武汉轨道交通岩溶探测技术应用研究

杜惠光

(长江地球物理探测(武汉)有限公司，湖北 武汉 430010)

在国家大力发展公共交通战略的引导下，我国城市轨道交通工程建设已迈入快速发展期。很多城市的轨道交通工程基础都不可避免地会建设在岩溶发育的灰岩区，如不查明岩溶的发育及其分布情况，必会成为工程安全的重大隐患。

目前，国内多个城市交通建设项目中针对岩溶探测进行了多种物探方法的尝试，其中，杭州西湖周边岩溶区选取高密度电法为基本勘察方法；大连地铁2号线选取高密度电法、地质雷达、超高密度跨孔电阻率CT进行岩溶综合探测；广州市金沙洲使用综合物探方法为城市岩溶处理提供依据。武汉市近年来也开始了大规模的城市轨道交通建设，已建和在建的多条地铁线路均不同程度存在岩溶问题。需要针对武汉地区地质条件选取一套快速、经济、有效的岩溶探测技术方法体系，为武汉市轨道交通建设保驾护航。

1 地质条件及探测要求

武汉市总体的地形为北高南低，以丘陵和平原相间的波状起伏地形为主，中南部以长江和汉水冲积平原为主，地形平坦开阔，总体地貌形态由剥蚀堆积垄岗区过渡为冲洪积区，地面标高一般在21.6～26.8m。武汉地区第四系一般为：杂填土、黏性土、粉细砂、中粗砂；碳酸盐基本为厚层第四系地层所覆盖，部分为岩层所掩埋，为覆盖型和埋藏型岩溶区。在平面上自北向南分布有6条走向NWW-SEE的可溶岩条带，分别为天兴洲条带、大桥条带、白沙洲条带、沌口条带、军山条带和汉南条带，宽度为1.3～2.8km不等。三叠系灰岩一般构成向斜、背斜的核部，石炭系和二叠系灰岩构成褶皱的翼部，其间分布有二叠系上统非可溶岩。岩溶发育类型主要有溶隙和溶洞，发育方向和强度受层面和构造控制，多沿陡立层面垂向呈溶隙形态发育，水平向连续性较差。总体属岩溶弱-中等发育。

武汉市轨道建设重点关注建筑物结构底板以下10m范围内溶洞的空间分布规律，并结合探测溶洞的发育情况，评价其对地铁工程的影响，为地铁设计与施工提供可靠地质资料。

2 岩溶探测特点及方法比选

2.1 岩溶探测特点

地下介质(岩石或土)与不良地质体(岩溶或土洞)的结构、成分及其组合形式的不同，决定了不同地质对象间存在物性差异，包括弹性波参数、电阻率、电磁参数、密度参数的差异，为物探技术的应用提供了地球物理前提；但城市环境中探测溶洞易受到强干扰，要求探测方法、探测设备、数据处理方法具备较强的抗噪能力；同时，武汉岩溶分布多为埋藏型岩溶，位于土岩结合面或之下，决定了与高速、高阻背景下的岩溶探测有所不同。土岩结合部的低阻、低速特性或者强烈的物性差异对有些探测信号是一个阻隔体，导致有效信号难以到达目标体。

2.2 方法原理

针对武汉市地质条件，在分析武汉地区轨道交通岩溶探测要求及特点的基础上，选取了多种有效探测岩溶的物探方法进行了比选研究。其中，比选方法包括：高密度电法、弹性波CT法、电磁波CT法等。

2.2.1 高密度电法

高密度电法即高密度电阻率法，实际上是一种阵列式电法勘探方法，是指通过电极阵列排列方式来观测人工建立的地下稳定电流场的分布规律，进而可以实现目标体探测的一种电阻率法。野外测量时，只需将全部电极(几十至上百根)置于测点上，然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现数据的快速和自动采集。当将测量结果送入微机后，还可对数据进行实时处理并给出关于地电断面分布的各种图示结果。其工作原理示意如图1所示。

图1 高密度电阻率法工作原理示意图

2.2.2 弹性波CT法和电磁波CT法

层析成像选用了电磁波CT和弹性波CT，层析成像的理论基础——Radon变换。弹性波CT的Radon变换式为：

式中，R—发射点到接收点间的路径；x—为探测区域介质的慢度(速度的倒数)；t—测得走时。

网格化后可建立如下反演控制方程：

[D][X]=[T]

