綜合物探技術(shù)在長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線巖溶段的應(yīng)用

袁細(xì)平

(長(zhǎng)沙市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

1 引 言

隨著城市經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，長(zhǎng)沙地鐵開始大規(guī)模建設(shè)。長(zhǎng)沙市軌道交通1號(hào)線一期工程KC-1標(biāo)段營(yíng)盤路站-五一廣場(chǎng)站區(qū)間里程YCK17+50～YCK17+800段，根據(jù)鉆探結(jié)果，巖溶發(fā)育，但鉆探成果不能完整反映巖溶空間分布情況。為了詳細(xì)查明巖溶空間分布情況，經(jīng)過對(duì)各種物探方法的對(duì)比，最終采用跨孔電磁波CT及地震映像法對(duì)巖溶段進(jìn)行了探查，通過綜合分析給出了巖溶空間分布情況。

2 探測(cè)實(shí)例

2.1 工程概況及地質(zhì)概況

測(cè)區(qū)位于長(zhǎng)沙市黃興路(中山亭至五一廣場(chǎng)之間)，靠近五一廣場(chǎng)一側(cè)，由于軌道2#線五一地鐵站正在施工，部分道路封閉，為現(xiàn)場(chǎng)物探工作提供了一定有利的條件。由于測(cè)區(qū)仍能行車，以及附近施工的干擾，對(duì)物探工作的影響仍然不可忽視。

測(cè)區(qū)內(nèi)小里程方向(北邊)下伏為礫巖或砂巖，大里程方向(南邊)下伏為泥灰?guī)r，上覆雜填土、素填土、圓礫、砂及粉質(zhì)黏土等。土石界面深度前期工作揭示為 17 m～ 20 m。

根據(jù)初步勘察鉆孔M1D2-YWD-008、M1Z2-YWD-009基巖為泥盆系泥灰?guī)r，且在M1Z2-YWD-009中存在巖溶發(fā)育，自上而下發(fā)現(xiàn)3個(gè)溶洞：第①個(gè)埋深 27.20 m～ 30.60 m，對(duì)應(yīng)頂?shù)装鍢?biāo)高為 17.30 m、 13.90 m，洞高 3.40 m，軟塑狀黏性土夾卵石半充填，漏水；第②個(gè)埋深 31.50 m～ 34.00 m，對(duì)應(yīng)頂?shù)装鍢?biāo)高為 13.00 m、 10.50 m，洞高 2.50 m，軟塑狀黏性土夾卵石半充填，漏水；第③個(gè)埋深 34.80 m～ 35.30 m，對(duì)應(yīng)頂?shù)装鍢?biāo)高為 9.70 m、 9.20 m，洞高 0.50 m，軟塑狀黏性土夾卵石半充填，漏水。綜合地鐵2號(hào)線五一廣場(chǎng)站的勘察資料，本標(biāo)段內(nèi)巖溶發(fā)育區(qū)段大致為YAK17+550～YAK17+800。

2.2 地球物理特征

本次物探工作巖性為泥灰?guī)r，完整泥灰?guī)r的介電常數(shù)一般為6，對(duì)通過的電磁波表現(xiàn)為低吸收。當(dāng)巖體內(nèi)發(fā)育溶蝕風(fēng)化帶(本區(qū)表現(xiàn)為泥化囊狀體、泥化夾層或含水平破碎帶)時(shí)，由于泥化或含水，其整體介電常數(shù)增大，對(duì)通過的電磁波表現(xiàn)為高吸收。強(qiáng)風(fēng)化破碎帶或泥化夾層的介電常數(shù)大于8，電磁波吸收系數(shù)較大，說明完整泥灰?guī)r與泥化囊狀體、泥化夾層或含水平破碎帶之間物性差異顯著。當(dāng)巖體中存在未充填的巖溶(空洞)時(shí)，空氣的介電常數(shù)為1。上述物性特征說明，測(cè)區(qū)完整泥灰?guī)r與強(qiáng)風(fēng)化破碎帶或泥化夾層及未充填的巖溶(空洞)之間物性差異顯著，滿足鉆孔電磁波CT所需的吸收系數(shù)差異的物性工作條件。

