综合物探技术在空铁岩溶探测中的应用

章飞亮,田占峰

(中铁第六勘察设计院集团有限公司 勘察院，天津 300308)

1 引 言

地质灾害是指由于自然的、人为的或综合的地质作用，使地质环境产生突发的或渐进的破坏，并对人类生命财产造成危害的地质现象或事件。近几年，全国各地地质灾害(山体崩塌、滑坡、泥石流、地质塌陷、地裂缝、地面沉降等)频发，给当地的经济建设和人民生命财产安全造成了较大损失。地质灾害的形成、发展都会引起地球物理场的变化，因此，加强对地质灾害危险性评价过程中的物探技术研究是非常必要的[1-3]。

物探技术具有经济、无损、高密度以及高效等优势，通过物探方法能够对地质灾害进行较详细的调查，查明灾害体的大小和空间分布情况，为后期的灾害治理处置提供一定的依据[4-7]。当前有很多物探方法可以用于地质灾害调查中，不同的物探方法依据不同的理论原理，不过使用单一的物探方法对地下不良地质体进行探测，由于地下地质的复杂性，往往会造成结果的不唯一性，因此，使用两种或者两种以上物探方法对同一地质体进行探测，能够使得物探多解性相对减少，获得较好的结果。本文以湖北省恩施市青云崖空铁地质灾害评价项目为例，主要讨论高精度瞬变电磁法、跨孔电磁波CT法和孔内三维激光扫描3种物探技术在该项目地质灾害危险性评价中探测隐伏岩溶的应用效果。

2 工程概况及地球物理特征

2.1 工程概况

恩施青云崖空铁项目位于湖北省恩施市，是青云崖旅游度假区神掌峰公园至鹰嘴岩公园两点间旅客交流的交通项目，承担度假区内部不同功能区间特色交通功能以及观光功能。线路正线长度约为2.5 km，全部为高架工程，设车站3座，其中高架站2座，地面站1座。轨道梁及桥墩采用钢结构，基础为混凝土结构。

从地质条件看，该项目处于恩施断陷盆地东侧，中高山岩溶地貌，区域地质构造较简单，地貌类型单一。不良地质较发育，主要有岩溶、危岩落石，存在隐伏断裂的可能性也较大。

图1 工区地理位置Fig.1 Geographic map of work area

前期普查阶段做了大量的地面高精度瞬变电磁工作，地质专业人员根据前期物探解译的异常和地质调查情况布置钻孔验证，其中一个钻孔(编号：ZK21)揭露有40.5 m的大溶腔，本次主要针对此溶腔采用了跨孔电磁波CT法，辅助以孔内三维激光扫描对其探测并查明该溶洞大小及空间分布情况，为地质灾害调查与治理提供依据。

2.2 地球物理特征及物探方法选择

2.2.1 地球物理特征

根据收集工区地质资料、以往物探工作情况及岩性分析，测区内的主要地层有：第四系覆盖层，包括素填土、黏土、卵石土等，基岩为石灰岩。本场地内，岩溶较发育，且无规律性。综合以往岩土参数资料及本次工作测试情况，场地内岩土的物理特性见表1。

表1 工区不同岩性物性参数

上述各岩土物性参数间存在差异，特别是溶洞中充填水或充填黏土均存在较大的差异，因此场地具备开展相应物探方法的地球物理条件。

2.2.2 物探方法选择

由于工区地貌为山区地貌，地形起伏大，且存在陡崖，普查阶段选择了地面高精度瞬变电磁法，此方法相对高密度电法来说，具有仪器使用轻便、不受接地条件影响、探测深度大、分辨率高等优势；详查阶段主要采用跨孔CT，由于钻孔中没有水，于是选择了跨孔电磁波CT法开展工作；采用孔内三维激光扫描直接测量大溶腔的大小和空间展布情况和分析该溶洞顶板的稳定性，有助于查明靠近崖壁侧岩溶发育情况，从而为后期锚固工程锚索锚固段的可实施性提供依据。

3 物探方法简介

3.1 高精度瞬变电磁法

高精度瞬变电磁法基于等值反磁通技术原理[8]。等值反磁通技术采用上下平行共轴的两组相同线圈为发射源，且在该双线圈源合成的一次场零磁通平面上，测量对地中心耦合的纯二次场，装置示意见图2[9]。双线圈在地面发射瞬态脉冲电流产生激发电磁场，在该电磁场的激发下，地下导体地质体受感应而产生涡旋电流，在一次脉冲电磁场的间隙期间，涡流电流产生的二次场不会马上消失，采用线圈或电极观测二次场，通过研究二次场衰减的时间变化规律，可发现地下异常地质体的存在，从而确定地下导体的电性结构和空间分布形态。

