电磁波CT技术在桥墩溶洞探测中的应用研究

林伟雄

(福建省建研工程顾问有限公司 福建福州 350100)

0 引言

龙岩市属于福建省岩溶发育地区[1]，溶洞地质灾害严重威胁地下隐蔽工程的施工安全[2]。电磁波CT方法近年来广泛应用于地下岩溶勘察且成效良好，其中不乏对于矿产溶洞位置的探测[3]、管道基底溶洞分布延伸探测[4]、既有建筑持力层溶洞探测[5]、地铁隧道的孤石探测[6]以及溶洞治理结果的探测[7]。在前人的探测和研究分析中，都为实际工程提供了准确度较高的探测结果。

本文研究的龙岩某大桥主桥区域岩溶强烈发育，导致桩基施工异常困难，严重影响工期。基此，在前人研究的基础上，以电磁波CT技术和钻探相结合的方式，对岩溶分布位置、大小和联通情况进行相互验证，以更好地拟合溶洞空间形态和指导主桥墩台桩基的桩长以及桩径的优化工作。

1 工程概况

现场CT剖面布置如图1所示，图中ZKi为CT电磁波钻孔，连线为电磁波CT剖面线，余下部分为主桥墩承台位置。

图1 CT剖面布置示意图

主桥墩位置及其周边，采用方格网布置CT电磁波钻孔，其工序一先利用钻探机械对ZK1～ZK14钻孔进行逐一成孔，其次对所有的14个钻孔进行两两配对电磁波CT探测。本次勘查共计布设剖面数44对，发射孔、接收孔起止深度均为40～90m，发射及接受点距为1m，以查明主桥墩向周边辐射半径约50m范围内的溶洞发育情况，包括溶腔横纵的发育情况、形状大小以及溶洞内是否存在支撑体情况等。

2 电磁波CT法工作原理

电磁波CT法是利用无线电波在两个钻孔中分别发射和接收，如图2所示。根据不同位置上接收的场强大小，确定地下不同介质分布的一种地下地球物理测试方法。

图2 电磁波CT技术原理示意图

式(1)为电磁波CT法中的场强观测值公式：

(1)

(2)

式(1)表明γ将E0衰减到E，其中介电常数εr、介质电阻率σ、电磁波频率f以及磁导率μr决定了吸收系数β。当介质的相对磁导率μr一定时，吸收系数β主要与介质电阻率ρ有关。介质电阻率越低，吸收系数就越大，即介质稀疏。由此可见，通过吸收系数可判断岩体的电阻率特征。

由于大多数岩石的相对磁导率对衰减系数影响很小，影响衰减系数大小的主要因素，是工作频率，相对介电常数与介质的电导率。当围岩与目标地质体(如溶洞、不同岩性的土洞等)的相对介电常数相差较大时，它们之间的衰减系数就会有明显的区别，由此便可以利用电磁波衰减系数层析成像技术来探测溶洞。

3 电磁波CT图像解译

对现场所采集的数据进行资料预处理，经电磁波CT反演软件处理，形成解释图件，最终根据解释图件对电性异常带进行地质解释。电磁波资料的处理，采用计算机层析成像技术进行孔间电磁波吸收系数的成像。经反演计算电磁波图可得到视吸收系数彩色β值分布，图中采用β值等值线予以表示。等值线间区域颜色由灰度、色谱等图示方法加以表示。β值越小，介质对电磁波的吸收越小，介质的性状越好。β值越大，介质对电磁波的吸收越大，介质的性状越差。

本次探测的目标体为溶洞，根据电磁波吸收率等值线图，推断异常体的存在与否，岩溶发育在电磁波吸收率等值线图大多呈高吸收率闭合圈。

选取ZK5-10-11-12-3勘探线进行分析。图3～图6为该勘探线上的钻孔剖面电磁波吸收率等值线图及其对应的钻孔剖面地层分布图，等值线图中圈出来的闭合区域为异常区域，数字为异常编号。

