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武漢軌道交通巖溶探測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

2018-06-19 02:18:40杜惠光
水利技術(shù)監(jiān)督 2018年3期
關(guān)鍵詞:電法溶洞電磁波

杜惠光

(長(zhǎng)江地球物理探測(cè)(武漢)有限公司,湖北 武漢 430010)

在國(guó)家大力發(fā)展公共交通戰(zhàn)略的引導(dǎo)下,我國(guó)城市軌道交通工程建設(shè)已邁入快速發(fā)展期。很多城市的軌道交通工程基礎(chǔ)都不可避免地會(huì)建設(shè)在巖溶發(fā)育的灰?guī)r區(qū),如不查明巖溶的發(fā)育及其分布情況,必會(huì)成為工程安全的重大隱患。

目前,國(guó)內(nèi)多個(gè)城市交通建設(shè)項(xiàng)目中針對(duì)巖溶探測(cè)進(jìn)行了多種物探方法的嘗試,其中,杭州西湖周邊巖溶區(qū)選取高密度電法為基本勘察方法;大連地鐵2號(hào)線選取高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)、超高密度跨孔電阻率CT進(jìn)行巖溶綜合探測(cè);廣州市金沙洲使用綜合物探方法為城市巖溶處理提供依據(jù)。武漢市近年來(lái)也開(kāi)始了大規(guī)模的城市軌道交通建設(shè),已建和在建的多條地鐵線路均不同程度存在巖溶問(wèn)題。需要針對(duì)武漢地區(qū)地質(zhì)條件選取一套快速、經(jīng)濟(jì)、有效的巖溶探測(cè)技術(shù)方法體系,為武漢市軌道交通建設(shè)保駕護(hù)航。

1 地質(zhì)條件及探測(cè)要求

武漢市總體的地形為北高南低,以丘陵和平原相間的波狀起伏地形為主,中南部以長(zhǎng)江和漢水沖積平原為主,地形平坦開(kāi)闊,總體地貌形態(tài)由剝蝕堆積壟崗區(qū)過(guò)渡為沖洪積區(qū),地面標(biāo)高一般在21.6~26.8m。武漢地區(qū)第四系一般為:雜填土、黏性土、粉細(xì)砂、中粗砂;碳酸鹽基本為厚層第四系地層所覆蓋,部分為巖層所掩埋,為覆蓋型和埋藏型巖溶區(qū)。在平面上自北向南分布有6條走向NWW-SEE的可溶巖條帶,分別為天興洲條帶、大橋條帶、白沙洲條帶、沌口條帶、軍山條帶和漢南條帶,寬度為1.3~2.8km不等。三疊系灰?guī)r一般構(gòu)成向斜、背斜的核部,石炭系和二疊系灰?guī)r構(gòu)成褶皺的翼部,其間分布有二疊系上統(tǒng)非可溶巖。巖溶發(fā)育類(lèi)型主要有溶隙和溶洞,發(fā)育方向和強(qiáng)度受層面和構(gòu)造控制,多沿陡立層面垂向呈溶隙形態(tài)發(fā)育,水平向連續(xù)性較差??傮w屬巖溶弱-中等發(fā)育。

武漢市軌道建設(shè)重點(diǎn)關(guān)注建筑物結(jié)構(gòu)底板以下10m范圍內(nèi)溶洞的空間分布規(guī)律,并結(jié)合探測(cè)溶洞的發(fā)育情況,評(píng)價(jià)其對(duì)地鐵工程的影響,為地鐵設(shè)計(jì)與施工提供可靠地質(zhì)資料。

2 巖溶探測(cè)特點(diǎn)及方法比選

2.1 巖溶探測(cè)特點(diǎn)

地下介質(zhì)(巖石或土)與不良地質(zhì)體(巖溶或土洞)的結(jié)構(gòu)、成分及其組合形式的不同,決定了不同地質(zhì)對(duì)象間存在物性差異,包括彈性波參數(shù)、電阻率、電磁參數(shù)、密度參數(shù)的差異,為物探技術(shù)的應(yīng)用提供了地球物理前提;但城市環(huán)境中探測(cè)溶洞易受到強(qiáng)干擾,要求探測(cè)方法、探測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)處理方法具備較強(qiáng)的抗噪能力;同時(shí),武漢巖溶分布多為埋藏型巖溶,位于土巖結(jié)合面或之下,決定了與高速、高阻背景下的巖溶探測(cè)有所不同。土巖結(jié)合部的低阻、低速特性或者強(qiáng)烈的物性差異對(duì)有些探測(cè)信號(hào)是一個(gè)阻隔體,導(dǎo)致有效信號(hào)難以到達(dá)目標(biāo)體。