2.3 物探方法的選取及其原理

在工程物探里，探測(cè)巖溶的方法有電法勘探、鉆孔內(nèi)CT、地震映像、地質(zhì)雷達(dá)、高頻大地電磁、瞬變電磁等。而在城市物探中，盡管各個(gè)地層之間存在明顯的電性差異，由于城區(qū)里管線密布，對(duì)電法或者電磁法的數(shù)據(jù)采集以及分析造成的巨大的影響，因此不建議使用電探方法作業(yè)。最為有效的方法是采用跨孔電磁波CT，其次相對(duì)可行的方法是采用地質(zhì)地震映像。

本巖溶區(qū)采用跨孔電磁波CT與地質(zhì)地震映象相結(jié)合的辦法。

3 跨孔電磁波CT

在相鄰兩個(gè)鉆孔中分別放置發(fā)射電磁波天線和接受電磁波天線，水平同時(shí)移動(dòng)或有一定交角的同時(shí)移動(dòng)測(cè)量方式。如圖1所示。每個(gè)孔都與對(duì)側(cè)的孔兩兩配對(duì)形成CT網(wǎng)。在兩個(gè)鉆孔中同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，用以探測(cè)出隧道兩側(cè)兩鉆孔間巖溶的位置及規(guī)模。為了滿足勘探精度的要求，其兩鉆孔間距不大于 20 m。在詳勘階段進(jìn)行該方法勘探，以保證該路段設(shè)計(jì)時(shí)控制成本以及確保施工安全。

但工區(qū)位于長(zhǎng)沙市繁華的黃興路上，受車輛、行人的振動(dòng)影響比較大。需在受振動(dòng)影響相對(duì)較少時(shí)進(jìn)行外業(yè)作業(yè)，也就是在凌晨1：00到5：00間進(jìn)行夜間數(shù)據(jù)采集。

跨孔電磁波CT在隧道黃興路段兩側(cè)41個(gè)鉆孔內(nèi)進(jìn)行，共89對(duì)，按測(cè)試間距不大于 20 m控制。垂直向依據(jù)初勘資料初步設(shè)定為 15 m(18.00 m～33.00 m)，測(cè)試間距為 1.0 m。

圖1 跨孔電磁波CT網(wǎng)示意圖

電磁波CT資料處理：

CT數(shù)據(jù)采集完成后，用下述方法反演計(jì)算，重建兩鉆孔間斷面的吸收系數(shù)二維圖像。由電磁波理論知道，在各向同性均勻巖體中，當(dāng)在一鉆孔中發(fā)射電磁波，另一鉆孔中接收電磁波時(shí)，若發(fā)射天線長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于兩鉆孔間距離，則接收到的電磁波場(chǎng)強(qiáng)為：

(1)

式中：E為相距R處接收到的電場(chǎng)強(qiáng)度，E0是發(fā)射天線處初始輻射常數(shù)，fS(θS)和fr(θS)分別是發(fā)射和接收天線的方向發(fā)布函數(shù)，θS為天線的輻射角度，l為射線路徑，dl為積分元，β為介質(zhì)的吸收系數(shù)，經(jīng)變換：

(2)

對(duì)于(2)式中的投影函數(shù)A進(jìn)行圖像重建可求出目標(biāo)函數(shù)β。具體算法即把圖像劃分成M個(gè)互不重疊的像元，以各像元內(nèi)的重建結(jié)果組成數(shù)字圖像：

∑DijXj=Yi

(3)

