物探综合方法在岩溶区岩土工程勘察和施工中的应用

王 龙，万晓锋，韩 鹏

（1.中国建筑材料工业地质勘查中心陕西总队，陕西西安 710003；2.西安建材地质工程勘察院有限公司，陕西西安 710003）

1 概述

岩溶是公路工程建设中常见的不良地质体之一，特别是对桥梁区桩基稳定性有潜在的影响，给公路工程建设造成重大的安全隐患[1]。

目前地质钻探在岩溶区地质勘察中应用最广泛。但是钻探手段的局限性导致其难以探明岩溶发育的规模、形态和分布规律。而且钻孔位置有限，不能对勘察区域全覆盖钻探，同时钻探只能够探查出钻孔位置下垂直方向的岩溶发育情况，对钻孔周边溶洞的横向发育情况一无所知，钻孔成本也相对较高[2-3]。因此岩溶区的地质勘察要选择其他经济、合理的勘察方法及技术手段并结合钻探进行综合勘察分析。

2 地球物理特征

岩溶的发育的区域通常存在一定程度的地质构造或地层变化，采用地球物理方法，研究岩溶塌陷的电性或弹性特征，可以对岩溶区塌陷进行有效的探测[4]。

本文研究的岩溶区域出露的地层主要有第四系覆盖层和泥盆系中统泥质灰岩。该区域泥质灰岩大部分被第四系覆盖，溶洞大多呈“串珠状”发育，局部呈“漏斗状”发育。该地区一年中4～8月份降雨频繁，地下水位较浅。溶洞大部分被粘性土、破碎岩屑等填充，未充填溶洞大部分含水，根据既有资料显示，该区域泥质灰岩电阻率为100～6000Ω·m。覆盖层及全风化电阻率为10～100Ω·m；破碎带、溶洞内含水导致电阻率明显下降。

水的介电常数81，泥质灰岩的相对介电常数6～9，粉质粘土的相对介电常数8～15，溶洞（有物质充填）的相对介电常数20～30。由于各介质的电性差异较大，电磁波衰减性存在明显差异。

3 地球物理方法

该桥梁段的地下岩溶主要有溶洞、溶隙等，并且地下水位很高，发育的溶洞一般会被水或者粘性土充填，其地球物理特征主要表现为高弹性波衰减、高电磁波衰减和低电阻率等，从而与周围介质会产生很大的差异。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、桩底溶洞探测法、跨孔电磁波CT等[5-7]。

根据现场的工程地质条件和地球物理特征，在勘察阶段使用高密度电法进行地面大范围探测，再结合跨孔电磁波CT方法进行钻孔间探测，在施工阶段用桩底溶洞声呐探测法来指导桩基终孔，确保桩基持力层厚度满足设计要求。

3.1 高密度电法

高密度电阻率法是一种在方法技术上有较大进步的电阻率法。就其原理而言，它与常规电阻率法完全相同。但由于它采用了多电极高密度一次布极并实现了跑极和数据采集的自动化，可进行资料的现场实时处理与成图解释[9]。由于电极的布设是一次完成的，测量过程中无需跑极，因此可防止因电极移动而引起的故障和干扰，数据成果能较真实地反映地层情况，可较准确地圈定电性异常区域。但使用该方法也有一定的不足，例如地层的分辨率不高，对尺寸较小的溶洞容易遗漏。

3.2 跨孔电磁波CT

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[10-11]。由于岩溶对电磁波吸收与围岩存在差异，可以比较直观地显示出钻孔间溶洞的分布形态和延伸情况，并准确分析溶洞的发育程度和空间分布，以此来弥补地面物探及工程地质钻探的不足，很好地反映出钻孔间的岩溶发育情况。

3.3 桩底溶洞声呐探测法

声呐狭义上是指利用水下声波判断物体的存在、位置及类型的方法和设备，广义上是指凡是利用水下声波作为传播媒体，以达到某种目的的设备和方法都称之为声呐。

桩底溶洞声呐探测法是在钻孔灌注桩桩底，利用在泥浆及水环境中激发的声呐应力波，遇到桩基底部一定范围内的溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质体时，会产生反射回波，接收桩底溶洞反射回来的声呐应力波就可以分析桩底的不良地质情况。

4 岩溶探测效果分析

本文主要是对位于广西桂林某高速公路K2+060～K2+300 段桥梁桩基持力层进行岩溶探测效果分析。

4.1 高密度电法应用

在K1+945～K2+415 段落沿线路右边线布置高密度测线一条。本次高密度电法使用的是重庆地质仪器厂研发的DUK-2A 型高密度电法测量系统，根据测量需要，现场选用60 道电极，5m 道间距，每15 道向前滚动的方式布线，采用温纳装置进行观测。

