城市地铁岩溶隐患多孔电阻率联合成像技术研究*

欧元超，胡富彭，谭 磊，姜寒阳，陈兴海

(1.安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2.南京南大岩土工程技术有限公司，江苏 南京 210000；3.浙江省水利河口研究院(浙江省海洋规划设计研究院)，浙江 杭州 310020；4.安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

在我国南方城市地铁施工过程中，若未进行地质异常预报，经常遭遇岩溶等不良地质条件，引发突涌水(泥)、岩溶冒落等灾害，危及地表路基、建筑物及地下工程结构安全。因此，对地铁沿线隐伏溶洞等异常空间进行超前精准探测，是杜绝重大地质隐患、确保地铁隧道施工安全的重要工作[1]。目前，地球物理勘探技术测试速度快、施工成本低、探测精度高、对地无(微)损，是工程地质隐伏异常探测首选方法[2-3]。其中，在电法探测研究领域成果较显著[4-6]：郑智杰等[7]针对岩溶区复杂地形及地质条件，开展高密度电法物理实验及现场探测，掌握不同地形岩溶管道电性响应差异特征；欧元超等[8]通过构建室内水槽实验模型，探讨不同走向及埋深岩溶管道和溶洞，偏离探测断面过程中电性响应特征；孟凡松等[9]针对二维高密度电法探测溶洞异常空间形态不足，将多剖面二维数据做三维反演，实现地下空间结构立体可视化成像。当电法勘探应用于城市地质探查，通常采用跨孔电阻率CT测试方法：李术才等[10]为提高跨孔电阻率CT探测效果，构建3种典型异常地电模型，通过分析响应规律提出多种测试及解释方法；胡富彭等[11]通过改变孔距、电极距，构建不同充填介质溶洞地电模型，分析各模型跨孔电阻率CT地电响应特征及规律；刘征宇等[12]基于约束反演理论，将地质雷达获得的不完整目标体边界资料作为先验约束信息，融入跨孔电阻率CT反演方程，使溶洞异常边界识别效果得到显著提高。

三维跨孔电阻率CT测试能准确获取地质异常三维数据信息，但受勘探成本及道路车辆通行影响，真三维跨孔电性数据获取难度较大，因此，提出基于二维跨孔电阻率CT勘探数据的三维联合反演方法。本文基于跨孔电阻率CT反演理论，采用有限差分法和最小二乘法进行正演建模与反演计算，研究溶洞二维跨孔测量剖面空间位置及偏移距与电阻率响应变化规律；并进行三维联合反演成像及溶洞空间分布可视化效果对比，研究结果可为城市地铁隐伏地质灾害超前精准探测提供理论参考。

1 跨孔电阻率CT基本工作原理

1.1 工作原理

二维跨孔电阻率CT探测技术[13]主要包括以下2个步骤：在2个地面钻孔中布置一定数量工作电极，通过多芯电缆连接至地面仪器，两钻孔间电极形成孔间电极阵列；当进行数据采集时，对其中部分电极供电，剩余电极作为测量电极，采集测量电极电压及电流值；利用软件预处理得到的视电阻率值进行反演成像计算，最终得到两孔间电阻率分布。地铁施工过程中前方隐伏溶洞二维跨孔电阻率CT超前地质探测如图1所示。跨孔电阻率CT探测更接近地下目标体，且受外界干扰较小，测量结果可靠，是地铁施工探测隐伏地质异常常用方法。

图1 隐伏溶洞二维跨孔电阻率CT超前地质探测Fig.1 Schematic diagram for advanced geological detection of forward concealed karst caves by two-dimensional cross-hole resistivity CT

1.2 技术优势

跨孔电阻率CT探测深度与介质分辨能力优于常规地表电阻率勘探。跨孔电阻率CT将所有工作电极布设于钻孔中，避免接地电阻高、数据干扰大、影响车辆正常通行等问题。此外，跨孔电阻率CT测试技术施工成本相对较低，钻孔结构不受破坏且可重复利用。因此，利用跨孔电阻率CT法探测异常地质状况可行。