式中Dij為第i條射線在第j個(gè)像元中的長(zhǎng)度，Yi是第i條射線迭代計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之差，Xj即要求的第j個(gè)像元中的衰減系數(shù)β，上述方程實(shí)際上是求解一個(gè)大型稀疏矩陣議程組。具體算法有：反投影法(BPT)、代數(shù)重建法(ART)、聯(lián)立迭代重建法(SIRT)和正交變換投影法(LSQR)等等。本次反演方法為聯(lián)立迭代重建法。

4 地質(zhì)地震映像

根據(jù)各個(gè)地層的縱橫波速和天然密度估計(jì)值，就縱波反射而言，黏土-礫石土之間、礫石土-基巖之間、強(qiáng)風(fēng)化巖體-中風(fēng)化巖之間、中風(fēng)化巖-微風(fēng)化巖之間界面存在明顯波阻抗差異的地層界面(強(qiáng)反射界面)。由于地表混凝土路面與下伏黏土層波阻抗差異大，對(duì)地表激發(fā)的縱波的向下傳播有一定影響。中風(fēng)化巖一般較薄，中風(fēng)化巖縱波波速高，與上覆土層有明顯的波阻抗差異，反射波易于分辨，最明顯的反射界面為中風(fēng)化巖頂面。

在工區(qū)測(cè)繪及鉆探揭露的地層中，各土層以及基巖之間，物性差異明顯，為地球物理勘探提供了良好的前提條件。密度和速度差異：粉質(zhì)黏土層速度 0.4 km/s～ 0.9 km/s，圓礫土層速度 0.8 km/s～ 1.5 km/s，基巖速度 2.5 km/s～ 4.6 km/s，

形成良好的物性分界面，使用淺層地震反射波勘探方法確定基巖界面以及劃分不良地質(zhì)段可以取得良好的效果。

根據(jù)工區(qū)條件，使用地質(zhì)地震映像的方法進(jìn)行作業(yè)。但工區(qū)位于長(zhǎng)沙市繁華的黃興路上，受車輛、行人的振動(dòng)影響比較大。需在受振動(dòng)影響相對(duì)較少時(shí)進(jìn)行外業(yè)作業(yè)，也就是在凌晨1：00到5：00間進(jìn)行夜間數(shù)據(jù)采集。在黃興路段兩側(cè)路邊(沿隧道方向)各布置一條測(cè)線(ZF1、ZF2)，共 600 m長(zhǎng)，測(cè)點(diǎn)間距為 0.5 m。

對(duì)于地質(zhì)地震映像，由于目前爆破物品管制，無法采用炸藥爆破做震源，因此，擬采用地質(zhì)地震映像(1次覆蓋)方法，相對(duì)地震多次覆蓋的方法，這個(gè)方法能量相對(duì)較弱，對(duì)異常反應(yīng)能力較差。為保證勘探精度，檢波間距 0.5 m，資料處理后的剖面點(diǎn)距為 0.5 m，偏移距根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

根據(jù)選定原則：跨孔電磁波CT及地質(zhì)地震映像布置示意圖如圖2所示。

圖2 跨孔CT及地震映像測(cè)線布置示意圖

5 成果分析

5.1 地震映像分析

ZF1測(cè)線及ZF2測(cè)線在物探異常上的對(duì)應(yīng)性很明顯，其中ZF1測(cè)線的YCK17+622～YCK17+654與ZF2的YCK17+618～YCK17+649相對(duì)應(yīng)。該地段基巖附近地震反射波的能量時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，表明土石界面附近介質(zhì)存在密度上的差異，導(dǎo)致彈性波能量吸收不均勻。根據(jù)資料成果，推測(cè)該段為小規(guī)模溶蝕發(fā)育帶，主要以裂隙型溶蝕為主。ZF1測(cè)線的YCK17+710～YCK17+800段與ZF2測(cè)線的YCK17+705～+YCK17+800相對(duì)應(yīng)。該地段土石界面附近的彈性波能量基本被吸收掉，在映像剖面上反射波不明顯，推測(cè)該地段溶蝕極為發(fā)育，以溶槽或溶腔類型為主。成果如圖3：地震映像ZF1、ZF2時(shí)間剖面圖。