式中，D—M×N阶矩阵；M—观测次数；N—网格个数；D的元素dij是第i次观测中传播路径被第j个网格截得的距离，i=1，2，…，M，j=1，2，…，N；X—N维列向量，其元素xj是第j个网格中的慢度；T—M维列向量，其元素为ti是第i次观测走时。电磁波层析成像原理类似，不同的是接收的电磁波场强幅值。其工作原理示意如图2所示。

图2 弹性波CT法和电磁波CT法工作原理示意图

2.3 方法比选

为了验证各种方法在武汉城市轨道交通地区探测岩溶的适应性，在现场选取了溶洞较发育的区域，开展了方法比选试验工作。

2.3.1 高密度电法

高密度电法现场试验电极距设置为5m，共60个电极，测线长度共计295m，探测成果如图3所示，高密度电法在野外数据采集中受城市游离电流干扰较大，虽然采取了措施，但是数值中畸变点相对较多。数据经过分析后基本可以确定基岩埋深界面，但是由于覆盖层和土岩结合部的溶洞均为低阻反应，后经过验证判断基岩面比实际要深，大型溶洞反应明显，小型溶洞无反应。

图3 WT1-WT2′线高密度电法成果图

2.3.2 弹性波CT法

弹性波CT法现场试验数据采集采用全扫描观测系统，点距设置为1m，仪器采用R24地震仪、串检波器和大功率电火花震源，探测成果如图4所示，弹性波CT在数据采集中受到的各种震动干扰较大，需要选择车流量小的时间段进行数据采集，而且弹性波传播需要水作为传播介质，干孔中难以实施。

图4 HQ05K-1～HQ06K-1线弹性波CT成果图

2.3.3 电磁波CT法

电磁波CT法现场试验数据采集同样采用全扫描观测系统，点距设置为1m，仪器采用JW-5大功率电磁波仪，探测成果如图5所示，电磁波CT数据采集过程中遇到的主要干扰源是高压电线及电磁波的绕射，前者影响的主要是浅部覆盖层的数据，可在后期解释中排除，后者则采用钢套管支桶避免绕射，并且电磁波CT探测成果细部特质不如弹性波CT，但是对地下介质分布也有较好的反映。

图5 HQ05K-1～HQ06K-1线电磁波CT成果图

2.4 综合分析

通过现场试验以及探测结果的对比分析(见表1)，得到以下结论：

(1)井中方法(弹性波CT法、电磁波CT法)在探测岩溶抗噪性与分辨率上优于地面方法(高密度电法)，在城市环境中地下方法信号干扰较地面干扰小。

(2)地面方法(高密度电法)为了达到目标探测深度(30～50m)，通常需布设测线长度超过200m，且电极与水泥地面耦合存在一定的限制性。

(3)井中方法探测岩溶效果，弹性波CT法在细部特质比电磁波CT法稍好，但需要在地下水位较高地段进行探测。

表1 各方法特征分析表

综合考虑方法的有效性、经济性和可靠性，最终选择采用电磁波CT法作为主要物探手段进行岩溶探测，重点部位采取钻孔电视录像进行验证的探测方案。

3 应用实例

3.1 工作布置

以武汉市轨道交通阳逻线(21号线)工程岩溶专项勘察为例。按规程、规范要求，采用钻探与物探相互结合的综合手段对场区岩溶发育特点进行分析，重点探查建筑物结构底板以下10m范围内溶洞的空间分布规律，并结合探测土洞的发育情况，评价其对地铁工程的影响，为地铁设计与施工提供可靠地质资料。

由于采用的是钻探与物探相互结合的综合手段，在钻孔位置布设时充分考虑了地铁线路特点、施工方法、场地复杂程度，勘探钻孔分别沿地铁隧道左、右线外侧和两线隧道中间交错布置勘探孔，成网格状(如图6所示)。原则上要求左右线外侧孔位距隧道边线外侧3～5m，所有钻孔间距控制在15～20m。要求钻孔至少进入灰岩深度不小于25m，在此范围内遇溶洞时，应再深入溶洞底板以下1倍洞径的深度，且不小于6m，使之形成有效的背景场。对跨越隧洞的相邻钻孔均进行层析成像(电磁波CT)，形成“三纵两折”CT剖面线，探查岩溶地层中溶洞或土洞发育情况。数据采集采用全扫描观测系统。

