 處的電極與腳板的底座緊密相連。反演剖面的高密度法表明，其距測量線的距離約為0～60 km，在與塔左側(cè)槽位置對應(yīng)的局部位置，表層厚度可達(dá)到10 m 左右，即對應(yīng)左側(cè)沖溝位置。該位置下部到5 m 的電阻很低，明顯的電阻為20～50 Ω·m。3～6 m 的位置與面向熱溶洞的側(cè)壁拆除有關(guān)。延伸至下部的低電阻異常被認(rèn)為是一種熱巖溶洞，經(jīng)由此驗證后，結(jié)合數(shù)據(jù)繪制完成地質(zhì)剖面圖。

1.3 基于綜合物探技術(shù)實現(xiàn)鐵路路基巖溶探測

綜合物探是一系列將電剖面和電聲相結(jié)合的陣列勘探方法。在上述地質(zhì)剖面繪制的基礎(chǔ)上，利用綜合物探技術(shù)對不同巖石和土壤進(jìn)行實地勘探，使用供電電極A和B向地下提供直流電。然后計算M和N個測量電極之間的可能差異以及測量點的視電阻率。觀測結(jié)果的計算公式可表示為：

在公式（1）中，K是裝置系數(shù)；決定電極MN之間的實際電勢差，單位為mV；I是電極AB 間的供電電流強(qiáng)度，單位為mA。綜合物探技術(shù)工作原理圖如圖2 所示。

圖2 綜合物探技術(shù)工作原理圖

常用的裝置主要是Winner、Dipole 和Schlumberger-Shell 裝置，不同裝置的測量結(jié)果可能不同。在調(diào)查之前，本文將模擬地下巖溶通道，使用一個虛擬模型進(jìn)行反演，并根據(jù)虛擬模型反演結(jié)果選擇最佳裝置。以下為模型構(gòu)造：使用埋藏深度為14～19 m、寬度為18 m、電阻率為10 Ω·m 的低電阻空間來模擬地下巖溶通道?；?guī)r的近似電阻率為300 Ω·m，表層的電阻率為60 Ω·m 厚度為1 m。分別選用Winner、Dipole和Select 三個來自Schlumberger 的設(shè)備進(jìn)行測量，通過在反演中添加2%的隨機(jī)噪聲進(jìn)行測量。在該研究區(qū)域，重力場的分布通常與地面區(qū)域材料密度的等效分布密切相關(guān)。材料密度的分布會影響巖石層面的上部結(jié)構(gòu)以及熱量的空間分布，同時還可能與地層的沉降現(xiàn)象有關(guān)。負(fù)載下方的巖石的凹陷或尺寸導(dǎo)致材料密度的缺陷或異常，并且?guī)r石表面的尺寸表示高度異常，否則則為低度異常。因此，較低空間中物質(zhì)密度差異引起的重力變化為探索基巖和升溫空間分布模型提供了理論依據(jù)。綜合物探具有簡單有效的研究優(yōu)勢，在路基巖溶研究的初始階段，對暫定巖溶高原開發(fā)區(qū)、縮小研究區(qū)范圍具有重要作用。同時，對其觀察和分析的結(jié)果對其他材料的研究方法具有重要意義?？梢詰?yīng)用于工程的實施，通過整體重力的正態(tài)方法確定重力異常值（如最大值或最小值）或地面分析函數(shù)的唯一點特征，檢測重力異常源的結(jié)構(gòu)、誤差和密度，并評估其位置。這種方法不能直接根據(jù)物體的位置和參數(shù)、場源的密度界面來計算，但可以收斂這些結(jié)構(gòu)附近梯度的正常整體分析函數(shù)，對場源的位置和密度界面的評估更加“直接”，并且大于重力的異常率，具體應(yīng)用如公式（2）所示。

2 實驗論證

為了驗證本文提出的方法的有效性，對傳統(tǒng)鐵路路基巖溶探測方法與本文提出的探測方法進(jìn)行了對比實驗，建立了通用的實驗環(huán)境。通過傳統(tǒng)方法1、傳統(tǒng)方法2、本文方法三種方式進(jìn)行實驗，對比三種探測方法的探測時間。

2.1 實驗準(zhǔn)備

該研究區(qū)域長120 m，寬40 m，屬于沖洪地貌。地表相對較寬，高度為16.5～18.5 m，相對高差為2 m。配置了兩個平行的高精度綜合微型道路剖面儀。受場地因素影響，本實驗對該區(qū)域不同環(huán)境位置分別進(jìn)行了6 次實驗，并對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，實驗結(jié)果如表2 所示。

表2 三種結(jié)果比照分析

2.2 對比實驗

為了使對比結(jié)果更加清晰，將表2 繪制為曲線圖，具體如圖3 所示。

圖3 對比結(jié)果曲線圖

根據(jù)表2 與圖2 可知，傳統(tǒng)方法1 的探測時間為1.32～1.97 s，平均探測時間為1.71 s；傳統(tǒng)方法2 的探測時間為2.65～2.97 s，平均探測時間為2.78 s；而本文提出方法的探測時間為0.24～0.74 s，平均探測時間為0.54 s，平均探測時間比傳統(tǒng)方法1 低1.17 s，比傳統(tǒng)方法2 低2.24 s，探測時間最短，能夠始終低于1 s,探測效率較高。

3 結(jié)語

綜合物探技術(shù)可以有效地應(yīng)用于鐵路巖溶勘察、基巖地表描述等方面的探索。如果測點存在巖溶，則重力值顯示出顯著的重力異常。如果測點以下的巖溶沒有暴露出來，并且?guī)r石石相對完整，則重力值呈明顯的上升趨勢。基于這種特性，結(jié)合勘探技術(shù)，可以有效地確定巖溶發(fā)育的位置，亦能反演出巖溶在縱向上發(fā)育的規(guī)模大小及其標(biāo)高情況。并且，通過實驗驗證綜合物探技術(shù)可有效提高鐵路路基巖溶探測的效率，有助于及早發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險，采取相應(yīng)防護(hù)措施，降低鐵路運(yùn)營風(fēng)險。與此同時，高效的巖溶探測可以幫助規(guī)劃者和決策者在選址和規(guī)劃階段避開或減少對重要資源的占用，實現(xiàn)資源的合理利用和保護(hù)。通過提高巖溶探測的效率，可以快速發(fā)現(xiàn)和評估潛在的地下危險，采取相應(yīng)的安全措施，保障人員的安全和健康。