从高密度电法测线剖面的视电阻率值来看，表层介质的视电阻率值相对较低，视电阻率值ρs为10～100Ω·m，推断为第四系覆盖层。下部视电阻率相对较高，ρs为100～6000Ω·m，推测为风化基岩。从视电阻率等值线图可以推断测线下存在4处低阻异常区，D1～D4推测为岩体破碎区或者为岩溶区。其中：D1 位于K2+159～K2+176，D2 位于K2+199～K2+213，D3 位于K2+224～K2+245，D4位于K2+315～K2+323。

为进一步验证高密度电法的推测成果，在D1、D2异常区域处布置2个钻孔。钻孔情况见表1。钻孔揭露的溶洞平距与深度基本和高密度电法结果一致（图1）。

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

表1 高密度电法D1、D2异常钻孔验证情况

根据高密度电法解译结果，结合工区地形地貌条件，依据相关规范要求，对该桥梁逐墩布设钻孔进行勘探，勘探结果显示，钻孔揭露的溶洞位置与高密度电法解译结果基本一致。

4.2 跨孔电磁波CT应用

为进一步确定钻孔附近的岩溶发育情况，在ZK-15和ZK-6 钻孔位置对应的线路左边线处布置钻孔ZK-5和ZK-16。并布置了ZK5-ZK15和ZK16-ZK6两对跨孔电磁波CT剖面，探测钻孔间溶洞的延伸情况。跨孔电磁波CT 使用的是湖南奥成科技有限公司生产的HXJDT-02B型井下无线电波透视仪，选择5、8、11MHz 3个频点进行数据采集。

ZK5-ZK15和ZK16-ZK6两个剖面的跨距为23.5m，探测深度范围为0～50m，电磁波CT成果图见图2。

图2 钻孔剖面电磁波CT成像结果

钻孔ZK5 与ZK15 之间岩土的吸收系数在0.15～0.45Nper/m之间。钻孔ZK16与ZK6之间岩土的吸收系数在0.2～0.45Nper/m 之间。ZK5-ZK15 和ZK16-ZK6 的电磁波CT反演成果如表2所示。

从上述反演成果可以看出，CT 剖面中基岩面起伏不大，ZK5-ZK15处基岩埋深30～35m，ZK16-ZK6处基岩埋深5～6m。探测剖面中的溶蚀现象比较发育，在探测范围内存在大面积的溶蚀发育区。剖面中共圈定了15个溶洞异常区域。

对比图2 与表1 中2 个钻孔的资料，可以判断高视吸收异常区域应为溶洞区（粉质粘土全充填），且部分溶洞较大。测区的溶洞成群发育，具有联通性，且异常反映的溶洞与钻孔揭示的溶洞情况基本一致。

4.3 桩底溶洞声呐探测法

进入施工阶段，对ZK5-ZK15 和ZK16-ZK6 钻孔间共4个桩基孔采用桩底溶洞声呐探测法确定桩底以下桩径的3倍并不小于5m的深度范围内有无溶洞等不良地质现象的存在[12]。桩底溶洞声呐探测使用的是武汉长盛工程检测技术开发有限公司研制生产的JL-SONAR(A)桩底溶洞声呐探测仪。

对该桥梁4-4桩基（对应钻孔ZK15）、5-4桩基（对应钻孔ZK6）进行桩底溶洞声呐探测，探测结果如图3所示。

图3 桩基探测结果

根据探测数据可知，4-4桩基和5-4桩基桩底声呐波形规则，波形数据频率较好，衰减正常。判断该桩基桩底围岩完整，岩性较好，桩底标高以下8m 内未发现溶洞发育。

5 结语

（1）公路工程岩溶勘探过程中，首先采用高密度电法进行地面大范围初步探测，并在推断的岩溶发育异常区进行地质钻探验证，然后采用跨孔电磁波CT方法探明钻孔间的岩溶规模以及延伸发育情况，最后在施工过程中，对岩溶发育区的桩基采取桩底溶洞声呐探测法确保桩底标高以下8m内无溶洞发育，既确保工程质量、又合理减少了工程勘察成本、缩短工期。

（2）物探结果的解译具有多解性，单一的物探方法往往达不到很好的效果，利用多种物探手段进行综合探测，其探测结果相互验证、优势互补，能很好地提高岩溶地区的勘察成果质量，也进一步确保和施工质量和施工安全。

（3）应用综合物探方法比常规单一物探方法的解译结果更加准确，从长远来看，综合应用物探方法在公路岩溶勘察中具有广泛的应用前景，可以为公路工程建设提供详实的勘察资料。