何思璇,王时平
(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司,云南 昆明 650051)
以往常规的岩溶工程地质勘探是在地质调绘、地面物探基础上,实施机动钻探为主的勘查方法。由于城市环境周边建筑物密集、地面交通繁忙、地下管线复杂等原因,常规以钻探为主的岩溶工程地质勘探方法难以做到全覆盖,加上各种电磁噪声无处不在,使得传统的物探方法物性干扰极大,难以获取理想的岩溶勘探数据。因此,利用钻孔电磁波(CT)层析成像技术,对城市地下轨道交通岩溶工程地质勘探中发挥了很好的作用,该技术在昆明地铁苏家塘站岩溶探测中的应用就是一个较好实例。
电磁波CT即用无线电波为物理手段对地质体进行成像,其根本出发点是基于惠更斯原理。从麦克斯韦方程组推导出电偶极子场,当电偶极子衍射效应可以忽略,测点与发射点距离足够远时,可以将电偶极子场作为辐射场。在辐射区内,介质中的电磁波传播路径可以用射线来描述。对于配置半波偶极子天线的电磁波仪,其辐射场的场强可表达为:
(1)
由公式(1)可以推导出:
(2)
其中,E0为初始辐射常数;R为射线长度(m);β为吸收系数(Neper/m);f(θ)为方向因子函数;D为两孔间的水平距离(m);
吸收系数β是反映介质电磁特性的一个参数。一般来说,β值越小,介质对电磁波的吸收就越小;反之,β值越大,介质对电磁波的吸收就越强。我们通过对实测电磁场强进行处理,重构射线所扫描的区域内岩体介质电磁波吸收系数分布,从而确定异常的位置、空间分布和形态。
资料处理即电磁波反演方法采用视吸收系数成像,反演方法为最大熵下的最小二乘法。即求解方程组:
[β]=[A]·[D]
(3)
其中,[β]为吸收系数(即原像值)矩阵;[A]为像元变量矩阵;[D]为距离系数矩阵。
求出像元[A]。将[A]生成图像进行编辑,进而得到电磁波视吸收系数剖面图。
钻孔电磁波层析成像(CT)技术是利用电磁波在两个钻孔之间进行特殊的层析观测,得到电磁波在两孔间介质中的透射数据,依照一定的物理和数学关系,运用计算机对数据实施处理,重建出孔间剖面介质电磁波吸收系数β值的二维分布图像,据此就可对两孔间的地质异常体、构造分布做解释与分析。
电磁波CT现场工作是在一个钻孔内放置发射机(发射点),而在另一个钻孔内放置接收机(接收点),从发射点发射出的电磁波经介质吸收衰减后到达接收点。按一定射线密度对孔间剖面进行扫描,结果在二钻孔间形成如图1所示的一系列扇形射线网络。电磁波的实测量是波动过程沿射线路径对介质吸收系数的积分结果,当同一平面内密集的射线对探测区域进行了全方位扫描后,便可把所有的投影函数依Radon反变换的关系组成方程组,经反演计算重建出介质吸收系数β值的二维分布图像。由此可以分析钻孔间不同吸收系数的介质分布情况。
电磁波层析成像(CT)技术野外观测系统是在两个钻孔间的二维平面上进行的。实际工作中,影响电磁波CT成像精度的关键参数主要有两个:
(1)发射电磁波的频率。随着频率的增高,对地质异常体的分辨力增强,但电磁波穿透距离也随之变小;若频率变低,电磁波在介质中穿透距离会增大,但岩石中波长较长,会产生绕射现象,使划分地质体的分辨力降低。
(2)采样密度。采样密度越密,图象重建时网格单元划分越小,则成像精度越高,但相应测试工作量将成倍增加;若采样密度变稀,图象重建时网格单元划分越大,则成像精度越低,相应测试工作量减少。
吸收系数又称“衰减系数”,当电磁波进入岩石中时,由于涡流的热能损耗,将使电磁波的强度随进入距离的增加而衰减,这种现象又称为岩石对电磁波的吸收作用。吸收或衰减系数β的大小和电磁波角频率ω、岩石电导率σ、岩石磁导率μ、岩石介电系数ε有关,其关系式为:
根据表达式可知,β由电导率σ、介电常数ε、磁导率μ,电磁波频率ω所共同决定,所以在一定频率下吸收系数是地下不同地质体由于其不同电阻率、介电常数、磁导率综合效应的结果。通过分析可知,在一定频率下,当μ、ε一定的条件下,电磁波的吸收系数主要由电导率σ决定,当σ大时,β就大,即当地下地质体为良导体时,吸收系数就大,反之吸收系数就小。由此可见,电磁波CT法对良导体异常有很好的反映。