图2 等值反磁通瞬变电磁装置示意图Fig.2 Diagram of equivalent reverse magnetic flux transient electromagnetic device

数据采集使用HPTEM-18 型高精度瞬变电磁系统，相比于传统的单圈源瞬变电磁法，等值反磁通瞬变电磁法的接收线圈处于一次场零磁通平面上，当发射关断时，接收面的一次场磁通不变，不会产生一次感应电动势，可免受一次场干扰，接收到纯二次场信号。采用统一标准垂直发射磁源、高灵敏磁感应接收传感器以及高密度测量等技术实现了浅层高精度瞬变电磁勘探[10-13]。

3.2 跨孔电磁波CT 法

跨孔电磁波CT法是利用无线电波在两个钻孔中分别发射和接收，根据不同位置上接收的场强的大小，来确定地下不同介质分布的一种地下地球物理勘查方法，也称井中无线电波透视法(图3)。

当电磁波通过不同的地下介质(如各种不同的岩石、矿体及采空区、溶洞、破碎带等)传播时，由于不同介质对电磁波的吸收(β)存在差异，如采空区、溶洞、破碎带等的吸收系数(βs)比其围岩的吸收系数(βo)要大得多，因此在采空区、溶洞、破碎带的背后的场强也就小得多，从而呈现负异常，于是利用这一差异推断目标地质体的结构和形状[14-18]。

本次勘察采用的仪器是国土资源部物化探研究所研制和生产的JW-6型地下电磁波仪，工作频率为扫频方式，功率为10 W，频率范围0.5～32 MHz。依据工区的地质情况和频率的选择原则，本次观测系统(工作原理见图3)选用8、16、24、32 MHz 四个频点，定点发射，发射点距1 m，观测点距1 m,采集数据有异常的地方进行重复观测。本次资料处理主要选用24 MHz和32 MHz频点的数据。数据处理软件选用与仪器配套的反演软件。

图3 跨孔电磁波CT工作原理示意图Fig.3 Diagram of working principle of cross-hole electromagnetic wave CT

3.3 孔内三维激光扫描

三维激光扫描测距的技术方法可测量和探测地下空间和采空区等洞穴空间体积。JL-CALS(A)洞穴三维激光扫描探测仪能作球形360°扫描，覆盖整个空穴，最大扫描距离达200 m。仪器探头直径仅为50 mm，可沿钻孔深入到难以接近的空穴、地下空间以及空腔内。内置的钻探摄像头上装有红外LED灯，便于清楚地看到钻孔内部以及测量过程中遇到的各种障碍物。一旦进入空穴，激光头便能向外打开，开始扫描空穴的三维形态及其表面反射率，可安全、快速、精确地实现空穴和空腔扫描[19-21]。

本次测试工作采用武汉长盛工程检测技术开发有限公司生产的JL-CALS(A)洞穴三维激光扫描探测仪，该设备的技术参数和性能满足有关规范的要求，可为本次勘察提供准确的野外数据。工作期间，仪器性能稳定，工作正常。

4 物探外业

前期普查阶段有一条瞬变电磁法测线在ZK21钻孔附近布置，根据现场钻探情况，ZK21钻孔地面高程为1 297.6 m，该孔地层情况如下：0～2.5 m为粉质黏土，2.5～21.3 m、25.2～30.3 m、33.3～34.5 m为中风化石灰岩(存在溶蚀现象)，21.3～25.2 m、30.3～33.3 m、34.5～75 m为溶洞(未充填)。对于在34.5～75 m揭露的这个40.5 m的大溶腔，首先采用JL-CALS(A)洞穴三维激光扫描探测仪对该溶腔进行孔内三维扫描探测；其次，采用跨孔电磁波CT法以相邻钻孔之间布设探测剖面，主要以ZK21钻孔为中心，且保证CT钻孔孔间距不超过30 m。具体布设情况如图4所示。

图4 物探测线布置示意图Fig.4 Geophysical prospecting line layout

5 综合成果解释

5.1 高精度瞬变电磁法

该段高精度瞬变电磁测线长度70 m。从视电阻率剖面来看，并结合本区域岩溶发育特征，对明显的低阻闭合区推断解释为溶洞，共1处，标识为RD-01，其对应的发育位置中心剖面距离为+28.3 m,异常顶板埋深55 m，底板埋深为65 m,宽度为10 m。对相对明显的低阻闭合区、半闭合区及下凹异常区推断解释为溶蚀发育区，共3处，按剖面距离由小到大依次标识为YR-01～YR-03，其对应的发育位置中心剖面距离分别为+18.4 m、+51.2 m、+58.6 m。

