综合物探方法在铁路路基岩溶勘察中的应用

张 业

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

1 引 言

在铁路线路经过可溶性岩石区域时，会出现地下岩溶发育的地质情况，地下溶洞发育，会形成地面塌陷、路基沉降等地质灾害，给铁路工程的施工和铁路安全运行带来了巨大的安全隐患。因此在勘察时需要查明地下岩溶发育的特征和规律。

目前在对于岩溶区地质勘察领域应用最广泛的是地质钻探。但是地质钻探布置孔位有限，钻孔不能实现区域全覆盖，同时钻探只能够探查出单一孔下竖直方向的岩溶发育情况，无法查明钻孔周边横向发育溶洞，而且钻孔成本也相对较高[1,2]。因此要选择其他方法技术来进行综合勘探分析。

综合物探方法是将两种及以上的物探方法技术结合起来应用，它能在高效率完成工作的同时保证工程质量。综合物探方法利用多种物探方法的优势互补，使之成为应用最广泛的岩溶探测方法[3-7]。

本文介绍了高密度电法、跨孔电磁波 CT法和孔内电视综合物探方法在某铁路线路基岩溶勘察中的应用效果。

2 工程地质概况和地球物理条件

工区沿线出露地层岩性较复杂，从新生界第四系到古生界震旦系地层均有出露，主要有新生界第四系、下第三系；中生界白垩系、侏罗系、二叠系、石炭系、志留系、奥陶系、寒武系、震旦系及燕山期侵入流纹斑岩、辉绿岩等。

该区可溶岩主要是侏罗系和寒武系灰岩、白云岩。地表为素填土、杂填土、粉质黏土等。该区灰岩大部分被第四系覆盖层覆盖，因此该地区岩溶属于“覆盖型”岩溶，局部溶洞上下成串发育，部分岩溶呈漏斗状发育。该地区雨水充足，发育的溶洞大部分被粉质黏土、黏土、破碎岩屑等填充。同时地下水位较浅，未充填溶洞大部分含水，根据过往资料显示，灰岩、白云岩电阻率为400～2 500 Ω·m。覆盖层及全风化电阻率为10～200 Ω·m；破碎带、溶洞内含水导致电阻率明显下降。

水的相对介电常数80，灰岩的相对介电常数6～9，粉质黏土的相对介电常数7～12，溶洞(黏土充填)的相对介电常数10～30，各介质的电性差异较大，电磁波衰减性存在明显差异。

3 综合物探勘探方法

该地区地下岩溶主要发育有溶洞、溶槽、溶隙等，该区域地下水很发育，路基段地下水位很高，岩溶发育后一般会被水或者泥水混合物充填，因此地下岩溶的地球物理特性与周围介质会有很大的差异，具体表现为低电阻率、高弹性波衰减和高电磁波衰减等，因此可选用的物探方法包括高密度电法、瞬变电磁法、地震映像法、地质雷达法、跨孔弹性波CT、跨孔电磁波CT等[8-10]。根据现场实际工程地质条件和工区地球物理特征性，最终采用地面物探方法和孔中物探方法结合，目的是对岩溶进行详细探测。高密度电法的特点是一次探测的剖面可以很长，数据采集量大，数据成果能较真实地反映地电断面情况，可较准确地圈定电性异常区域，但是该方法的分辨率不高，对尺寸较小的岩溶反映不太明显。钻孔电视成像技术可以直观地描述钻孔中孔壁附近区域的岩溶发育情况。分辨率较高，更加直观，跨孔电磁波 CT 技术则能很好地反应出钻孔间的岩溶发育情况。因此最终确定使用高密度电法进行地面大范围探测，使用钻孔电视技术和跨孔电磁波CT方法进行孔内和孔间探测。

3.1 高密度电法

高密度电阻率法是一种直流电阻率方法，它是基于不同岩土存在的电性差为工作条件。高密度电阻率法可以一次布设多道电极，通过电极向周围介质人工施加电场，再对不同位置的人工电场进行系统测量，计算得到地下介质的视电阻率，进一步推断出地下异常情况。故它实际上是一种阵列勘探方法，使用仪器可实现数据的快速和自动采集，还可对数据进行处理，并给出关于地电断面分布的各种图示结果[11-15]。

3.2 跨孔电磁波CT

跨孔电磁波CT是使用高频电磁波进行探测,当电磁波穿过不同的地质体时，由于不同地下介质对电磁波的吸收系数不同，导致电磁波穿过后衰减程度不同，从而导致接收到的电磁波场强值存在差异。跨孔电磁波 CT 技术就是利用电磁波在不同介质中吸收系数的差异，经过数学处理，反演出吸收系数的分布，得到地下介质的精细结构图像[16-18]。

3.3 孔内电视

孔内电视主要利用360°广角摄像头进行孔内摄像，再配合电子罗盘进行方向定位，利用成像系统进行图像采集和处理，对采集的图像进行一定的处理，可以形成全孔壁柱状剖面图像[19,20]。