图6 钻孔布置图

3.2 成果与解译

资料分析工作首先是将电磁波CT图像与地质剖面合二为一，形成电磁波CT地质剖面成果图(如图7)；遵循“视吸收系数愈小、岩体性状愈好，反之愈差”的规律，对成果图电磁波CT视吸收系数图像的解释、分析要做到解释结论与测区总的规律相统一，定量解释与定性解释相统一，物性解释与客观地质规律相统一。综合试验及本项目资料处理结果确定电磁波CT地质剖面视吸收系数异常。异常划分的原则为：(1)在较完整岩体里，视吸收系数异常原则上大于等于0.4Nper/m；可能发育无充填或充填较少岩溶的地层，视吸收系数异常降至0.3Nper/m。(2)在岩体较差或土岩结合部视吸收系数比背景值大0.3～0.4Nper/m。(3)大体上以视吸收系数值0.4Nper/m为界划分基岩较完整分界线，对泥质灰岩、泥质条带灰岩等含泥量增加岩层而导致电磁波无法穿透的区域未划分基岩较完整分界线，以此规律结合岩性等地质条件对CT剖面进行异常分析。

CT剖面视吸收系数异常分类，结合具体的地质、钻孔资料，分为：土岩结合部、溶沟、溶槽，

溶洞、溶蚀，岩体完整性较差，岩性变化4个类别。

结合工程需要重点对基岩面及以下高程CT图像及主要异常从如下三个方面进行解释。第一，电磁波CT剖面特征，CT剖面图像一般呈上部吸收较强，下部吸收较弱的规律；剖面上部吸收较强区大体上与较完整岩体分界线以上的覆盖层及土岩结合部对应，下部吸收较弱区与较完整岩体分界线以下的较完整岩体对应。部分区段因泥质灰岩、泥质条带灰岩对电磁波的强吸收等因素而未穿透，呈现整体吸收较强的特征。第二，较完整岩体分界线，根据CT成像地质剖面图物性特征，划分出一条较完整岩体分界线，总体随着基岩顶板埋深起伏而相应变化，与地质上划分的覆盖层与基岩分界线高程偏低0～7.8m，客观反映了土岩结合部位溶蚀现象较发育。第三，覆盖层以下异常分布特点，从发现的大量视吸收异常中分析，在纵向上桩号14+915～CK15+015段、桩号17+110～CK17+153段存在较大溶洞溶蚀发育区；在垂向上，总体上浅部溶蚀发育强度强于深部；从视吸收异常属性来分，其中土岩结合部异常、溶沟、溶槽占比24.7%，溶洞、溶蚀占比44.4%，岩体完整性较差占比14.5%，岩性变化占比16.4%。

为便于异常位置的确定，将电磁波剖面CT图像中基岩界面及以下主要视吸收系数异常进行水平面投影，并对不同剖面上的相邻异常进行适当的合并及外延(将纵剖面异常投影到水平面上，同类型异常依据水平、纵向位置的临近性进行合并)，主要视吸收系数异常平面投影位置与CT剖面平面布置图合二为一。

3.3 成果验证

本勘探区地质条件复杂，物探中间成果资料解释完毕后，首先根据已有钻孔揭露的溶洞、岩性变化等地质原因引起的物探异常进行符合性统计，即所谓的物探事前符合性钻孔验证。本次工作发现的440个视吸收异常有132个与已有钻孔揭露的吻合，余下308个异常位于钻孔之间，另本次共完成事后符合性验证孔23个，目的是检验物探资料的准确性。其中物探异常的验证钻孔19个，验证异常20个，物探异常推断，溶洞溶蚀13个，岩体完整性差2个，岩性变化3个，土岩结合部、溶槽2个；另基岩未圈定物探异常的验证钻孔4个。验证结果如下：

图7 电磁波CT剖面成果示意图

图8 YZK-3039物探异常(a)及钻孔揭露(b)示意图

(1)物探异常验证，20个物探异常与钻孔揭示的地质情况吻合或基本吻合。在发现异常的钻孔相应部位都能找到对应的地质-物性差异，为四类异常中的某一类或几类的综合反映。

(2)物探异常推断解释结果验证，20个物探异常的推断解释与钻孔揭示吻合或基本吻合的14个，不吻合的6个。其中：13个推断为“溶洞、溶蚀”物探异常验证吻合或基本吻合有7个(如图8)，其余6个验证结果为5个岩体完整性较差，1个土岩结合面；从工程地质角度上讲，以上6个与推断不吻合的异常均为不良地质体，也是工程关注的重要对象；推断的2个“土岩结合部、溶沟、溶槽”、2个“岩体完整性较差”、3个“岩性变化”与验证结果一致。

(3)“无异常”情况验证，全部吻合。4个基岩未圈定异常的验证钻孔，在基岩中未发现异常，与解释全部一致，且物探剖面划分的较完整基岩分界线与钻孔验证吻合。说明物探剖面未圈定异常的低吸收区岩体的完整性得到确认。