在电磁波视吸收系数剖面成果资料中,岩溶发育区、岩体破碎及裂隙发育区,吸收系数表现为高值异常。岩溶发育的岩石与完整灰岩比较,在物性(电阻率及吸收系数)上存在较大差异,只要岩溶发育有一定规模,对电磁波将会产生明显的吸收作用,观测的电磁场强幅度明显减小,吸收系数增大(相对围岩的高阻、低吸收系数),形成高吸收异常。
(1)地质构造:工程勘查区处于昆明断陷盆地内,大地构造上位于扬子准地台西部,次级构造单元为滇东台褶带,三级构造单元为昆明台褶束。区域内新构造运动强烈,主要表现为大面积间歇性掀斜隆升、断块差异运动、晚新生代盆地及晚新生界地层变形等三种形式。
(2)水文地质条件:场区位于较完整的盆地汇流型水文地质单元中,地势平坦,水力坡度小,地下水、地表水交替强烈。场地地形平缓,地层以第四系全新统及上更新统坡洪积地层为主,厚度超过50m,含水层呈多层带状分布,以砂土及圆砾土层为主,主要为潜水,下部含水层略具承压性,地下水丰富,地下水位浅,地下水主要接受沿线河流水补给,向滇池方向渗流、排泄。
(4)地球物理概况:地质介质(岩石或土)与不良地质体(岩溶或土洞)的结构、成分及其组合形式的不同,决定了不同地质对象间存在物性差异,包括力学参数、电学参数、密度参数等差异,其中最主要的差异为力学参数及电性参数差异,地质对象的这些物性差异为物探技术的应用提供了地球物理前提。
本勘察工作区内基岩为上泥盆统宰格组(D3z)白云岩、白云质灰岩及灰质白云岩,这些岩石在正常情况下,强度高、坚硬完整时,电阻率高,对电磁波低吸收;当岩体受裂隙、破碎带、剪切带和岩溶等破坏时,物性特征会因其影响程度不同而发生相应变化,即岩体电阻率下降,对电磁波吸收能力增强。根据昆明轨道交通以往工作及本工程资料显示,完整及较完整岩体视吸收系数小于0.3Nper/m;岩溶及覆盖层视吸收系数较大,一般情况下,视吸收系数大于0.45Nper/m。可见地下岩溶与完好基岩间存在较大的电磁性和弹性的差异,满足了电磁波CT探测的地球物理前提。
针对岩溶地区地铁施工勘察,以往通常采用钻孔或者个别的电磁波CT探测,难以达到精确探测岩溶性状的目的。本工程通过布置两条平行的连续长剖面孔间电磁波CT来进行探测,钻孔间距为10m,左右交叉布置。同时选取8MHz~32MHz的电磁波频率段,且在不影响图象质量的前提下,适当减小采样点密度,采用发射点距为1m,接收点距为1m~0.5m的观测系统;反演时网格单元的划分采用1m×1m的方式。本次采集共完成电磁波CT孔145对,钻孔剖面布置如图2所示。
图2 苏家塘站岩溶专项勘察工区钻孔、电磁波CT剖面布置图Fig 2.Drill Arrangement Map of Electromagnetic Wave CT Section of Karst Special Exploration Area of Sujiatang Station
本次物探数据处理软件采用电磁波CT数据处理软件。首先对野外实测电磁波CT测试数据进行编辑排序处理,剔除畸变点,进行数据滤波处理或相应平滑处理。其次通过对原始数据进行几何交汇法分析,初步确定异常分布范围,再结合地质情况利用反射投影法建立反演初始模型,利用建立的初始模型对实测电磁波CT数据联合反演,最终得出电磁波CT吸收系数剖面等值线图。
通过开展连续长剖面孔间电磁波CT探测,一方面对地铁线路的岩溶区域达到全覆盖探测,另一方面通过对比,对岩溶空间分布形态进行更好的分析。资料解释首先根据测试剖面上电磁波吸收系数值大小、分布范围、等值线形态等,确定正常场的吸收系数范围。再者划分吸收系数异常区域,选取有代表性的吸收系数异常区域,确定各类异常的系数特征值范围。最后根据异常的形态、吸收系数值范围结合现场部分钻孔岩芯取样及钻孔情况进行分析,确定是否为岩溶发育引起的异常及岩溶的分类。
根据数据处理情况,本次剖面成果解释综合分为4个层次进行,即岩溶强发育区、岩溶中等发育区、岩溶弱发育区段和岩溶不发育区。
(1)岩溶强发育区:电磁波吸收系数表现高值异常,一般大于或等于0.45Neper/m,区内岩溶极其发育,岩层破碎,有多洞穴存在的可能(图3)。