4 岩溶探测效果分析

本文主要主要是对某铁路线勘察设计阶段DK123+002～DK123+700路基岩溶的探测效果进行分析。

4.1 高密度电法应用

在DK123+002～DK123+700段落线路左中线布置高密度物探测线一条。高密度电法勘探使用重庆奔腾数控技术研究所生产的WGMD-9型超级高密度电法仪，工作电极120根，每30道滚动的方式，道间距为 5 m，观测采用温纳装置，观测系统设置的层数为30层。

从测得高密度电法测线剖面的视电阻率数值来看，表层介质的视电阻率值相对较低，视电阻率值ρs为20～70 Ω·m，推断为第四系覆盖层或者强风化基岩层。整个下部视电阻率相对较高，ρs为90～1 500 Ω·m，推测为基岩。视电阻率等值线形态显示，推断存在4处低阻异常区，C1～C4推测为岩体破碎区或者为岩溶区。C1位于DK123+547～DK123+644,C2位于DK123+284～DK123+342,C3位于DK123+252～DK123+235,C4位于DK123+123～DK123+135。

为验证高密度电法推断的溶洞成果，C2异常区域处布置3个钻孔。钻孔情况见表1。钻孔揭露的溶洞平距与深度基本一致(图1)。

表1 高密度电法C2异常钻孔DK123+284～DK123+342验证情况

图1 高密度电法测线推测的岩溶发育区及钻孔揭露的溶洞Fig.1 Karst development area inferred by high density electrical method and kast cave exposed by drilling

4.2 孔内电视应用

为进一步探测钻孔附近的岩溶发育情况，在DZZ-37钻孔处，进行了孔内电视测试，钻孔电视使用的是岳阳奥成科技有限公司生产的HX-JD-01B|01C|02B智能钻孔电视成像仪系统。钻孔电视成像结果显示深度10.9～14.9 m溶蚀发育明显，可见粉质黏土充填，深度15.4～16.6 m溶蚀发育明显(图2)。通过孔内电视图像与钻孔岩芯资料对比，图像显示内容与岩芯资料基本吻合，图像能较好地反映岩层的岩性以及溶蚀发育情况等信息。

图2 DZZ-37号孔孔内电视成像结果Fig.2 Image result of borehole television in DZZ-37

4.3 跨孔电磁波CT

根据DZZ-35，DZZ-37，DZZ-39的溶洞情况，布置了DZZ35—DZZ37和DZZ37—DZZ39两对跨孔电磁波CT 剖面，以推测3个钻孔间溶洞的延伸情况。跨孔电磁波 CT 使用的是HX-JDT-02B型井下电磁波透视仪，选择5、8、11 MHz 3个频点。

DZZ35—DZZ37和DZZ37—DZZ39两个剖面的跨距为20 m，探测深度范围为5～22 m，其将两个剖面进行联合反演，电磁波CT成果图见图3。

图3 DZZ-35- DZZ-37 -DZZ-39剖面电磁波CT成像结果Fig.3 Electromagnetic wave CT results of the DZZ-35- DZZ-37 -DZZ-39 profile

钻孔DZZ-35与DZZ-37之间岩土的吸收系数在0.2～0.6 Nper/m之间。钻孔DZZ-37与DZZ-39之间岩土的吸收系数在0.2～0.8 Nper/m之间。DZZ-35，DZZ-37，DZZ-39电磁波CT联合反演成果如表2所示。

表2 电磁波CT成果分析

从反演成果中可以看出，剖面中基岩面起伏不大，埋深7～12 m。整个探测剖面中的溶蚀现象非常发育，在探测范围内存在大面积的蜂窝状强溶蚀发育区，基本贯穿整个剖面，其间发育的溶洞形态各异。剖面中共圈定了7个溶洞异常区域。

对比图3与表1中3个孔的钻孔资料，可以判断高视吸收异常区域应为溶洞区(充填粉质黏土，充水)，溶洞的顶板和底板起伏较大，且溶洞较大。测区的溶洞成群发育，具有联通性，且异常反应的溶洞与钻孔揭示的溶洞情况基本一致。

5 结 语

1)铁路岩溶勘探，首先采用高度密度电法进行地面大范围探测，推定出岩溶发育异常较大较明显区域后，在推断的岩溶发育异常区进行地质钻探成果验证，然后采用孔内电视方法和孔间电磁波CT方法精确探明地下岩溶深度、规模以及延伸发育情况。

2)物探方法具有多解性，单一的物探方法往往达不到很好的效果，综合物探方法的应用能很好地对岩溶地区由面到点进行精细多层次的深入探测，综合各物探方法成果解释，优势互补，相互验证，提高解释的精度，避免了单一物探方法成果的多解性。

3)应用综合物探方法基本查明了岩溶发育分布情况，经过钻孔验证，结果表明综合应用物探方法在铁路岩溶勘察中具有广泛的运用前景，能为铁路设计施工提供详实的勘察资料。