基于综合物探技术的铁路路基岩溶探测方法研究

曹波

（广西南崇铁路有限责任公司，广西崇左 532299）

0 引言

近年来，随着铁路轨道交通在全国工程项目中的增多，出现岩溶、断裂、采空区等越来越复杂的地质问题。隧道坍塌容易引发粉尘、水、沙等地质灾害[1]。为了避免事故发生，在铁路建设中，需采取必要和有效的检测方法来探测岩溶结构的具体分布和范围[2]。通常岩溶和周围围岩之间的一个或多个明显物理差异对于使用综合物探方法确定热体至关重要[3]。路基岩溶研究中最常用的探测研究方法包括电学方法、地震方法、微重环境法、射气排放方法、综合物探法等[4]。电学方法主要分为两类：一类是电阻法，包括电剖面法、电声法、高密度电学法、三电位法等[5]；另一种是电磁方法，包括TEM、综合物探、EH4、AMT、无线电透视等。地震方法主要包括折射波法、反射波法、剖面地震法、陆地钻探地震法和地震剖面法[6]。本文使用了综合物探方法，其优点是综合物探不影响非均匀体附近的电极，如电阻法，具有效率高、成本低、分辨率高、抗干扰能力强等优点，同时综合物探法对低密度结构非常敏感[7]。由于热延迟填充材料，无论是空气、水还是沉积物，都比周围的围岩相对较低。综合物探可以勘探广泛的喀斯特高原开发区，还可以继续分析喀斯特高原开发带，更准确地识别喀斯特高原结构的边界和深度，以实现喀斯特高原研究的目标[8]。单一物探方法广泛应用于岩溶高原、断裂、采空区的发现，而单种物探方法的多解性也给解释反演带来了实际困难。另一方面，还有许多不利因素，如电磁干扰、地下管线干扰和城市水泥硬化道路等，限制了传统磁电方法的发展。为了解决上述问题，应使用具有较强抗干扰能力的喀斯特高原探测方法，且应易于实施。同时，应使用在多种综合物探方法中具有额外优势的组合识别方案，以减少综合物探研究解决方案造成的不确定性，可以显著提高研究的影响，并利用钻探的实际地质条件来揭露和验证研究的结果。近年来综合物探法为铁路路基岩溶研究提供了新的方向。使用自然源信号的探测技术优势在于防止数据侵入并且拥有抗干扰性，使其特别适合城市中的环境。基于微运动的H/V 频谱比曲线的最大频率可用于确定热起始区中界面的深度。重量测定法是基于密度差，使其可以在地面上进行调节，适合在城市进行高密度、高精度数据采集。本文采用基于综合物探技术的铁路路基岩溶探测方法，分析了综合物料方法在铁路路基岩溶工程研究中的优势。

1 基于综合物探技术的铁路路基岩溶探测方法设计

1.1 岩石物性参数统计

在研究区采集多组岩石样品，岩石样品分布广泛，具有一定的代表性。统计结果如表1 所示。统计结果表明，黏土、溶洞填充物、碳氢板块、灰尘、盐和砂岩都具有低电阻率的特点，角砾岩盐的平均电阻率水平较高，为中高水平，而灰岩则具有明显的高电阻率特点。

表1 岩石物性参数统计

溶洞填充物平均热溶洞密度为1.16 g/cm3，低于其他类型的岩石，特别是与热溶洞更发育的灰岩相比，密度相差可能达到-1.44 g/cm3。为了正演溶洞引起的表面温度异常，确定了直径为5 m 的圆形热溶洞模型，埋深为地表50 m，热溶洞密度为1.16 g/cm3，岩层周围的热溶洞密度是2.60 g/cm3。上述计算是在GeoIPAS V4.02 软件重磁正反演模块中进行的，热溶洞模型在其正上方的重力为-0.785×10-5m/s2，重力异常明显。如果溶洞未填充，则溶洞充满空气（标准1.293 g/cm3），表面为-1 315×10-5m/s2，重力异常明显。因此，该研究区域具备综合物探前提。

1.2 地质剖面绘制

首先，将上述采集到的初始数据通过通信程序传输到计算机，用于转换、数据过滤和缺陷剔除。然后使用Surfer 软件或使用RES2DINV 高密度电阻率数据反演程序来进行高密度剖面绘制，测线综合地质剖面如图1 所示。

图1 测线综合地质剖面

通过将岩石物性参数数据和测线综合地质剖面相结合，获得了全面的地理剖面图，直观地反映了地表剖面的分布和结构特征，以帮助岩溶探测。解释塔址的地质和综合物探特征以及基底的综合物探数据时，应遵循以下原则：电阻测试重叠区域的视电阻率超过400 Ω·m，则将其认定为中等灰岩。高电阻区局部低电阻异常发生时的具体解释是泥质或水填充的溶洞，由于采用了高密度电法的异常扩展效应，其异常形态应大于实际地质尺寸。将数据的解释与线路实际地质情况相结合，采用“点线已知到未知，由简单到复杂”的原则对塔的视电阻率剖面进行了预测和解释。基于上述解释的原理，分析并解释穿过通道基底的测线，其视电阻率相对较低，为20～120 Ω·m，推测为方形荷载层。地表的含水量相对较高，超载层具有高视电阻率的区域被推测为中等灰岩的基础。塔附近的荷载是发育良好的接缝和裂缝，岩层相对破碎。底板基于高密度电反转剖面上的低电阻异常板，具有低局部电阻（约400～1 000 Ω·m）和对致密岩石密度质量的高电阻，达到约3 000～5 000Ω·m，视电阻率约20～60 Ω·m。由于高密度电法对异常增大的影响相对较高，因此低电阻异常的范围相对较高。根据对五极纵轴剖面的分析，五极纵轴的电流密度分布较为集中，对异常的描述相对准确。该轮廓还包含一个低电阻异常区且具有明显的轮廓特性。视电阻率相对较低的区域预计是由许多完整的冠状动脉裂缝引起的。位于距离测线187 km 处的电极与脚板的底座紧密相连。反演剖面的高密度法表明，其距测量线的距离约为0～60 km，在与塔左侧槽位置对应的局部位置，表层厚度可达到10 m 左右，即对应左侧冲沟位置。该位置下部到5 m 的电阻很低，明显的电阻为20～50 Ω·m。3～6 m 的位置与面向热溶洞的侧壁拆除有关。延伸至下部的低电阻异常被认为是一种热岩溶洞，经由此验证后，结合数据绘制完成地质剖面图。

