岩溶建设场地勘察技术综合应用

【摘要】岩溶对建设工程的不良作用主要为：①基岩（碳酸盐岩）面起伏大，加之溶沟（槽）发育，覆盖（土）层厚度变幅大，土质地基压缩变形不均;②溶洞、土洞隐蔽性强，形态多样，展布不规律，其变形、顶板塌陷致使地基失稳;③岩溶水埋藏情况复杂，含水层和裂隙通道分布无序，地下水位常不统一，动水压力随降水补给而变化，无压水和承压水可交替出现，水量可骤变，涌水事故危害基坑施工及地下建筑安全。本文阐述在岩溶建设场地如何根据各类介质的物理性质差异，使用钻探、地质雷达、高密度电法相综合的勘察方法对土岩界面、洞穴、地下水的位置或空间范围进行探测、解释、验证，为基础设计排除隐患，为地基处理提供依据。

【关键词】岩溶勘察;地质雷达;高密度电法

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.19.093

为避免岩溶不良作用，工程勘察应根据建筑物布局、基础型式、荷载传递扩散情况、基坑施工安全等因素，明确地下隐患的排查范围以及重点排查的地质构造部位，并为此选择有效的识别手段，查明岩溶发育特征及其对工程的影响。钻探法可在具体点位竖直取芯鉴别、量测水位，并观测钻头遇溶洞溶隙跌落时的深度、幅度，在揭露岩溶现象时能准确反映孔位处地下水埋深、洞穴在垂直方向的位置、高差、充填情况;但仅用钻探成果绘制工程地质剖面存在以点带面的缺陷，也不能反映洞穴发育的空间形状以及与周边岩溶体的连通情况。若过分密集布置钻孔，易损伤地基，且工作量大、成本高。当前，在地震法、电磁法、电法三大类地球物理勘探方法中，广泛将电磁法中的地质雷达、电法中的高密度电法结合应用，再通过钻探验证，排除多解性，实现对岩溶的有效探查。

1、地质雷达

1.1地质雷达工作原理及特点

覆盖（土）层、完整基岩、溶洞、地下水之间存在明顯物性差异，由于介电常数的不同而形成电性界面，探测出这些界面，便可得知岩溶的分布位置、延展范围。地质雷达的工作原理（见图1）是由发射天线连续发射高频率脉冲电磁波，电磁波在地下传播遇到不同的电性界面时，产生反射波，接收天线收录这些反射波，放大后由示波器显示出来，同时，电磁波在反射界面还将进一步向下透射，在下一反射界面继续形成反射波并被接收，以此形成多层反射波时间域。根据示波器有无反射信号，可判断有无目标体被探测;根据反射波到达的时间和求得的电磁波在介质中的传播速度，可计算目标体的深度;根据反射波的形态、强弱及其变化等特征可推断目标体的性质。探测岩溶时，发射电磁波频段一般采用107Hz以上数量级，具有比其它地球物理探测更高的分辨率，具有无破坏、经济、快速等优点。