2 数值模拟

本文以城市地铁隐伏地质灾害(溶洞)二维跨孔电阻率CT超前探测为工程背景，构建多组投影位置及偏移距不同的溶洞地电模型，研究二维跨孔电阻率CT溶洞探测旁侧效应变化规律，并结合现场跨孔电阻率CT测试条件，合理设计数值模拟钻孔参数。

2.1 溶洞地电模型构建

基于AGI EarthImager 3D软件模拟平台[14]，构建4组剖面投影位置及偏移距不同的溶洞地电模型，编号A1～A4，溶洞模型为6 m×4.8 m×6 m的低阻(电阻率为25 Ω·m)长方体，围岩电阻率300 Ω·m。4组溶洞模型跨孔剖面投影位置如图2(a)所示。以A1组溶洞模型为例，A1-a至A1-j偏移过程立体示意如图2(b)所示。由图2(b)可知，A1-a空间坐标为(10,-15,0),由A1-a至A1-j模型每次偏移2 m，共偏移9次，偏移最远至A1-j，空间坐标为(10,-15,18)，A2～A4 3组溶洞模型偏移过程相同。

2.2 模拟结果分析

为直观分析二维跨孔电阻率CT受旁侧效应影响地电场响应变化规律。选取4组溶洞模型中心位置处一维纵向数据，如图3所示，a～j分别为4组溶洞模型10次偏移过程编号。4组溶洞模型中心处最小电阻率曲线如图4所示。

图2 溶洞模型空间分布及偏移过程示意Fig.2 Schematic diagram for spatial distribution and migration process of karst cave model

图3 低阻异常区一维纵向数据曲线Fig.3 One-dimensional Longitudinal data curve in low resistance abnormal region

由图3可知，随溶洞模型偏离跨孔剖面，各组数据呈现异常位置处电阻率逐渐增大、旁侧响应强度持续减弱的趋势，但异常区没有发生明显向上或向下偏移，因此，二维跨孔电阻率CT对隐伏地质异常埋深探测准确性较高。A1，A2组溶洞模型电阻率整体小于A3，A4组，尤其是溶洞距离跨孔探测剖面较近时，投影位置不同使电性响应强度存在较大差异。由图4可知，编号a～d段各组电阻率差异明显，A3，A4组模型电阻率整体高于A1，A2组模型；但随溶洞模型偏移距增大，电阻率逐上升趋势渐减小，当偏移至j时，电阻率趋于一致；随溶洞模型逐渐偏移跨孔剖面，电阻率值整体表现为前期缓慢(a～d)、中期迅速(d～h)、后期减缓并最终趋于稳定(h～j)的非线性增加趋势。由图3～4可知，溶洞模型二维跨孔电阻率CT探测旁侧响应有效范围约8 m。

图4 4组溶洞模型中心处最小电阻率Fig.4 Minimum resistivity at center of four groups of karst cave model

3 工程实例分析

3.1 工程概况及测试

以杭州至富阳城际铁路工程为背景，利用二维跨孔电阻率CT法探测线路内隐伏溶洞发育情况。前期勘察结果显示，工区内溶隙、溶洞等非常发育且相互连通，空间分布复杂，厚度为1.4～7.6 m，溶洞多被充填，充填物主要为含碎石粉质黏土、黏性土和水；部分钻孔漏浆严重或发生岩芯溶蚀，推测沿线内存在隐伏溶洞。为确保地铁隧道施工安全，需进一步探测溶洞等不良地质体空间位置及形态特征。

在地铁隧道上方已施工钻孔ZK3，ZK4，ZK5内，各布置1套电法大线，将测试孔ZK3，ZK4，ZK5每2个为1组，采用网络并行电法动态监测仪[15]采集二维跨孔电阻率CT数据，并进行三维联合反演成像。测试钻孔相对位置及钻孔岩性柱状图如图5～6所示。

