综合物探在岩溶区桥梁勘察中的应用_张超.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation1682023 年 第 13 期文章编号：2095-6835（2023）13-0168-03综合物探在岩溶区桥梁勘察中的应用张 超1，王银平2，叶 辉1（1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430052；2.湖北楚鹏工程勘察设计有限责任公司，湖北 孝感 432100）摘要：乌当（羊昌）至长顺高速公路猫跳河大桥是一座整体式悬索桥，桥位区为灰岩，为了查明乌当岸锚碇位置处的岩溶发育情况，首先根据高密度电法等值线图中低阻分布特征推断岩溶发育范围，再通过电磁波 CT 法的高吸收异常来圈定岩溶发育区的规模，最后采用钻孔电视直观地呈现钻孔内的地质情况。实践结果表明，采用综合物探方法能够高效、准确探明岩溶区的空间分布及规模特征。关键词：岩溶；高密度电法；电磁波 CT 法；钻孔电视法中图分类号：U442文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.13.0511研究背景在碳酸盐岩地区，岩溶作为一种典型的不良地质体，对桥梁桩基工程的影响十分明显。由于岩溶发育极不规律，地质情况复杂，仅靠传统的钻探和地质调绘手段难以查明岩溶发育程度及规模，因此需合理采用多种物探方法开展勘察工作。李树琼等1将高密度电法应用于岩溶地区的勘查，基本查明了北水厂拟建场地部分地段隐伏构造、构造破碎带、岩溶、土洞等不良地质现象的分布；王战军2采用电法追踪水库坝区地下暗河，取得了较为理想的效果；宋先海等3基于电磁波 CT 技术的复杂地质异常探测，表明电磁波 CT 技术在碳酸岩和灰岩地区探测地下地质异常体不仅效果好，而且精度高。本文在总结前人经验的基础上，首先通过高密度电法初步圈定出异常区域，再结合孔内电磁波 CT 法及钻孔电视4确定岩溶的分布及规模，以达到快速精准查明地下岩溶发育的目的，为桥梁基础设计提供可靠的勘探资料。2方法原理2.1高密度电法原理高密度电法是以地下介质的电性差异为基础，通过对地下半空间中传导电流的分布规律判断地下介质的分布特征。在进行高密度电法野外数据采集时，只需将全部电极（几十至上百根）置于测点上，通过系统程序的控制，每次选择电极阵列中的 4 个电极作为供电电极 A、B 和测量电极 M、N。当 A、B 供电时，测出 AB 间的供电电流 I 和 MN 的电位差V，视电阻率s的计算公式如下：IVk=s式中：k 为装置系数，由 A、B、M、N 的位置关系及装置类型所确定。高密度电法以一定极距一次性沿拟测量断面布置多个电极，布设完成后可进行自动记录并采集数据，采集完成后，通过数据处理，得出视电阻率等值线图，通过分析视电阻率的变化特征来确定异常体的分布特征。2.2电磁波 CT 法原理电磁波 CT 法是通过在一个钻孔内向地下介质发射电磁波，当电磁波穿越不同的地下介质时会出现不同程度的衰减，在另一个钻孔内接收电磁波信号，从而测量电磁场的变化。理论表明，有耗介质中半波偶极子天线的发射与接收存在以下关系5-6：）（）（）（LrffEELdexp1rrss0-=式中：E 为与发射天线相距距离为 r 的接收天线处电场强度的数值；E0为发射天线的初始电场强度的数值；fs（s）与 fr（r）分别为发射与接收天线的方向分布函数，其中的s、r为天线的辐射角度的数值；为吸收系数，即介质中单位距离对电磁波的吸收值；L 为射线路径长度的数值。一般来说，吸收系数值越小，地下地质体性状越好，地层越完整；值越大，地下地质体性状越差，地层越破碎。根据异常地质体和完整地层间吸收系数的差异，可以对值分布图像进行合理的地质解释，从而查明岩溶、空洞等不良地质体的大小、形状和空间分布。2.3钻孔电视法原理钻孔电视是通过下井电缆把探头放入井内，探头装配有成像设备和电子罗盘，摄像头通过 360广角镜头摄取孔壁四周图像，利用计算机控制图像采集和图像处理系统，同时控制电机提升、下放探头，自动采集图像，并进行展开、拼接处理，形成钻孔全孔壁柱Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期169状剖面连续图像实时显示，连续采集记录全孔壁图像。3应用实例3.1工区概况乌当岸锚碇位置地形属山凹部位，表层覆盖层较薄，下伏基岩为二迭系下统栖霞组（P1q）灰岩。地质调绘资料显示，该段表层溶沟沟槽发育。3.2数据采集3.2.1高密度电法数据采集仪器采用重庆地质仪器厂生产的DUK-2型电法设备。根据任务要求在乌当岸锚定位置处布置了一条II 高密度电法剖面，采用温纳装置，电极距 7 m，剖面长度为 290 m。物探测线布置平示意图如图 1 所示。图 1物探测线布置示意图3.2.2电磁波 CT 法数据采集仪器采用中科院物化探研究所研发的 JW-5Q 型地下电磁波仪。本次测试在 JZK01、JZK02 孔对间进行，发射频率为 412 MHz，扫频间隔为 2 MHz，采用定发采集方式，发射天线与接收天线的移动步长均为1 m，当发射天线每隔 1 m 固定发射时，接收天线以1 m 的间隔在接收孔中从上而下或从下而上接收电磁波场强，形成一个扇形扫面剖面，依次移动发射天线及接收天线，直至整个剖面采集完成。