2.2 方法原理

針對(duì)武漢市地質(zhì)條件,在分析武漢地區(qū)軌道交通巖溶探測(cè)要求及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,選取了多種有效探測(cè)巖溶的物探方法進(jìn)行了比選研究。其中,比選方法包括:高密度電法、彈性波CT法、電磁波CT法等。

2.2.1 高密度電法

高密度電法即高密度電阻率法,實(shí)際上是一種陣列式電法勘探方法,是指通過(guò)電極陣列排列方式來(lái)觀測(cè)人工建立的地下穩(wěn)定電流場(chǎng)的分布規(guī)律,進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)體探測(cè)的一種電阻率法。野外測(cè)量時(shí),只需將全部電極(幾十至上百根)置于測(cè)點(diǎn)上,然后利用程控電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和微機(jī)工程電測(cè)儀便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集。當(dāng)將測(cè)量結(jié)果送入微機(jī)后,還可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并給出關(guān)于地電斷面分布的各種圖示結(jié)果。其工作原理示意如圖1所示。

圖1 高密度電阻率法工作原理示意圖

2.2.2 彈性波CT法和電磁波CT法

層析成像選用了電磁波CT和彈性波CT,層析成像的理論基礎(chǔ)——Radon變換。彈性波CT的Radon變換式為:

式中,R—發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)間的路徑;x—為探測(cè)區(qū)域介質(zhì)的慢度(速度的倒數(shù));t—測(cè)得走時(shí)。

網(wǎng)格化后可建立如下反演控制方程:

[D][X]=[T]

式中,D—M×N階矩陣;M—觀測(cè)次數(shù);N—網(wǎng)格個(gè)數(shù);D的元素dij是第i次觀測(cè)中傳播路徑被第j個(gè)網(wǎng)格截得的距離,i=1,2,…,M,j=1,2,…,N;X—N維列向量,其元素xj是第j個(gè)網(wǎng)格中的慢度;T—M維列向量,其元素為ti是第i次觀測(cè)走時(shí)。電磁波層析成像原理類(lèi)似,不同的是接收的電磁波場(chǎng)強(qiáng)幅值。其工作原理示意如圖2所示。

圖2 彈性波CT法和電磁波CT法工作原理示意圖

2.3 方法比選

為了驗(yàn)證各種方法在武漢城市軌道交通地區(qū)探測(cè)巖溶的適應(yīng)性,在現(xiàn)場(chǎng)選取了溶洞較發(fā)育的區(qū)域,開(kāi)展了方法比選試驗(yàn)工作。

2.3.1 高密度電法

高密度電法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)電極距設(shè)置為5m,共60個(gè)電極,測(cè)線長(zhǎng)度共計(jì)295m,探測(cè)成果如圖3所示,高密度電法在野外數(shù)據(jù)采集中受城市游離電流干擾較大,雖然采取了措施,但是數(shù)值中畸變點(diǎn)相對(duì)較多。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析后基本可以確定基巖埋深界面,但是由于覆蓋層和土巖結(jié)合部的溶洞均為低阻反應(yīng),后經(jīng)過(guò)驗(yàn)證判斷基巖面比實(shí)際要深,大型溶洞反應(yīng)明顯,小型溶洞無(wú)反應(yīng)。

圖3 WT1-WT2′線高密度電法成果圖

2.3.2 彈性波CT法

彈性波CT法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集采用全掃描觀測(cè)系統(tǒng),點(diǎn)距設(shè)置為1m,儀器采用R24地震儀、串檢波器和大功率電火花震源,探測(cè)成果如圖4所示,彈性波CT在數(shù)據(jù)采集中受到的各種震動(dòng)干擾較大,需要選擇車(chē)流量小的時(shí)間段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,而且彈性波傳播需要水作為傳播介質(zhì),干孔中難以實(shí)施。

圖4 HQ05K-1~HQ06K-1線彈性波CT成果圖

2.3.3 電磁波CT法

電磁波CT法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集同樣采用全掃描觀測(cè)系統(tǒng),點(diǎn)距設(shè)置為1m,儀器采用JW-5大功率電磁波儀,探測(cè)成果如圖5所示,電磁波CT數(shù)據(jù)采集過(guò)程中遇到的主要干擾源是高壓電線及電磁波的繞射,前者影響的主要是淺部覆蓋層的數(shù)據(jù),可在后期解釋中排除,后者則采用鋼套管支桶避免繞射,并且電磁波CT探測(cè)成果細(xì)部特質(zhì)不如彈性波CT,但是對(duì)地下介質(zhì)分布也有較好的反映。