3.2 探测结果分析

跨孔电阻率CT探测技术需借助已有钻孔资料数据与探测结果进行综合对比分析。由于钻孔ZK4，ZK5底部淤泥等异物阻塞，测试电缆不能完全置于孔底，反演结果仅展示浅地质体(探测深度0～37 m)二维跨孔电阻率CT数据。

图5 测试钻孔相对位置Fig.5 Relative position of testing borehole

图6 钻孔岩性Fig.6 Borehole lithology

二维跨孔电阻率探测剖面如图7所示。由图7可知，探测深度为0～15 m时，横向电阻率分布差异明显；ZK3与ZK4间电阻率整体偏高，由图6可知，该位置剖面含黏性土卵石层分布且厚度较大；探测深度为15～37 m时，存在3处明显相对低阻异常区，在ZK4与ZK5附近低阻区横向分布范围较大，疑似溶洞发育区，可能存在相互连通，如图7中4号区域所示；结合钻孔资料可知，区域1～3号相对低阻异常区存在溶洞发育，但探测结果无法预测其空间发育状态，极大限制二维跨孔电阻率CT在城市地铁超前地质精准探测方面应用效果。

图7 二维跨孔电阻率探测剖面Fig.7 Detection profile of 2D cross-hole resistivity

ZK3～ZK4跨孔三维联合反演溶洞空间形态主视图与俯视图如图8(a)～(b)所示。对比图7可知，随钻孔位置向剖面中心靠近，岩溶区1、2电阻率没有明显增大，根据旁侧效应推测岩溶区1、2距离剖面较近，该结果与与图8(a)溶洞空间展布结果一致。由图8(b)可知，距钻孔ZK3、ZK4剖面约10～30 m处有溶洞3发育，但图7该位置处并未出现，说明该组剖面原始二维跨孔数据并未探测到溶洞3，探测距离超出二维跨孔电法旁侧效应有效影响范围。

图8 跨孔ZK3～ZK5三维联合反演溶洞空间发育形态主视图与俯视图Fig.8 Front view and top view for development morphology of karst cave space through three-dimensional combined inversion of cross-hole ZK3～ZK5

钻孔ZK4～ZK5三维联合反演溶洞空间形态主视图和俯视图如图8(c)～(d)所示。图8(c)相对低阻区4电阻率介于溶洞与围岩土体之间，图8(d)同样位置处为溶洞通道且连通溶洞2和3，距离ZK4～ZK5跨孔剖面约4 m，说明二维跨孔电阻率剖面能够显示异常区，但无法准确圈定溶洞空间展布形态，三维联合反演立体分布图，能较好展示溶洞空间形态，有效解决上述问题。

跨孔ZK5～ZK3三维联合反演溶洞空间形态主视图和俯视图如图8(e)～(f)所示。由图7 ZK5～ZK3段探测结果可知，跨孔剖面外侧存在溶洞2，但因其距离剖面较远，在图8中没有显示；溶洞1和3分别位于钻孔ZK3和ZK5附近，因距离钻孔较近，在图8立体图中比较容易识别。

综上，多孔三维电阻率联合成像能够直观展示隐伏溶洞等不良地质体空间发育及相互连通情况，可为地质隐患有效探测及治理提供理论参考。

4 结论

1)数值模拟结果显示，溶洞模型距二维跨孔探测剖面较近时，因投影至剖面位置不同，导致探测效果差异较大；但随溶洞模型偏移距持续增加，差异逐渐减小并最终趋于一致。

2)旁侧响应变化规律受溶洞偏移距影响，电阻率整体表现为前期缓慢、中期迅速、后期减缓并最终趋于稳定的非线性上升趋势，溶洞模型旁侧效应影响范围约8 m。

3)通过将二维跨孔电阻率数据体进行多孔三维联合反演成像，精确展示溶洞空间发育形态，为二维跨孔电阻率CT方法在城市地铁超前地质灾害精准探测、成像及解释方面的应用提供可靠依据。