1.3 基于综合物探技术实现铁路路基岩溶探测

综合物探是一系列将电剖面和电声相结合的阵列勘探方法。在上述地质剖面绘制的基础上，利用综合物探技术对不同岩石和土壤进行实地勘探，使用供电电极A和B向地下提供直流电。然后计算M和N个测量电极之间的可能差异以及测量点的视电阻率。观测结果的计算公式可表示为：

在公式（1）中，K是装置系数；决定电极MN之间的实际电势差，单位为mV；I是电极AB 间的供电电流强度，单位为mA。综合物探技术工作原理图如图2 所示。

图2 综合物探技术工作原理图

常用的装置主要是Winner、Dipole 和Schlumberger-Shell 装置，不同装置的测量结果可能不同。在调查之前，本文将模拟地下岩溶通道，使用一个虚拟模型进行反演，并根据虚拟模型反演结果选择最佳装置。以下为模型构造：使用埋藏深度为14～19 m、宽度为18 m、电阻率为10 Ω·m 的低电阻空间来模拟地下岩溶通道。灰岩的近似电阻率为300 Ω·m，表层的电阻率为60 Ω·m 厚度为1 m。分别选用Winner、Dipole和Select 三个来自Schlumberger 的设备进行测量，通过在反演中添加2%的随机噪声进行测量。在该研究区域，重力场的分布通常与地面区域材料密度的等效分布密切相关。材料密度的分布会影响岩石层面的上部结构以及热量的空间分布，同时还可能与地层的沉降现象有关。负载下方的岩石的凹陷或尺寸导致材料密度的缺陷或异常，并且岩石表面的尺寸表示高度异常，否则则为低度异常。因此，较低空间中物质密度差异引起的重力变化为探索基岩和升温空间分布模型提供了理论依据。综合物探具有简单有效的研究优势，在路基岩溶研究的初始阶段，对暂定岩溶高原开发区、缩小研究区范围具有重要作用。同时，对其观察和分析的结果对其他材料的研究方法具有重要意义。可以应用于工程的实施，通过整体重力的正态方法确定重力异常值（如最大值或最小值）或地面分析函数的唯一点特征，检测重力异常源的结构、误差和密度，并评估其位置。这种方法不能直接根据物体的位置和参数、场源的密度界面来计算，但可以收敛这些结构附近梯度的正常整体分析函数，对场源的位置和密度界面的评估更加“直接”，并且大于重力的异常率，具体应用如公式（2）所示。

2 实验论证

为了验证本文提出的方法的有效性，对传统铁路路基岩溶探测方法与本文提出的探测方法进行了对比实验，建立了通用的实验环境。通过传统方法1、传统方法2、本文方法三种方式进行实验，对比三种探测方法的探测时间。

2.1 实验准备

该研究区域长120 m，宽40 m，属于冲洪地貌。地表相对较宽，高度为16.5～18.5 m，相对高差为2 m。配置了两个平行的高精度综合微型道路剖面仪。受场地因素影响，本实验对该区域不同环境位置分别进行了6 次实验，并对实验数据进行记录，实验结果如表2 所示。

表2 三种结果比照分析

2.2 对比实验

为了使对比结果更加清晰，将表2 绘制为曲线图，具体如图3 所示。

图3 对比结果曲线图

根据表2 与图2 可知，传统方法1 的探测时间为1.32～1.97 s，平均探测时间为1.71 s；传统方法2 的探测时间为2.65～2.97 s，平均探测时间为2.78 s；而本文提出方法的探测时间为0.24～0.74 s，平均探测时间为0.54 s，平均探测时间比传统方法1 低1.17 s，比传统方法2 低2.24 s，探测时间最短，能够始终低于1 s,探测效率较高。

3 结语

综合物探技术可以有效地应用于铁路岩溶勘察、基岩地表描述等方面的探索。如果测点存在岩溶，则重力值显示出显著的重力异常。如果测点以下的岩溶没有暴露出来，并且岩石石相对完整，则重力值呈明显的上升趋势。基于这种特性，结合勘探技术，可以有效地确定岩溶发育的位置，亦能反演出岩溶在纵向上发育的规模大小及其标高情况。并且，通过实验验证综合物探技术可有效提高铁路路基岩溶探测的效率，有助于及早发现地质灾害风险，采取相应防护措施，降低铁路运营风险。与此同时，高效的岩溶探测可以帮助规划者和决策者在选址和规划阶段避开或减少对重要资源的占用，实现资源的合理利用和保护。通过提高岩溶探测的效率，可以快速发现和评估潜在的地下危险，采取相应的安全措施，保障人员的安全和健康。