圖5 HQ05K-1~HQ06K-1線電磁波CT成果圖

2.4 綜合分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及探測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析(見(jiàn)表1),得到以下結(jié)論:

(1)井中方法(彈性波CT法、電磁波CT法)在探測(cè)巖溶抗噪性與分辨率上優(yōu)于地面方法(高密度電法),在城市環(huán)境中地下方法信號(hào)干擾較地面干擾小。

(2)地面方法(高密度電法)為了達(dá)到目標(biāo)探測(cè)深度(30~50m),通常需布設(shè)測(cè)線長(zhǎng)度超過(guò)200m,且電極與水泥地面耦合存在一定的限制性。

(3)井中方法探測(cè)巖溶效果,彈性波CT法在細(xì)部特質(zhì)比電磁波CT法稍好,但需要在地下水位較高地段進(jìn)行探測(cè)。

表1 各方法特征分析表

綜合考慮方法的有效性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性,最終選擇采用電磁波CT法作為主要物探手段進(jìn)行巖溶探測(cè),重點(diǎn)部位采取鉆孔電視錄像進(jìn)行驗(yàn)證的探測(cè)方案。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工作布置

以武漢市軌道交通陽(yáng)邏線(21號(hào)線)工程巖溶專(zhuān)項(xiàng)勘察為例。按規(guī)程、規(guī)范要求,采用鉆探與物探相互結(jié)合的綜合手段對(duì)場(chǎng)區(qū)巖溶發(fā)育特點(diǎn)進(jìn)行分析,重點(diǎn)探查建筑物結(jié)構(gòu)底板以下10m范圍內(nèi)溶洞的空間分布規(guī)律,并結(jié)合探測(cè)土洞的發(fā)育情況,評(píng)價(jià)其對(duì)地鐵工程的影響,為地鐵設(shè)計(jì)與施工提供可靠地質(zhì)資料。

由于采用的是鉆探與物探相互結(jié)合的綜合手段,在鉆孔位置布設(shè)時(shí)充分考慮了地鐵線路特點(diǎn)、施工方法、場(chǎng)地復(fù)雜程度,勘探鉆孔分別沿地鐵隧道左、右線外側(cè)和兩線隧道中間交錯(cuò)布置勘探孔,成網(wǎng)格狀(如圖6所示)。原則上要求左右線外側(cè)孔位距隧道邊線外側(cè)3~5m,所有鉆孔間距控制在15~20m。要求鉆孔至少進(jìn)入灰?guī)r深度不小于25m,在此范圍內(nèi)遇溶洞時(shí),應(yīng)再深入溶洞底板以下1倍洞徑的深度,且不小于6m,使之形成有效的背景場(chǎng)。對(duì)跨越隧洞的相鄰鉆孔均進(jìn)行層析成像(電磁波CT),形成“三縱兩折”CT剖面線,探查巖溶地層中溶洞或土洞發(fā)育情況。數(shù)據(jù)采集采用全掃描觀測(cè)系統(tǒng)。

圖6 鉆孔布置圖

3.2 成果與解譯

資料分析工作首先是將電磁波CT圖像與地質(zhì)剖面合二為一,形成電磁波CT地質(zhì)剖面成果圖(如圖7);遵循“視吸收系數(shù)愈小、巖體性狀愈好,反之愈差”的規(guī)律,對(duì)成果圖電磁波CT視吸收系數(shù)圖像的解釋、分析要做到解釋結(jié)論與測(cè)區(qū)總的規(guī)律相統(tǒng)一,定量解釋與定性解釋相統(tǒng)一,物性解釋與客觀地質(zhì)規(guī)律相統(tǒng)一。綜合試驗(yàn)及本項(xiàng)目資料處理結(jié)果確定電磁波CT地質(zhì)剖面視吸收系數(shù)異常。異常劃分的原則為:(1)在較完整巖體里,視吸收系數(shù)異常原則上大于等于0.4Nper/m;可能發(fā)育無(wú)充填或充填較少巖溶的地層,視吸收系數(shù)異常降至0.3Nper/m。(2)在巖體較差或土巖結(jié)合部視吸收系數(shù)比背景值大0.3~0.4Nper/m。(3)大體上以視吸收系數(shù)值0.4Nper/m為界劃分基巖較完整分界線,對(duì)泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r等含泥量增加巖層而導(dǎo)致電磁波無(wú)法穿透的區(qū)域未劃分基巖較完整分界線,以此規(guī)律結(jié)合巖性等地質(zhì)條件對(duì)CT剖面進(jìn)行異常分析。

