跨孔电磁波层析成像探测技术在桥梁主墩基础岩溶勘察中的应用

廖 顺，冯坤伟，李法滨

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵阳 550009)

在地质勘察中，对地下地质情况的探知受到各种因素的制约。钻探只能单点探测，费用较高，且周期较长；其他地面物探手段，如电法、地震波法、地质雷达等易受到地表各种因素的干扰[1-3]。而跨孔电磁波层析成像利用钻孔深入地下进行探测，可获得丰富的信息，对地下地质情况有较为直观的展现。分析国内外对跨孔电磁波层析成像探测技术的研究，主要通过分析电磁波在介质中的传播时间或衰减值推测地层中的岩溶发育情况。目前，此项技术已基本成熟，广泛应用于交通、水利、建筑及矿产等领域中，取得了良好的效果[4-6]。

1 工程背景

场区地处贵州高原中部，属冲蚀、溶蚀河谷地貌，桥位处为“U”型河谷，主墩位置地形坡度较陡，覆盖层厚度较薄，基岩局部裸露，呈单斜构造。两岸地层产状稳定，局部有挠曲现象，无断层通过。桥位基岩为三叠系下统大冶组(T1d)石灰岩夹泥岩，产状295°∠11°。地下水的补给主要靠大气降水，主要为第四系松散层孔隙水、基岩裂隙水、盐酸盐岩岩溶水，其中，碳酸盐岩岩溶水赋存在两岸灰岩中，呈带状分布，常受溶蚀裂隙发育程度及含水层厚度控制。水质类型为盐酸盐钙质水，对岩体和钢筋混凝土结构物具有微腐蚀性。

由于测区内粘土、水、空洞等与石灰岩的相对介电常数有较大差别，当电磁波穿过地层时，其振幅及走时均会发生不同程度的变化，这为利用跨孔电磁波层析成像法对测区岩溶发育情况的探测提供了前提。

根据测区野外岩土体探测结果，其主要地球物理参数如表1所示。

表1 电磁波参数

2 工作原理、参数及判译

2.1 工作原理

跨孔电磁波层析成像法的工作原理：选取2个钻孔分别布置发射天线和接收天线，发射天线与接收天线预设采样间距。一般情况下，发射天线的移动间距在0.5 m～2.0 m之间；接收天线的采样区域以发射天线所在高程为中心，俯仰角在45°～60°内，采样间距在0.1 m～1.0 m之间，采样间距与分辨率成反比。完成仪器组装及软件设置等各项准备工作后，将发射与接收天线分别放入孔内预定位置，固定发射天线，将接收天线沿钻孔向上提升，每隔一定间距采集一次电磁波脉冲信号，完成预定长度后，将发射天线提至下一个测点，接收天线折返向下采集，如此往复，直至完成整个测区的扫描。通过2个天线的移动，多次激发接收，可得到若干条射线，形成测网，如图1所示。每条射线记录了电磁波振幅和走时等信息，它反映了沿射线方向岩石的平均物性参数。之后，通过对测区进行网格剖分，采用修饰共轭梯度法反演，即可得出测区内电磁波波速与衰减系数成果图。

图1 钻孔电磁波层析成像探测原理示意Fig.1 Schematic diagram of borehole electromagnetic wave tomography detection

在野外工作中，做好现场调绘并搜集详细的地质资料，详细记录现场实际情况。正式采集数据之前，须做好以下内容：1) 测试仪器，确保仪器正常稳定，数据真实可靠；2) 排除现场干扰；3) 由于电磁波在不同岩性地层中的速度与衰减情况差异较大，故需要在目标区域内挑选几组不同间距的钻孔进行试验，探明场区内电磁波的背景值，选择合适的孔间距，在保证数据质量的同时，尽可能地扩大探测范围，提高工作效率。

