林偉雄

(福建省建研工程顧問有限公司 福建福州 350100)

0 引言

龍巖市屬于福建省巖溶發(fā)育地區(qū)[1]，溶洞地質災害嚴重威脅地下隱蔽工程的施工安全[2]。電磁波CT方法近年來廣泛應用于地下巖溶勘察且成效良好，其中不乏對于礦產溶洞位置的探測[3]、管道基底溶洞分布延伸探測[4]、既有建筑持力層溶洞探測[5]、地鐵隧道的孤石探測[6]以及溶洞治理結果的探測[7]。在前人的探測和研究分析中，都為實際工程提供了準確度較高的探測結果。

本文研究的龍巖某大橋主橋區(qū)域巖溶強烈發(fā)育，導致樁基施工異常困難，嚴重影響工期?；?，在前人研究的基礎上，以電磁波CT技術和鉆探相結合的方式，對巖溶分布位置、大小和聯(lián)通情況進行相互驗證，以更好地擬合溶洞空間形態(tài)和指導主橋墩臺樁基的樁長以及樁徑的優(yōu)化工作。

1 工程概況

現(xiàn)場CT剖面布置如圖1所示，圖中ZKi為CT電磁波鉆孔，連線為電磁波CT剖面線，余下部分為主橋墩承臺位置。

圖1 CT剖面布置示意圖

主橋墩位置及其周邊，采用方格網布置CT電磁波鉆孔，其工序一先利用鉆探機械對ZK1～ZK14鉆孔進行逐一成孔，其次對所有的14個鉆孔進行兩兩配對電磁波CT探測。本次勘查共計布設剖面數(shù)44對，發(fā)射孔、接收孔起止深度均為40～90m，發(fā)射及接受點距為1m，以查明主橋墩向周邊輻射半徑約50m范圍內的溶洞發(fā)育情況，包括溶腔橫縱的發(fā)育情況、形狀大小以及溶洞內是否存在支撐體情況等。

2 電磁波CT法工作原理

電磁波CT法是利用無線電波在兩個鉆孔中分別發(fā)射和接收，如圖2所示。根據不同位置上接收的場強大小，確定地下不同介質分布的一種地下地球物理測試方法。

圖2 電磁波CT技術原理示意圖

式(1)為電磁波CT法中的場強觀測值公式：

(1)

(2)

式(1)表明γ將E0衰減到E，其中介電常數(shù)εr、介質電阻率σ、電磁波頻率f以及磁導率μr決定了吸收系數(shù)β。當介質的相對磁導率μr一定時，吸收系數(shù)β主要與介質電阻率ρ有關。介質電阻率越低，吸收系數(shù)就越大，即介質稀疏。由此可見，通過吸收系數(shù)可判斷巖體的電阻率特征。

由于大多數(shù)巖石的相對磁導率對衰減系數(shù)影響很小，影響衰減系數(shù)大小的主要因素，是工作頻率，相對介電常數(shù)與介質的電導率。當圍巖與目標地質體(如溶洞、不同巖性的土洞等)的相對介電常數(shù)相差較大時，它們之間的衰減系數(shù)就會有明顯的區(qū)別，由此便可以利用電磁波衰減系數(shù)層析成像技術來探測溶洞。

3 電磁波CT圖像解譯

對現(xiàn)場所采集的數(shù)據進行資料預處理，經電磁波CT反演軟件處理，形成解釋圖件，最終根據解釋圖件對電性異常帶進行地質解釋。電磁波資料的處理，采用計算機層析成像技術進行孔間電磁波吸收系數(shù)的成像。經反演計算電磁波圖可得到視吸收系數(shù)彩色β值分布，圖中采用β值等值線予以表示。等值線間區(qū)域顏色由灰度、色譜等圖示方法加以表示。β值越小，介質對電磁波的吸收越小，介質的性狀越好。β值越大，介質對電磁波的吸收越大，介質的性狀越差。

本次探測的目標體為溶洞，根據電磁波吸收率等值線圖，推斷異常體的存在與否，巖溶發(fā)育在電磁波吸收率等值線圖大多呈高吸收率閉合圈。

選取ZK5-10-11-12-3勘探線進行分析。圖3～圖6為該勘探線上的鉆孔剖面電磁波吸收率等值線圖及其對應的鉆孔剖面地層分布圖，等值線圖中圈出來的閉合區(qū)域為異常區(qū)域，數(shù)字為異常編號。