(a)M4S6-YR-54~M4S6-YR-55电磁波CT色谱图 (b) M4S6-YR-54~M4S6-YR-55电磁波CT解释图图3 M4S6-YR-54~M4S6-YR-55剖面岩溶强发育区电磁波CT成果图Fig 3.Electromagnetic Wave CT Result Map of Karst Intense Development Section M4S6-YR54-M4S6-YR55
(2)岩溶中等发育区:电磁波吸收系数表现相对高值异常,一般在0.3Neper/m~0.45Neper/m,区内岩溶较发育,表现为岩溶裂隙和岩溶破碎带,岩层较破碎,范围稍大时内部会包含部分岩溶强发育区(见图3)。
(3)岩溶弱发育区:电磁波吸收系数异常值相对不高,一般在0.15 Neper/m~0.3Neper/m,区内岩溶尚发育(图4),表现为岩溶裂隙,岩层完整性差,范围稍大时内部区域会出现部分岩溶强和中等发育区。
(a)M4S6-YR-51~M4S6-YR-52电磁波CT色谱图 (b) M4S6-YR-51~M4S6-YR-52电磁波CT解释图图4 M4S6-YR-51~M4S6-YR-52剖面岩溶弱发育区电磁波CT成果图Fig 4.Electromagnetic Wave CT Result Map of Karst Weak Development Section M4S6-YR51—M4S6-YR52
(4)岩溶不发育区:电磁波吸收系数一般小于或等于0.15Neper/m,区内岩溶不发育(图5),此时岩层较完整或完整。
(a)M4S6-YR-52~M4S6-YR-54电磁波CT色谱图 (b) M4S6-YR-52~M4S6-YR-4电磁波CT解释图图5 M4S6-YR-52~M4S6-YR-54剖面岩溶不发育区电磁波CT成果图Fig 5.Electromagnetic Wave CT Result Map of Area without Karst Section M4S6-YR52—M4S6-YR54
通过对苏家塘岩溶专项勘察,综合成果分析解释,为工程处理提出的针对性建议(表1)。
表1 电磁波吸收系数特征值与工区岩溶发育情况对比分析表Tab 1.Comparison of Electromagnetic Wave Adsorption Coefficient to Karst Development of Area
对苏家塘站钻孔组成的CT剖面,通过软件处理,得到各剖面的成果解析。本文选取一对典型钻孔剖面进行介绍。
钻孔M4S6-YR-21~M4S6-YR-19钻孔深度分别为41.0m和41.2m,水平孔间距为8.8m,射线对数为1724条,粘土层厚度为26.6m~28.4m,电磁波CT成果解释见图6和表2。
(a)M4S6-YR-21~M4S6-YR-19电磁波CT色谱图 (b)M4S6-YR-21~M4S6-YR-19电磁波CT解释图图6 M4S6-YR-21~M4S6-YR-19电磁波CT资料解释成果Fig 6.Interpretation Result of M4S6-YR21—M4S6-YR19 Electromagnetic Wave CT Data
表2 M4S6-YR-21~M4S6-YR-19孔对电磁波CT解释成果表Tab 2.Electromagnetic Wave CT Interpretation Result of Drill M4S6-YR21—M4S6-YR19
通过孔对的电磁波CT探测成果与钻探资料对比来看:电磁波CT探测岩溶强发育区大于0.45Neper/m,区内岩溶极其发育,岩体破碎,多有充填洞穴的可能,其异常深度在31.0m~34.8m之间,水平范围0m~1.3m,推测该区域溶洞;从岩芯取样来看,M4S6-YR-21孔在32.3m~32.8m为全充填式溶洞,M4S6-YR-19孔31.0m~34.8m段岩心是灰岩,无异常,上述说明电磁波CT探测成果与钻探成果基本吻合。
钻孔电磁波层析成像(CT)技术在昆明地铁4号线苏家塘站的应用基本查清了岩溶发育情况及规模,为后期岩溶工程处理提供了可靠的决策依据,为工程建设成本节约及进度控制起到了重要的作用。综合应用情况表明,钻孔电磁波层析成像(CT)技术在地铁岩溶勘察能得到理想效果,值得广泛推广应用。