CT剖面視吸收系數(shù)異常分類(lèi),結(jié)合具體的地質(zhì)、鉆孔資料,分為:土巖結(jié)合部、溶溝、溶槽,

溶洞、溶蝕,巖體完整性較差,巖性變化4個(gè)類(lèi)別。

結(jié)合工程需要重點(diǎn)對(duì)基巖面及以下高程CT圖像及主要異常從如下三個(gè)方面進(jìn)行解釋。第一,電磁波CT剖面特征,CT剖面圖像一般呈上部吸收較強(qiáng),下部吸收較弱的規(guī)律;剖面上部吸收較強(qiáng)區(qū)大體上與較完整巖體分界線以上的覆蓋層及土巖結(jié)合部對(duì)應(yīng),下部吸收較弱區(qū)與較完整巖體分界線以下的較完整巖體對(duì)應(yīng)。部分區(qū)段因泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r對(duì)電磁波的強(qiáng)吸收等因素而未穿透,呈現(xiàn)整體吸收較強(qiáng)的特征。第二,較完整巖體分界線,根據(jù)CT成像地質(zhì)剖面圖物性特征,劃分出一條較完整巖體分界線,總體隨著基巖頂板埋深起伏而相應(yīng)變化,與地質(zhì)上劃分的覆蓋層與基巖分界線高程偏低0~7.8m,客觀反映了土巖結(jié)合部位溶蝕現(xiàn)象較發(fā)育。第三,覆蓋層以下異常分布特點(diǎn),從發(fā)現(xiàn)的大量視吸收異常中分析,在縱向上樁號(hào)14+915~CK15+015段、樁號(hào)17+110~CK17+153段存在較大溶洞溶蝕發(fā)育區(qū);在垂向上,總體上淺部溶蝕發(fā)育強(qiáng)度強(qiáng)于深部;從視吸收異常屬性來(lái)分,其中土巖結(jié)合部異常、溶溝、溶槽占比24.7%,溶洞、溶蝕占比44.4%,巖體完整性較差占比14.5%,巖性變化占比16.4%。

為便于異常位置的確定,將電磁波剖面CT圖像中基巖界面及以下主要視吸收系數(shù)異常進(jìn)行水平面投影,并對(duì)不同剖面上的相鄰異常進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喜⒓巴庋?將縱剖面異常投影到水平面上,同類(lèi)型異常依據(jù)水平、縱向位置的臨近性進(jìn)行合并),主要視吸收系數(shù)異常平面投影位置與CT剖面平面布置圖合二為一。

3.3 成果驗(yàn)證

本勘探區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,物探中間成果資料解釋完畢后,首先根據(jù)已有鉆孔揭露的溶洞、巖性變化等地質(zhì)原因引起的物探異常進(jìn)行符合性統(tǒng)計(jì),即所謂的物探事前符合性鉆孔驗(yàn)證。本次工作發(fā)現(xiàn)的440個(gè)視吸收異常有132個(gè)與已有鉆孔揭露的吻合,余下308個(gè)異常位于鉆孔之間,另本次共完成事后符合性驗(yàn)證孔23個(gè),目的是檢驗(yàn)物探資料的準(zhǔn)確性。其中物探異常的驗(yàn)證鉆孔19個(gè),驗(yàn)證異常20個(gè),物探異常推斷,溶洞溶蝕13個(gè),巖體完整性差2個(gè),巖性變化3個(gè),土巖結(jié)合部、溶槽2個(gè);另基巖未圈定物探異常的驗(yàn)證鉆孔4個(gè)。驗(yàn)證結(jié)果如下:

圖7 電磁波CT剖面成果示意圖

圖8 YZK-3039物探異常(a)及鉆孔揭露(b)示意圖

(1)物探異常驗(yàn)證,20個(gè)物探異常與鉆孔揭示的地質(zhì)情況吻合或基本吻合。在發(fā)現(xiàn)異常的鉆孔相應(yīng)部位都能找到對(duì)應(yīng)的地質(zhì)-物性差異,為四類(lèi)異常中的某一類(lèi)或幾類(lèi)的綜合反映。

