基于高密度电阻率法的城市地下岩溶探测技术应用研究

杨旺兴

中铁十六局集团有限公司北京轨道交通工程建设有限公司 北京 101199

中国是世界上岩溶最为发育的国家之一，其岩溶区总面积在300万平方公里以上，并集中分布于我国南方地区[1]，且随着经济社会的不断发展进步，在其内开展各类工程建设难以避免，尤其是在城市的地下空间建设中。而岩溶发育区由于受到气候条件、地形地貌、地质构造和岩性等多种因素的制约和影响，在其内形成的岩溶洞穴具有隐蔽性、随机性和不确定性，难以定位识别，从而危害城市各类工程的安全建设，属于工程地质中一种典型的不良地质体[2]。鉴于此，在岩溶发育地区开展各类地上或地下工程建设时，必须首先要查明其内岩溶区的空间分布情况，尤其是岩溶洞穴的位置、埋深、规模和空间分布情况，以便进行针对性的安全治理，防止隐伏岩溶洞穴存在诱发的地表沉降变形、塌陷等次生地质灾害事故的发生[3]。

事实上，对于岩溶区的探测，其技术手段不断发展进步，但总结起来目前主要有两种探测技术方法，第一种探测技术方法为工程钻探，其为一种直接探测岩溶区的技术方法，但存在“一孔之见”的缺点，大间距布设容易遗漏岩溶洞穴，小间距布设钻探成本又太高，探测周期也长，且难以避免遗漏小的岩溶洞穴；第二种为地球物理探测技术方法，其为一种间接探测岩溶区的技术方法，其方法种类较多，常见的如高密度电阻率法、地质雷达、跨孔地震CT、微重力法、瞬变电磁法等，具有效率高、成本低的特点，但是单一的地球物理探测技术方法存在一定的多解性[4-5]。因此，如果把工程钻探和地球物理探测结合起来进行岩溶区探测，就可以在岩溶发育区实现低成本、高效的岩溶洞穴异常探测，特别是其中的高密度电阻率法，具有地质CT的功能，多用于高精度的工程地球物理探测。基于此，本文以工程建设中遇到的城市地下岩溶区为探测研究对象，以高密度电阻率法为探测技术手段，辅助以工程钻探验证，实现对城市复杂地质环境下的岩溶洞穴探测，以对其安全治理，为有关工程建设的施工提供安全保障。

1 城市地下岩溶探测技术理论基础

高密度电阻率法是一种以地下岩土介质的电阻率差异为理论基础的地球物理探测方法，属于传统上的直流电阵列地球物理探测方法，基于稳定电流场分布理论，通过研究人工建立的地下稳定电场的分布规律来解决工程地质问题。实质上，高密度电阻率法是集传统电法中的电剖面法和电测深法的一种阵列式勘探技术方法，也是采用A、B、M、N四个电极进行工作，其中A、B电极为发射电极，M、N电极为测量电极，但是采用的电极数量大，从数十个到数百个不等，且不同电极之间可以自由组合，采用多种装置（温纳装置、偶极装置、单边三极装置等）和多种极距进行测量，以获取丰富的地电信息。上述地电信息主要通过测量获取的电阻率剖面来显示，通过电阻率剖面中的高电阻率异常、低电阻率异常、不同电阻率值之间的分界面等异常特征来分析研究地下岩土介质的空间分布规律，从而推断地下隐伏地质体的位置、规模和分布形态特征，进而圈出所要探测目标体的空间位置、埋深和形状[6-8]。

在高密度电阻率法实际探测过程中，需要沿测线，把全部测量电极按等间距布置到测线的测点上，后利用高密度电法主机和多电极转换开关来跑极，从而实现电法数据的快速滚动采集。与此同时，高密度电法测量系统可以对每两个电极间的接地情况进行自动测量检查，并可控制数据采集装置和采集极距的变化，用计算机完成整条测线的数据采集工作。每条测线的测量数据采集完毕后存储在高密度电法测量主机上，通过专门的数据线把测量数据传输到桌面计算机中，用专门的高密度电法处理软件进行数据处理，主要包括数据处理格式转换、数据预处理（消除畸变数据）和数据迭代反演处理，数据处理后进行数据成图，结合有关地质数据资料解译，形成地质-地球物理解译成果图件。

2 城市地下岩溶探测技术与探测装置

城市地质环境比较复杂，对于地球物理探测来说多人文环境干扰，可属于复杂的人文-地质探测研究区，特别适合采用抗干扰能力强的地球物理探测技术方法，如主动源的电法探测。结合前期的系统研究和选择，本次城市地下岩溶区探测技术主要采用高密度电阻率法，并针对工程建设需要重点解决城市地表以下50m以内岩溶区精细探测技术难题。

高密度电阻率法探测装置多种多样，根据需要，本次采用抗干扰能力强的对称四极装置（图1），也称AMNB测量装置，AB电极供电，MN电极测量，具体为温纳装置，野外作业效率比较高[9]。数据采集设备为重庆顶峰地质勘探有限公司研制的EDJD-3高密度电法测量系统，为分布式电法测量设备，非常适合户外复杂的地质环境，抗干扰性、稳定性和耐用性良好。

图1 高密度电阻率法探测装置工作示意图

在城市地下岩溶探测过程中，高密度电阻率法测线沿探测目标体走向垂直布设，同时依据场地的大小布设多个测量电极，测量主机通过线缆控制多个电极的滚动测量，进行高密度电法的测量数据采集（图2）。为了保证城市地下岩溶洞穴探测精度和深度，测量电极距采用1-2m，测量电极数在60道以上，测量供电电压也在400V以上，确保测量到的最低电位差和电流值都在10以上，以获取真实可靠的测量结果。