图3 ZK10-ZK05剖面

图4 ZK11-ZK10剖面

图5 ZK11-12剖面

图6 ZK12-ZK03剖面

由图3～图6可看出，各钻孔电磁波吸收率分布特征为：ZK5在276～288m深度范围内吸收率略有增大，即闭合区域1，吸收率为0.1～0.4dB/m。图3中，ZK10在264～271m和285～288m深度范围内吸收率增大至0.1～0.4dB/m，即闭合区域2、3；图4中，同为ZK10钻孔的271～274m和281～284m深度范围内，β值为0.5～0.6dB/m，异常区域编号为4、5。由此可知，钻孔10在不同勘探方向电磁波吸收系数β存在差异。图4中，ZK11吸收率多处存在变化，在深度236～249m、253～264m和268～283m深度范围内吸收率最大，处于0.5～1.0dB/m范围。图5中，ZK11仅在255～272m深度范围内存在异常，吸收率在0.4～0.6dB/m范围，再次证明同一钻孔不同勘探方向电磁波吸收率存在差异。图5中，ZK12在244～251m深度范围内吸收率0.5～0.6dB/m，与图6中ZK12不仅异常区域深度一致，且吸收率相同，可知编号12和编号13为同一异常区域。ZK3在250～259m、269～283m深度范围内吸收率为0.5～0.6dB/m。

对照钻孔剖面图，ZK5钻孔揭示在275～282m深度范围存在小溶洞，溶洞位于微风化石灰岩地层，与电磁波吸收率等值线图基本吻合；ZK10钻孔发现多处位于不同深度的小溶洞，溶洞分布较为细碎、不完整，而电磁波吸收率图显示出两处完整溶洞，编号2(4)和3(5)，二者结果相差较大，但可考虑将钻孔同深度范围的小溶洞合并成一个，吻合程度可视为一般；由图4可看出，ZK11溶洞发育范围多且大，钻孔揭示的溶洞主要发育在深度260～300m范围，溶洞延伸至ZK10，与电磁波等值线图相比，溶洞数量少了9号区域，二者吻合程度较高；由图5看，ZK11溶洞少且小，但钻孔显示有个大溶洞，从260m深度一直延伸到300m深度，为此推测异常区域10和12可能为同一溶洞，连通成图中红色区域，与钻孔吻合程度较大；分析图6中异常区域13，与钻孔246～253m深度的溶洞形状基本一致，标高相同，二者吻合程度高；ZK3中异常区域15～17，在钻孔里均无对应溶洞，可推测这3处异常区域可能并非溶洞,而是节理裂隙发育地带，总体而言二者吻合度差。以上对比结果如表1所示。

由以上分析可知，电磁波技术和钻探技术均能揭示地层中溶洞的发育，但由于人为判定的误差，二者探测结果并非完全一致。钻探存在孔间探测盲区，若结合电磁波CT技术可以更好地揭示溶洞发育的位置、形状和程度。根据电磁波吸收率等值线图绘制250m高程电磁波吸收率等值线平面图(图7)，图中红色虚线区域电磁波吸收系数相对周围介质有明显提高，推测为岩溶连通区域。从图中可以看出红色虚线区域较大，该区域岩溶连通性较好，推测为连通型岩溶。

表1 电磁波CT与钻探结果对比表

图7 250m高程电磁波吸收率等值线平面图

4 结论

综上分析，由于本次设计桥梁上部荷载较大，承台内溶洞为连通性溶洞，零星分布支撑体，因此提出，桩基施工应穿越溶洞进入下部微风化花岗闪长岩一定深度的结论性建议。此外，还得出以下几个结论：

(1)电磁波CT技术在探测溶洞、破碎带和节理裂隙发育区等的大小、形状和空间分布具有图像直观、信息丰富等优点；

(2)电磁波CT探测结果与地质钻孔结果基本一致，比地质钻孔探测面更广，可作为地质钻孔孔间盲区的补充；

(3)溶洞或节理裂隙发育带电磁波吸收率一般大于0.4dB/m，但吸收率高的区域不一定就是溶洞，需结合多种手段进行判定。