(2)物探異常推斷解釋結(jié)果驗(yàn)證,20個(gè)物探異常的推斷解釋與鉆孔揭示吻合或基本吻合的14個(gè),不吻合的6個(gè)。其中:13個(gè)推斷為“溶洞、溶蝕”物探異常驗(yàn)證吻合或基本吻合有7個(gè)(如圖8),其余6個(gè)驗(yàn)證結(jié)果為5個(gè)巖體完整性較差,1個(gè)土巖結(jié)合面;從工程地質(zhì)角度上講,以上6個(gè)與推斷不吻合的異常均為不良地質(zhì)體,也是工程關(guān)注的重要對(duì)象;推斷的2個(gè)“土巖結(jié)合部、溶溝、溶槽”、2個(gè)“巖體完整性較差”、3個(gè)“巖性變化”與驗(yàn)證結(jié)果一致。

(3)“無(wú)異常”情況驗(yàn)證,全部吻合。4個(gè)基巖未圈定異常的驗(yàn)證鉆孔,在基巖中未發(fā)現(xiàn)異常,與解釋全部一致,且物探剖面劃分的較完整基巖分界線與鉆孔驗(yàn)證吻合。說(shuō)明物探剖面未圈定異常的低吸收區(qū)巖體的完整性得到確認(rèn)。

結(jié)合本次事后驗(yàn)證及事前已有鉆孔揭露的情況發(fā)現(xiàn),以樁號(hào)15+350~15+800為主的區(qū)段巖溶欠發(fā)育,造成的異常多為巖體完整性差或者性狀改變。針對(duì)這個(gè)情況對(duì)部分解釋做了相應(yīng)修改。

圖8(a)中3039號(hào)物探異常深32~35m推測(cè)為溶洞、溶蝕圖8(b)鉆孔揭露深32.5~34.8m為溶洞,填充軟塑狀黏土。

4 討論

(1)通過(guò)大量的探測(cè)成果和鉆孔驗(yàn)證,我們發(fā)現(xiàn),盡管采用了大功率電火花及電磁波透視儀,但有些土巖結(jié)合部位的彈性波或者電磁波穿透信號(hào)仍然難以獲取。缺失的數(shù)據(jù)造成精度下降是不得不接受的客觀事實(shí)。

(2)采用電磁波CT方法,巖體含泥較重、土巖結(jié)合部、溶槽或巖體完整性較差這幾種情況異常反應(yīng)一致,難以分析其異常屬性。

(3)巖溶探測(cè)問(wèn)題本身也具有復(fù)雜性,巖溶充填形式的多樣性(如空洞、充泥、半充填、充水)會(huì)有不同的物性差異,對(duì)異常解釋造成一定的困難。

5 結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)武漢市地質(zhì)條件、探測(cè)環(huán)境和要求的綜合分析,進(jìn)行了系統(tǒng)的物探方法比選試驗(yàn)工作,選擇了有效的物探方法;同時(shí),通過(guò)對(duì)鉆孔布置和物探方法的實(shí)施和處理、數(shù)據(jù)分析進(jìn)行系統(tǒng)化的研究,摸索出了一套快速、經(jīng)濟(jì)、有效的巖溶探測(cè)技術(shù)方法體系:

(1)在方法選擇上,石炭、二疊系地層地下水位較高地段,以彈性波CT法為主,電磁波CT法為輔;三疊系地層地下水位較低地段,采用電磁波CT法;在重點(diǎn)部位采用鉆孔電視錄像。

(2)在數(shù)據(jù)處理與解釋中,從電磁波CT剖面特征、較完整巖體分界線、覆蓋層以下異常分布特點(diǎn)三個(gè)方面系統(tǒng)分析了巖溶發(fā)育情況,做到了全面系統(tǒng)的巖溶分析。

(3)物探事前符合性鉆孔驗(yàn)證為數(shù)據(jù)處理與解釋提供了已知信息;事后符合性鉆孔驗(yàn)證驗(yàn)證了探測(cè)精度。兩者均有效驗(yàn)證了CT方法在探測(cè)溶洞存在明顯的優(yōu)勢(shì)。

同時(shí),技術(shù)無(wú)止境,在很多方面仍需要進(jìn)一步開(kāi)展研究工作。如無(wú)充填溶洞是軌道交通巖溶探測(cè)的難點(diǎn),需要開(kāi)展相關(guān)的理論計(jì)算、模型試驗(yàn)研究,從而找出更有效的探測(cè)手段;目前武漢市軌道交通巖溶探測(cè)大量采用CT方法,需要較多勘探孔,成本高,且易受鉆孔進(jìn)度影響,發(fā)展經(jīng)濟(jì)、快速、有效的地面探測(cè)方法,是城市軌道交通巖溶探測(cè)面臨的重要課題。

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