1.2地质雷达应用方法

首先，确定探测参数：探测前不清楚地下异常体的埋深、走向、大小，应先根据计划探测深度、分辨率要求以及前期地勘揭示的地层结构的介电特性，通过理论计算初选天线中心频率、时窗、采样率、天线移动速度、脉冲频率、增益、测点点距、测线间距、天线极化方式，进行粗略快速探测，再根据初探资料对异常体的响应情况，细致选择上述参数的最佳值展开详细探测;对溶洞与围岩介电常数差异的评估尤为关键，围岩的电性不均一性必须小于溶洞尺寸，否则电磁波对溶洞的响应可能淹没在围岩的响应变化里。其后，测定介质电磁波速度：地质雷达记录的是目标体的双程反射时间，通常采用参数计算法、已知深度反求速度法、管状体反射求速度法、宽角法、共深度点法求取电磁波在介质中的传播速度，其准确性直接影响对目标体埋深的计算精度。然后，正演模拟：为准确了解地下洞穴对电磁波的响应特征，需根据地层结构、含水层位、洞穴充填物等信息，按一定比例尺建立地下介质模型，运用二维有限差分法软件设定网格、地下介质分层、各层介电常数、相对磁导率、电导率等参数，进行数值模拟;理想状态下正演雷达剖面中，洞穴的图像特点是被侧壁的强反射所包围的弱反射空间，当洞穴为空洞或充水时，洞体内部雷达波几乎没有反射，当洞穴内充填覆盖物质时，可见洞内土体产生较短周期的致密弱反射，在较均匀地层中反射波同相轴连续性较好，而在洞穴顶板反射波同相轴不连续，波形出现绕射、错断、双曲线等复杂特征。最后，采集数据并处理解释：数据采集一般用剖面法，发射、接收天线为固定分离距，沿测线方向按等步长同步移动，所有单道反射信息生成雷达图像剖面;数据处理主要包括增强有效信息、抑制随机噪声、压制非目标体的杂乱回波，目的是消除干扰，以尽可能高的分辨率提取反射波中的有用数据（波速、振幅、波形等），追踪勾绘出异常体的直观图像;数据解释包括识别异常、地质解释两步，识别异常应基于正演模拟时建立的对典型现象的认知，地质解释应结合地勘资料以及各地下介质的电磁参数特点（见表1）合理判读异常体。

2、高密度电法

2.1高密度电阻率工作原理及特点

岩、土、水、空气等介质的导电性存在差异，通过在地表布置电极建立稳定电场，量测地下电流，研究地下介质电阻分布、变化规律，可圈定具有不同电阻率的地质体的赋存位置。高密度电法便是运用此原理的直流电阻率勘探技术，在岩溶场地，溶洞与围岩普遍存在电性差异，完整岩层孔隙度小、含水量少，电阻率较高，含水或含湿润泥沙的溶洞相对于围岩呈现低电阻异常，而无水溶洞相对于围岩呈现高电阻异常。高密度电法是集电测深法和电剖面法于一体的多装置、多极距组合探测方法，优点是可一次布设多个电极，通过程序控制自动完成供电和量测，实现不同电极间距、不同电极排列方式的高效施测，短时间采集大量数据，能对整个场地做连续探测，并能对采集的数据通过求取比值而凸显异常信息，比常规电法勘探智能化程度大幅提高。

2.2高密度电阻率应用方法

实测时，先以固定间距a沿观测巷道布置若干个电极，A、B为供电电极向地下输入电流I，M、N为测量电极测定电势差△V，于是求出测点的视电阻值，取活动电极间距为b，n为隔离系数，则b=na（n=1，2，3…），将每个相距为b的四个电极经转换开关连接到仪器，通过转换开关交互供电和量测电极，完成电阻率采集。一个测点全部量测完后，将整个电极排列向前移动一个a的距离，展开下一测点的量测，直到活动电极间距为b的整条剖面测完为止（见图2）。数据采集完后需作数据处理：对地形起伏的断面进行修正，剔除坏点、虚假点，对含有畸变点的断面进行滤波处理，再建立地电特征模型，将数据反演（最小二乘法）成图，得到二维电阻率剖面。最终通过区分电阻率剖面中的异常，结合地勘、其它物探资料，解释岩溶体的位置或指明进一步钻探验证的具体部位。

结语：

高密度电法在水平方向识别岩溶体展布范围的效果较好，但在计算溶洞顶、底板埋深时存在一定误差，且探测深度有限，当地下介质之间电阻率差异不大时，分辨效果不佳;而地质雷达在垂直方向探测岩溶体物性界面的精度较高，且可根据地下电磁参数设置工作频率和功率，使电磁波的衰减常数和传播常数尽量在目标体深度有较好的分辨力。因此，在建设场地可先实施高密度电法，然后针对异常部位实施地质雷达，将两种技术优点结合，再通过地质调查、钻探、开挖验证，厘清环境干扰，排除物探多解性，实现对岩溶现象的有效勘察。

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作者简介：

李景行（1983.11-），男，汉族，湖南长沙人，硕士，工程师，主要从事岩土工程勘察工作。