2.2 工作参数

本次探测采用瑞典生产的RAMAC/GPR钻孔雷达，设备使用MALAProEx系统，天线主频100 MHz。主要参数设置如下：

采样频率：1 018 MHz。

采样点：614。

频率步长：36 MHz。

时窗：602 ns。

发射点距：1 m。

接收点距：0.2 m。

发射天线与接收天线均以孔口位置为参考点，采用测距轮定位。测距轮较准参数：497.3。

2.3 数据判译

1) 数据处理

对野外采集的数据，通常采用以下7个步骤进行处理：1) 读入数据，使用Wintomo软件读入由RAMAC/GPR的GroundVision采集的数据；2) 建立坐标系，以2个钻孔在剖面上的相对关系建立二维坐标系，一般以发射孔的孔口位置为坐标原点，发射孔为Z轴，指向接收孔的方向矢量为X轴；3) 对数据进行带通滤波，滤波范围38 MHz～120 MHz；4) 读取每道直达波的初至时间，删除坏道；5) 设置网格单元尺寸，以定义反演范围和用于反演及解释的像元尺寸，它与分辨率成反比，本次设置的网格尺寸为2 m×2 m，插值网格为0.25 m×0.25 m；6) 数据反演，采用修饰共轭梯度法，同时需设置的参数有：阻尼因子，范围在0.1 N/(m/s)～5 N/(m/s)之间，波速区间38 mm/ns～120 mm/ns，衰减值区间0.1 dB/m～50 dB/m；7) 成图，通过以上步骤即可计算出成果图，并以surfer软件成等值线图的形式展示[7-10]。

2) 图像判译

电磁波在岩层中传播时，会受到地层岩性及岩体的风化裂隙发育程度、含水量、溶洞、空气等因素的影响，波速及衰减系数都会发生变化。在贵州境内的碳酸盐岩地层，岩溶含水量较高，或有粘土充填，电磁波经过此区域一般会呈现低波速、高吸收现象。基于这一特征，结合地调、地勘资料等综合分析，即可推断出测区的岩溶发育情况[11-15]。

3 工程应用

以贵州省贵安新区黔中大道市政主干道路上某特大桥的勘察为例，论述电磁波CT的应用效果。该特大桥为整幅桥，全长868.08 m，上部结构为：6×30 m简支变连续小箱梁+(100+180+100) m连续刚构+10×30 m简支变连续小箱梁，下部构造：桥台采用U型台接群桩基础，主桥桥墩采用双薄壁墩接群桩基础，引桥桥墩及过度墩采用薄壁墩接群桩基础。桥型示意及本文所用钻孔如图2所示。

图2 桥型及钻孔位置示意

本次探测区域位于桥梁左幅7#桥墩，经钻探揭示，地层中岩溶强发育。为查明岩溶的规模、走向及分布特征，特使用电磁波层析成像进行详细勘察。通过对多组钻孔进行比选，选择QK97和QK115、QK113和QK99两组钻孔进行跨孔电磁波层析成像，成果及地质判译如图3、图4所示。2组钻孔的孔间距均为12.7 m。探测钻孔与验证钻孔的参数如表2所示。

表2 钻孔参数

在QK97和QK115探测断面中，通过综合分析图3中地层岩体的波速与衰减系数分布特征，对比钻孔资料，发现3处异常区：1) 在QK97孔深-20.5 m～-37.2 m段，从QK97往QK115方向水平距离0.0 m～12.1 m区域电磁波呈高吸收、低波速现象，推测为半充填溶洞，洞内充填水，底部存在少量碎石土。溶洞从QK115往QK97方向呈现从浅部向深部发育的趋势，在QK97孔深-32.9 m～-37.2 m段与钻孔QK97相交；2) QK97孔深-43.7 m～-46.5 m段，从QK97往QK115方向水平距离 5.0 m～9.7 m段；3) QK97孔深-50.0 m～-52.0 m段，从QK97往QK115方向水平距离2.7 m～5.3 m两处区域电磁波呈高吸收、低波速现象，推测为溶蚀裂隙，可能存在溶洞。