图2 高密度电阻率法温纳装置采集数据点空间分布示意图

采集到的城市地下岩溶探测原始数据，先进行原始数据格式转换，后进行转换数据的预处理，压制和消除因各种干扰因素造成的数据畸变，此后采用专门软件进行数据反演计算，获取测量成果数据，并将成果数据绘制成电阻率剖面图。

3 城市地下岩溶探测技术应用研究实例

3.1 探测研究区地质-地球物理特征

探测研究区位于广东省广州市广花盆地内，区内构造稳定，主要受广从断裂带控制，并遭受了长期的侵蚀和剥蚀作用。由于广花复式向斜内分布有大面积的可溶性石灰岩，其在地表水、地下水的侵蚀和溶蚀作用下形成了大量溶沟、溶槽、溶洞、岩溶洼地、岩溶漏斗和地下河，并受后期的构造沉降作用影响，使隐伏于地下一定深度空间内。依据已有地质数据资料，探测研究区内分布的地层主要有新生界第四系(Q)地层和石炭系(C) 地层。探测研究区内的土层主要为第四系全新统(Q4)和上更新统 (Q3)，缺失中更新统(Q2)和下更新统(Q1)。全新统由人工填土、淤泥层和淤泥质砂土层组成，上更新统主要为冲积—洪积土层及残积土层。探测研究区的下部基岩主要为石炭系下统大塘阶石磴子段(C1ds)石灰岩。

在探测研究区内，淤泥的电阻率均值为10Ω·m，砂土的电阻率均值为19Ω·m，粘土的电阻率均值为24Ω·m，灰岩的电阻率均值在200Ω·m以上。而岩溶区内的岩溶洞穴由于充水，电阻率值较低，可与完整灰岩区分。综上，上述岩土介质的电阻率区分明显，可以采用高密度电阻率法进行探测研究。

3.2 探测研究区数据采集和处理

本次城市地下岩溶探测区主要位于一处城中村中，高密度电阻率法测线沿已有道路布设，共布设了5条测线，每条测线使用96个测量电极，电极间距为2m，测线长度为190m，采用温纳测量装置进行数据采集，每条测线可以采集数据点1488个。测量过程中，对每个电极进行浇水处理，以使接地电阻在合理区间内，最大程度的保证数据采集质量。

对于采集到的数据，经过数据导入、格式转换和预处理后，采用电法软件Geogiga RImager进行反演计算处理，具体反演计算算法为佐迪反演。对于最后得到的反演成果数据，采用专门的绘图软件制成电阻率剖面等值线，进行专门的地质-地球物理解译，圈出岩溶洞穴异常区，并进行钻探验证。

3.3 探测研究成果分析研究

对城市地下岩溶高密度电阻率法探测成果，其中有两条线显示了较好的岩溶洞穴电阻率异常，且其中1条测线（G-7线）进行了钻探验证。本次就以G-7线为主探析高密度电阻率法在城市地下岩溶中的探测效果（图3）。从图3可以看出，电阻率剖面等值线图由到深可以明显分成三层连续分布的电阻率异常区段，第一区段电阻率异常埋深在0-5m之间，结合地质资料可解译为地表填土层；第二区段电阻率异常埋深在4-19m之间，可以推测为沉积成因土层，具体为砂土和粘土互层，含水量高的电阻率相对较低，含水量低的电阻率相对较高，但均在100Ω·m以内，属于典型的沉积岩电阻率特征；第三区段电阻率异常埋深均大于17m，向下由于探测深度有限，无法对其最大埋深做出推断，其电阻率整体在200Ω·m以上，可以推断为本区的灰岩基底。在灰岩基底区内，出现三处明显的低电阻率异常圈闭，分别位于32-48m、72-84m和100-120m处，电阻率异常顶底板埋深分别为19-26m、18-22m和17-30m，其电阻率值明显低于灰岩电阻率，可以推断为岩溶洞穴异常。同时，发现高密度电阻率法随探测深度加大其探测分辨率逐渐降低。

图3 城市地下岩溶高密度电阻率法探测技术应用研究成果图

为了验证高密度电阻率法城市地下岩溶的探测效果如何，在G-7测线112m处进行了钻探验证，在其埋深大于20m以上区域发现串珠状岩溶洞穴。与此同时，地表填图层、沉积土层和灰岩基底之间的分界面也得到了印证，充分说明了可以采用高密度电阻率法进行城市地下岩溶区的精细探测工作，以查明工程建设区的岩溶区及其内岩溶洞穴的空间分布、埋深和规模，进行系统安全治理，全面保障城市工程建设安全。结合高密度电阻率法探测成果和钻探验证成果，克服了钻探的“一孔之见”，同时充分发挥了高密度电阻率法的地质CT探测功能[10]，这为城市复杂地质环境下的岩溶探测提供了一种新的技术解决方案。

4 结语

（1）高密度电阻率法对浅部低阻异常体有很好的探测效果，可以区分浅部不同岩土介质的空间分布形态、埋深、规模和分界面，达到对不良地质体的定位探测。

（2）高密度电阻率法可以很好的在灰岩区内识别岩溶洞穴异常，但随着探测深度的加大，其分辨率逐渐降低，深部显示的岩溶洞穴异常多为多个距离间隔近岩溶洞穴集体显示。

（3）工程钻探技术与高密度电阻率法紧密结合，可以以点带面，高精度实现地质CT功能，克服钻孔的“一孔之见”，达到对城市地表以下工程地质情况的精细探测。