圖3 ZK10-ZK05剖面

圖4 ZK11-ZK10剖面

圖5 ZK11-12剖面

圖6 ZK12-ZK03剖面

由圖3～圖6可看出，各鉆孔電磁波吸收率分布特征為：ZK5在276～288m深度范圍內吸收率略有增大，即閉合區(qū)域1，吸收率為0.1～0.4dB/m。圖3中，ZK10在264～271m和285～288m深度范圍內吸收率增大至0.1～0.4dB/m，即閉合區(qū)域2、3；圖4中，同為ZK10鉆孔的271～274m和281～284m深度范圍內，β值為0.5～0.6dB/m，異常區(qū)域編號為4、5。由此可知，鉆孔10在不同勘探方向電磁波吸收系數(shù)β存在差異。圖4中，ZK11吸收率多處存在變化，在深度236～249m、253～264m和268～283m深度范圍內吸收率最大，處于0.5～1.0dB/m范圍。圖5中，ZK11僅在255～272m深度范圍內存在異常，吸收率在0.4～0.6dB/m范圍，再次證明同一鉆孔不同勘探方向電磁波吸收率存在差異。圖5中，ZK12在244～251m深度范圍內吸收率0.5～0.6dB/m，與圖6中ZK12不僅異常區(qū)域深度一致，且吸收率相同，可知編號12和編號13為同一異常區(qū)域。ZK3在250～259m、269～283m深度范圍內吸收率為0.5～0.6dB/m。

對照鉆孔剖面圖，ZK5鉆孔揭示在275～282m深度范圍存在小溶洞，溶洞位于微風化石灰?guī)r地層，與電磁波吸收率等值線圖基本吻合；ZK10鉆孔發(fā)現(xiàn)多處位于不同深度的小溶洞，溶洞分布較為細碎、不完整，而電磁波吸收率圖顯示出兩處完整溶洞，編號2(4)和3(5)，二者結果相差較大，但可考慮將鉆孔同深度范圍的小溶洞合并成一個，吻合程度可視為一般；由圖4可看出，ZK11溶洞發(fā)育范圍多且大，鉆孔揭示的溶洞主要發(fā)育在深度260～300m范圍，溶洞延伸至ZK10，與電磁波等值線圖相比，溶洞數(shù)量少了9號區(qū)域，二者吻合程度較高；由圖5看，ZK11溶洞少且小，但鉆孔顯示有個大溶洞，從260m深度一直延伸到300m深度，為此推測異常區(qū)域10和12可能為同一溶洞，連通成圖中紅色區(qū)域，與鉆孔吻合程度較大；分析圖6中異常區(qū)域13，與鉆孔246～253m深度的溶洞形狀基本一致，標高相同，二者吻合程度高；ZK3中異常區(qū)域15～17，在鉆孔里均無對應溶洞，可推測這3處異常區(qū)域可能并非溶洞,而是節(jié)理裂隙發(fā)育地帶，總體而言二者吻合度差。以上對比結果如表1所示。

由以上分析可知，電磁波技術和鉆探技術均能揭示地層中溶洞的發(fā)育，但由于人為判定的誤差，二者探測結果并非完全一致。鉆探存在孔間探測盲區(qū)，若結合電磁波CT技術可以更好地揭示溶洞發(fā)育的位置、形狀和程度。根據電磁波吸收率等值線圖繪制250m高程電磁波吸收率等值線平面圖(圖7)，圖中紅色虛線區(qū)域電磁波吸收系數(shù)相對周圍介質有明顯提高，推測為巖溶連通區(qū)域。從圖中可以看出紅色虛線區(qū)域較大，該區(qū)域巖溶連通性較好，推測為連通型巖溶。

表1 電磁波CT與鉆探結果對比表

圖7 250m高程電磁波吸收率等值線平面圖

4 結論

綜上分析，由于本次設計橋梁上部荷載較大，承臺內溶洞為連通性溶洞，零星分布支撐體，因此提出，樁基施工應穿越溶洞進入下部微風化花崗閃長巖一定深度的結論性建議。此外，還得出以下幾個結論：

(1)電磁波CT技術在探測溶洞、破碎帶和節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)等的大小、形狀和空間分布具有圖像直觀、信息豐富等優(yōu)點；

(2)電磁波CT探測結果與地質鉆孔結果基本一致，比地質鉆孔探測面更廣，可作為地質鉆孔孔間盲區(qū)的補充；

(3)溶洞或節(jié)理裂隙發(fā)育帶電磁波吸收率一般大于0.4dB/m，但吸收率高的區(qū)域不一定就是溶洞，需結合多種手段進行判定。