在QK113和QK99探测断面中，通过综合分析图4中地层岩体的波速与衰减系数分布特征，对比钻孔资料，发现2处异常区：1) 在QK113孔深-26.3 m～-39.5 m段，从QK113往QK99方向水平距离3.2 m～12.7 m区域电磁波呈高吸收、低波速现象，推测为半充填溶洞，洞内充填水，底部存在少量碎石土。溶洞从QK113往QK99方向呈现从浅部向深部发育的趋势；2) QK113孔深-43.7 m～-46.9 m段，从QK113往QK99方向水平距离0.0 m～8.0 m区域电磁波呈高吸收、低波速现象，推测为溶蚀裂隙，可能存在溶洞。

(a) 波速 (b) 衰减系数 (c) 地质解译

图3 QK97和QK115跨孔电磁波层析成像成果及地质解译

Fig.3 Results of QK97 & QK115 cross-hole electromagnetic wave tomography and geological interpretation map

(a) 波速 (b) 衰减系数 (c) 地质解译

图4 QK113和QK99跨孔电磁波层析成像成果及地质解译

Fig.4 Results of QK113 & QK99 cross-hole electromagnetic wave tomography and geological interpretation map

根据层析成像成果，在2对跨孔电磁波层析成像剖面的交点位置布置了验证钻孔QK106，钻孔揭露显示，在QK106孔深-24.5 m～-32.6 m区域发现溶洞，溶洞呈空洞状态，底部充填0.7 m粘土。孔深-41.8 m～-43.6 m段岩芯呈碎块状，与QK97和QK115探测断面中，QK97孔深-43.7 m～-46.5 m段，从QK97往QK113方向水平距离5.0 m～9.7 m及QK113孔深43.7 m～46.9 m段，从QK113往QK99方向水平距离0.0 m～8.0 m区域2处异常位置基本一致。

根据本次跨孔电磁波层析成像探测成果，结合钻孔资料，测区范围内存在2处明显的岩溶，从高程上分为上下2部分，浅部区域的岩溶表现为半充填溶洞，高程在1 222.5 m～1 203.0 m之间，在空间上展现为QK113、QK115方向高，QK97、QK99方向低的分布特征；深部区域的岩溶表现为溶蚀裂隙，高程在1 199.2 m～1 191.2 m之间，呈水平方向发育，与岩层产状基本一致，故推断为溶蚀裂隙，为地下水的运移通道。

本次电磁波层析成像剖面图中的异常区域与钻孔QK97、QK106揭示的深度并不能完全吻合，分析原因主要有以下几点：

1) 地下岩溶与围岩之间的物性差异较小，无法分辨。

2) 电磁波行时间最短路线，与剖面方向可能不一致。

3) 存在分辨率不够的问题，可采用加密测点，增加测网密度或选用不同角度的钻孔进行多方位的探测。

4) 反演算法存在差异，不同的数据成像方法侧重点不同，效果差异较大。

4 结束语

1) 地质勘察应结合地调、测绘、物探及钻孔等多种手段综合进行。在工程实践中，先采用地调、测绘及物探等方法查明场区的岩土界面及岩溶的规模及发育规律，后采用钻探详细查明岩溶的位置及分布情况，对如特大桥一类特殊结构工程的地基基础，此时可采用钻探加孔内物探的组合方式，精确定位岩溶的空间分布情况。

2) 电磁波层析成像探测适宜的前提是目标体与围岩之间要有明显的速度与吸收系数差异，才能明显分辨界线。相比于完整灰岩区，电磁波在岩溶区的速度明显降低，吸收系数显著增高，这是由于岩溶区内存在水和充填物，电磁波在基岩与水、充填物中的速度与吸收系数差异较大，因此，该法适用于探测岩溶分布。

3) 波速与衰减系数作为电磁波在介质中传播的2种特性，所测数据是相对值，不同工区要结合实际情况具体分析，才能得到真实可靠的信息。

4) 钻孔间距也是影响电磁波层析成像探测精度的重要因素，不同岩性的地层，电磁波透射能力不同，因此，要想获取理想的数据，孔间距的选择非常重要。

本次实践成果表明，该方法在复杂条件下的地质勘察中，能够弥补钻探探测范围狭小、耗时长、成本高等诸多局限，且能指引钻孔的布置，对局部地区岩溶的分布情况能较为直观地展示，既节约了成本，又提高了效率。