综合物探方法在岩溶探测中的运用分析

刘志亮，田江环，张诏飞

(廊坊市中铁物探勘察有限公司，河北 廊坊 065000)

岩溶发育区在我国广泛分布，灰岩等相关可溶岩长期受地表水和地下水的溶蚀作用，形成各种类型的岩溶或破碎带，极大的威胁着施工安全。在岩溶区进行工程勘察需要查明对建筑物场地及地基有影响的岩溶发育规律及其空间展布情况，为以后的设计、施工提供基础资料。

本文基于工程实际，运用高密度电法、电磁波跨孔CT、弹性波跨孔CT等多种方法对岩溶发育的隧道进行了勘探，结合钻探资料对各方法的装置类型和效果进行了一定的对比分析。

1 方法原理

1.1 高密度电法

高密度电法是一种阵列式的勘探方法，以不同介质导电性差异为基础，通过研究人工电流场作用下地下传导电流的分布规律。现场探测只需将全部电极置于观测剖面各测点上，利用电极转换装置和高密度设备就可实现数据的快速、自动采集。高密度电法工作系统如图1所示。

图1 野外工作布置示意图

1.2 电磁波CT法

通过探测不同地质体对电磁波的吸收强弱差异来确定地下介质的分布情况。较完整、完整的围岩等中高阻的介质对电磁波的能量吸收较小，而溶洞(槽)和土层对电磁波能量吸收较强，当溶洞(槽)和土层位于接收机和发射机中间时，呈现出吸收型的阴影异常(吸收系数为高值)。依据阴影异常(吸收系数高值)利用计算机处理成图，确定溶洞(槽)和土层空间位置。电磁波CT野外工作系统如图2所示。

图2 电磁波CT野外工作系统

1.3 弹性波CT法

根据孔间弹性波走时长短或衰减大小构成地震CT图像，反映各类岩土体的分布界限及岩体的破碎程度。弹性波CT在两个钻孔之间开展，以其中一个钻孔作为发射孔，在发射孔中按照一定的间距发射高频的弹性波，而另一个钻孔作为接收孔，接收孔中以一定的间距接收弹性波，根据发射孔中每个发射点，接收孔中全孔接收，应用交叉网状射线来穿透两孔间的岩土，根据拾取到得到的各发射点至每个接收点的弹性波走时、幅度，进行数据计算，反演出两个钻孔间的波速图像。弹性波CT野外工作系统如图3所示。

图3 弹性波波CT野外工作系统

2 工程案例分析

2.1 地质及地球物理特征

目的任务：查明铁路隧道上溶洞发育范围、规模、形态；查明下伏基岩完整性。

地质概况：表层主要为第四系粉质粘土、细圆砾土，下伏奥陶系灰岩，溶洞发育。

地球物理特征：溶洞具有相对低电阻率，高电磁吸收系数，低纵波速度。详见表1。

表1 岩洞地球物理特征

2.2 方法布置

本次探测在铁路隧道线路布置高密度电法测线1条，布置CT剖面7个，选择成孔条件较好的孔作为激发孔，根据道数和道间距，每剖面分两排列进行电磁波CT和弹性波CT探测。物探布置图具体见图4。

图4 物探布置平面图

2.3 探测成果分析

(1)沿铁路线路布置高密度测线，温纳装置，5 m电极距，水平距离600 m。高密度电法剖面面所示，图中有2处低阻异常。推断断层1处，溶洞1处。其中断层小里程为片岩，大里程为灰岩。

(2)其中2-8-4跨孔CT剖面：8号孔标高范围478.1～485.5 m段，衰减率△=0.28～0.35，纵波速度Vp=1 000～1 600 m/s，结合钻孔资料分析为岩溶，平均厚度在5.6 m。两孔间溶洞贯通状态为：从8号向2号方向延伸8.1m左右封闭，从8号向4号方向延伸6.8 m左右封闭。下伏基岩埋深大，衰减率较小，岩体破碎～较破碎。

经过钻孔ZK8号孔揭露23.4～31.7 m深度范围内为溶洞，底部填充部分为粉质黏土，与高密度电法和电磁波CT、弹性波CT异常范围基本吻合。

高密度电法剖面见图5，跨孔CT剖面见图6。

图5 高密度电法剖面图

图6 跨孔CT剖面图

3 方法分析

通过不同物探方法和参数试验，经钻孔揭露验证，得出以下各方法的优缺点及运用的条件，见表2。

表2 三种物探方法的优缺点对比

4 结语

(1)通过应用高密度电法、跨孔弹性波CT和跨孔电磁波进行探测成像，能够基本查明线路所处围岩的工程地质结构，并在此基础上圈定重点溶洞范围和形态发育。

(2)在岩溶发育地区进行工程勘察，依据地面物探布置钻孔进行验证后，合理布置跨孔CT工作，结合地质资料分析跨孔CT测试成果，可以弥补工程钻探的局限性，能够较为准确的探测具有一定规模的未知的溶洞、破碎带。

(3)在铁路、公路等线路勘察过程中对应不同类型的岩溶，需要研究不同物探方法施工参数、数据处理参数的选择，建立不同地区岩溶的地球物理模型，针对不同岩溶类型得到最优的探测方法和参数。