电磁波 CT 野外数据采集射线分布如图 2 所示。图 2电磁波 CT 野外数据采集射线分布图3.2.3钻孔电视仪器采用湖南奥成 HX-JD-01B 智能钻孔电视成像仪。测试在 JZK01、JZK02 孔内进行，数据采集时，将三脚架架设在孔口，并与孔中心对齐，安装好深度计数器，设置好仪器参数，匀速下放探头，进行数据采集。3.3数据处理与解释3.3.1高密度电法数据处理与解释将原始数据进行格式转换，运用 SEGE 软件对畸变点进行剔除，然后带地形反演输出。视电阻率等值线如图 3 所示。图 3II 剖面视电阻率等值线图由图 3 可知，该剖面视电阻率从上至下表现为由低到高的特征，结合地质情况分析，剖面内地层主要由黏土及白云质灰岩组成。上部为黏土，厚度为 03 m，下伏基岩为白云质灰岩。在剖面长度 80110 m、140160 m 处存在两处明显的呈条带状分布的低阻异常，结合地质调绘和地形等资料分析，该低阻异常主要由垂直溶蚀裂隙引起，不具大规模溶洞发育的特征。锚定位置（剖面长度 130140 m、160170 m）处，岩石视电阻率相对高值，且等值线变化规则，推断岩体较完整，局部溶蚀裂隙较发育。物性地质断面如图 4 所示。为进一步验证高密度电法成果，在锚定位置处布置了 2 个钻孔 JZK01、JZK02，钻探结果显示岩体较完整，局部溶蚀裂隙发育，与物探结果相一致。图 4II 剖面物性地质断面图3.3.2电磁波 CT 法数据处理与解释电磁波成果剖面显示，在 2 个锚定位置之间存在一溶蚀裂隙发育区，发育区的位置靠近 JZK02 处。为距离长度/m1 2701 2601 2501 2401 2301 2201 2101 2001 1900601001502002500601001502002501 2701 2601 2501 2401 2301 2201 2101 2001 190长度/m中风化灰岩溶蚀裂隙发育区JZK02溶蚀裂隙发育区JZK01中风化灰岩科技与创新Science and Technology&Innovation1702023 年 第 13 期了进一步查明两锚定处之间地层的岩溶发育情况，在JZK01、JZK02 孔对间进行电磁波 CT 测试。电磁波CT 成果如图 5 所示。图 5JZK01JZK02 孔间电磁波吸收系数分布及推断地质断面图从图 5 可知，剖面内存在 3 处吸收系数较高的段落，分别在高程 1 2451 255 m、1 2201 240 m、1 2061 210 m，吸收系数在 0.35 dB/m 左右，异常形态均倾向 JZK01 号钻孔，3 处异常均高于剖面的背景值，结合异常的物性特征及地质资料分析，这 3 处异常为断面内围岩溶蚀、裂隙的反应，未见溶洞异常。其中高程 1 2451 255 m、1 2201 240 m 的异常靠近JZK02 孔，高程 1 2061 210 m 的异常靠近 JZK01 孔，电磁波 CT 结果与电法结果相一致。3.3.3钻孔电视法数据处理与解释从钻孔电视录像（图 6、图 7）可以看出，JZK01钻孔在高程 1 2201 230 m 段、高程 1 2151 216 m段、1 2061 210 m 段溶蚀裂隙发育，JZK02 钻孔在高程 1 2341 258 m 段溶蚀裂隙均较发育，2 个钻孔均未揭露溶洞。4结束语本次工作表明，采用高密度电法先划分出异常带的空间分布情况，通过电磁波 CT 吸收系数分布特征图确定两个钻孔之间岩体的岩溶发育程度及分布情况，最后采用钻孔电视录像资料直观反映孔内地质情况，可达到精准综合勘察的目的。电磁波 CT 吸收系数为相对值，主要与仪器的工作参数和地质体的各向异性有关，介质对电磁波的吸收在各个探测剖面中的数值会存在差异，进行地质解释时，应结合地质和钻探资料进行综合判断。高密度电法作为一种间接的探测地下地质情况分布特征的方法，需要采用其他方法进行进一步的验证，综合分析，才能达到良好的勘探效果。图 6JZK01 钻孔电视录像图图 7JZK02 钻孔电视录像图参考文献：1李树琼，蒋丛林，马志斌.高密度电法在岩溶地区勘查中的应用J.矿物学报，2013，33（4）：540-544.2王战军.电法在追索水库坝区地下暗河中的应用J.物探与化探，2019，43（5）：1157-1162.3宋先海，李端有，廖勇龙，等.基于电磁波 CT 技术的复杂地质异常探测J.资源环境与工程，2008（增刊 1）：230-232.4邱陶兴，王洪涛，陶裕录.电磁波井间 CT 成象技术及其在岩土工程中的应用J.华南地震，1994，14（3）：16-23.5罗传华，昌彦君，陶喜林，等.井间电磁波技术在居民区地下洞穴调查中的应用J.工程地球物理学报，2010，7（1）：78-83.6彭耀，樊永生，徐联泽，等.钻孔电视成像在武汉地铁岩溶勘察中的应用J.资源环境与工程，2018，32（1）：134-136.作者简介：张超（1986），男，湖北天门人，学士，工程师，主要从事工程物探工作。（编辑：张超）1 2551 2501 2451 2401 2351 2301 2251 2201 2151 2101 2051 2001 2551 2501 2451 2401 2351 2301 2251 2201 2151 2101 2051 200051015202530长度/mJZK01JZK02051015202530长度/mJZK01JZK02溶蚀裂隙发育区