结合本次事后验证及事前已有钻孔揭露的情况发现，以桩号15+350～15+800为主的区段岩溶欠发育，造成的异常多为岩体完整性差或者性状改变。针对这个情况对部分解释做了相应修改。

图8(a)中3039号物探异常深32～35m推测为溶洞、溶蚀图8(b)钻孔揭露深32.5～34.8m为溶洞，填充软塑状黏土。

4 讨论

(1)通过大量的探测成果和钻孔验证，我们发现，尽管采用了大功率电火花及电磁波透视仪，但有些土岩结合部位的弹性波或者电磁波穿透信号仍然难以获取。缺失的数据造成精度下降是不得不接受的客观事实。

(2)采用电磁波CT方法，岩体含泥较重、土岩结合部、溶槽或岩体完整性较差这几种情况异常反应一致，难以分析其异常属性。

(3)岩溶探测问题本身也具有复杂性，岩溶充填形式的多样性(如空洞、充泥、半充填、充水)会有不同的物性差异，对异常解释造成一定的困难。

5 结论与展望

通过对武汉市地质条件、探测环境和要求的综合分析，进行了系统的物探方法比选试验工作，选择了有效的物探方法；同时，通过对钻孔布置和物探方法的实施和处理、数据分析进行系统化的研究，摸索出了一套快速、经济、有效的岩溶探测技术方法体系：

(1)在方法选择上，石炭、二叠系地层地下水位较高地段，以弹性波CT法为主，电磁波CT法为辅；三叠系地层地下水位较低地段，采用电磁波CT法；在重点部位采用钻孔电视录像。

(2)在数据处理与解释中，从电磁波CT剖面特征、较完整岩体分界线、覆盖层以下异常分布特点三个方面系统分析了岩溶发育情况，做到了全面系统的岩溶分析。

(3)物探事前符合性钻孔验证为数据处理与解释提供了已知信息；事后符合性钻孔验证验证了探测精度。两者均有效验证了CT方法在探测溶洞存在明显的优势。

同时，技术无止境，在很多方面仍需要进一步开展研究工作。如无充填溶洞是轨道交通岩溶探测的难点，需要开展相关的理论计算、模型试验研究，从而找出更有效的探测手段；目前武汉市轨道交通岩溶探测大量采用CT方法，需要较多勘探孔，成本高，且易受钻孔进度影响，发展经济、快速、有效的地面探测方法，是城市轨道交通岩溶探测面临的重要课题。

[1] 罗以达, 梁河, 高海发, 等. 城市岩溶地质调查及评价方法探讨—以浙江杭州市为例[J]. 中国地质, 2009, 36(05): 1187- 1193.

[2] 刘瑞琪. 城市岩溶区地铁隧道的溶洞超前探测及处治技术[J]. 石家庄铁道大学学报: 自然科学版, 2012, 25(02): 42- 46.

[3] 胡让全, 黄健民. 综合物探方法在广州市金沙洲岩溶地面塌陷、 地面沉降地质灾害调查中的应用[J]. 物探与化探, 2014(03): 610- 615.

[4] 罗小杰. 武汉地区碳酸盐岩“六带五型”划分与岩溶地质灾害防治[J]. 水利学报, 2014(02): 171- 179.

[5] 张三定, 马贵生, 罗小杰, 等. 武汉地铁岩溶问题研究方法[C]. 中国水利学会勘测专业委员会年会暨技术交流会, 2013.

[6] 袁忠明, 韦乙杰. 高密度电阻率法偶极装置在某道路工程岩溶探测中的应用[J]. 工程地球物理学报, 2015, 12(01): 72- 76.

[7] 牛建军, 杜立志, 谷成, 等. 岩溶探测中的弹性波CT方法[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2004, 34(04): 630- 633.

[8] 李勇峰, 利奕年, 徐光黎, 等. 弹性波层析成像技术在岩溶探测中的应用研究[J]. 人民长江, 2013, 44(09): 29- 31.

[9] 甘伏平, 李金铭, 黎华清, 等. 跨孔电磁波透视法在岩溶探测中的应用[J]. 物探与化探, 2006, 30(04): 303- 307.

[10] 吴有林, 陈贻祥, 聂士诚, 等. 跨孔电磁波透视法在荷叶塘高架桥岩溶探测中的应用[J]. 物探与化探, 2009, 33(01): 102- 104.

[11] 梁朝, 黄鹤尤. 孔间电磁波透视及CT扫描在岩溶区地质勘察中的应用[J]. 水利规划设计, 2010, 4(10): 25- 27.