5.2 跨孔电磁波CT法

岩溶较发育区对电磁波的吸收较强，所以测得的场强值较弱，在反演成果剖面上表现为相对较高吸收系数值。根据成果剖面上吸收系数的分布来判定地下结构分布情况。

图5 TMP-L-26测线高精度瞬变电磁视电阻率剖面Fig.5 High-precision transient electromagnetic apparent resistivity profile of TMP-L-26 line

图6 ZK21～ZK04电磁波CT层析成像Fig.6 Geophysical anomaly interpretation profile(ZK21～ZK04)

图7 ZK21～ZK05电磁波CT层析成像Fig.7 Geophysical anomaly interpretation profile(ZK21～ZK05)

图8 ZK21～ZK20电磁波CT层析成像Fig.8 Geophysical anomaly interpretation profile(ZK21～ZK20)

图9 ZK21～ZK23电磁波CT层析成像Fig.9 Geophysical anomaly interpretation profile(ZK21～ZK23)

从ZK21钻孔与周围其他四个钻孔跨孔电磁CT成果剖面图可知，各个探测剖面中的岩溶现象极为发育，共计推断有14个岩溶异常区，溶洞成群分布，可能存在连通；推断的YRS-01、YRS-02、YRS-04、YRS-05、YRS-09、YRS-12、YRS-13异常和ZK21钻孔揭露的溶洞有对应关系。

根据采集的4对电磁波CT测量数据，经过数据的编排和网格化插值处理，应用Voxler进行三维成图，生成体积VolRender图(图10)。

图10 测区β=4.5 dB/m的空间等值面分布Fig.10 Survey area β=4.5 db/m spatial contour distribution

从吸收系数等于4.5 dB/m等值面的空间分布图(图10)也可以看出，测区的溶腔成条状发育，走向大致为东南方向，从三维图中可以看出其具有联通性。且推断解释的溶洞与钻孔揭示的溶洞基本一致。

5.3 孔内三维激光扫描

根据ZK21号钻孔揭露情况，在34.5～75 m深度范围(1 222.6～1 263.1 m高程范围)内揭露有一个大溶腔。采用孔内三维激光扫描技术探测空洞的体积约为376.4 m3。空洞形态如裂隙长条状，走向大致为东南60°。空洞的X(东方向)长度约为16.2 m，Y(北方向)宽度约为8.5 m,Z(垂直方向)高度约为36.5 m。根据钻探情况，ZK21号钻孔以下21 m开始出现空洞，后因底部有淤泥等原因，存在遮挡情况，探头不能扫到真正的空洞底端，实际空洞体积大于376.4 m3。以下为通过孔内激光扫描探测到三维空洞的不同角度的二维展示图。

图11 ZK21号钻孔孔内溶洞模型主视图Fig.11 Front view of karst cave model in borehole ZK21

图12 ZK21号钻孔孔内溶洞模型俯视图Fig.12 Top view of karst cave model in borehole ZK21

图13 ZK21号钻孔下方探头摄像Fig.13 Camera image of probe in borehole ZK21

结合TMP-L-26测线高精度瞬变电磁法成果、ZK21钻孔与周围四个钻孔(ZK04、ZK05、ZK20、ZK23)的跨孔电磁波CT法成果资料，钻孔揭露的该空洞位置在跨孔电磁波CT成果图上均有异常反映，在ZK21～ZK05跨孔电磁法CT剖面中推断RDS-07溶洞异常与高精度瞬变电磁推断的RD-01溶洞位置大小基本一致；跨孔电磁波CT推断的岩溶发育走向与孔内三维激光扫描出来的岩溶发育走向基本吻合，溶洞有往底部延伸的趋势，两孔间探测的最大溶洞宽度大约为20 m，比实际的孔内三维激光横向宽度大，推断溶洞的实际发育体积大于孔内三维激光扫描的体积。

6 结 论

1)对多对跨孔电磁波CT采用三维成图处理，更能直观地刻画岩溶的三维空间展布形态；孔内激光三维扫描技术可以直接测量空腔形态、体积，准确提供溶洞的三维形态与规模。

2)通过高精度瞬变电磁法地表普查、跨孔电磁波CT孔间详查到孔内激光三维扫描技术直接测量，逐步缩小异常靶区,最终精细查明溶洞的发育、规模等赋存状态，能够满足不同勘察阶段的需求，为地质灾害危险性评价提供直接可靠的物探依据。

3)根据工程的地质、地球物理特征，因地制宜，分步施策，选择最优的物探方法组合，紧密结合验证钻探验证、地质调查等资料，可以有效查明可能引发地质灾害的岩溶不良地质体的发育状态及其影响范围，为地质灾害危险性评价、工程防治设计及施工提供科学的依据。