圖3 地震映像ZF1、ZF2時(shí)間剖面圖

5.2 跨孔電磁波CT成果分析

限于篇幅原因，僅以M1W3-YWD-064中心孔對(duì)(與M1W3-YWD-060、063、065)為例進(jìn)行成果分析(圖4：64-60，64-63，64-65孔間電磁波CT層析成像綜合解釋圖)：

圖4 64-60，64-63，64-65孔間電磁波CT層析成像綜合解釋圖

跨孔電磁波CT層析成像結(jié)果表明，以M1W3-YWD-064為中心的三對(duì)孔吸收系數(shù)異常較多，表明該區(qū)域巖溶十分發(fā)育。現(xiàn)對(duì)各孔對(duì)分析如下：

M1W3-YWD-064與M1W3-YWD-060：連接孔M1W3-YWD-064標(biāo)高 12.7 m～ 18.6 m與孔M1W3-YWD-060標(biāo)高 11.5 m～ 14.6 m條帶狀區(qū)域內(nèi)吸收系數(shù)明顯偏高，推測(cè)該帶狀區(qū)域溶巖溶十分發(fā)育，分析本孔對(duì)跟M1W3-YWD-061與063孔對(duì)交集出的異常帶，發(fā)現(xiàn)與本孔對(duì)垂直方向的巖溶帶淺逐漸尖滅。本孔對(duì)所測(cè)區(qū)域巖溶較發(fā)育，地質(zhì)條件較差。

M1W3-YWD-064與M1W3-YWD-063：連接孔M1W3-YWD-064標(biāo)高 12.7 m～ 18.6 m與孔M1W3-YWD-063標(biāo)高 14.1 m～ 14.5 m條帶狀區(qū)域內(nèi)吸收系數(shù)明顯偏高，推測(cè)該帶狀區(qū)域溶巖溶較發(fā)育。條帶狀區(qū)域靠近孔M1W3-YWD-064方向?qū)捈s 6 m，到孔M1W3-YWD-063時(shí)寬度減小到 0.4 m，本孔對(duì)所測(cè)區(qū)域巖溶較發(fā)育，地質(zhì)條件較差。

M1W3-YWD-064與M1W3-YWD-065：連接孔M1W3-YWD-064標(biāo)高 12.7 m～ 18.6 m與孔M1W3-YWD-065在標(biāo)高 13.5 m～ 20.1 m條帶狀區(qū)域內(nèi)吸收系數(shù)明顯偏高，推測(cè)該帶狀區(qū)域溶巖溶十分發(fā)育。本孔對(duì)所測(cè)區(qū)域巖溶非常發(fā)育，地質(zhì)條件差。

圖5 綜合物探地質(zhì)斷面圖

根據(jù)地震映像及跨孔電磁波CT成像資料成果，得出以下結(jié)論：

(1)左中線及右中線巖性分界位置分別在左中線的YCK17+531及右中線的YCK17+554；

(2)溶蝕不發(fā)育地段為：左中線YCK17+531～YCK17+622(右中線YCK17+554～+YCK17+618)及左中線的YCK17+654～YCK17+710(右中線YCK17+649～YCK17+705)；

(3)溶蝕發(fā)育地段：左中線YCK17+622～YCK17+654(右中線YCK17+618～YCK17+649)；溶蝕極發(fā)育地段：左中線YCK17+710～YCK17+800(右中線YCK17+705～YCK17+800)。

6 結(jié) 語

(1)2016年6月，該地鐵線已建成運(yùn)營(yíng)，根據(jù)綜合物探劃分的巖溶發(fā)育區(qū)，為后期盾構(gòu)機(jī)選型及施工方案提供了依據(jù)，經(jīng)后期施工驗(yàn)證，上述巖溶發(fā)育分區(qū)圖與實(shí)際情況基本相符。

(2)跨孔電磁波CT成像技術(shù)及地震映象是一種巖溶探測(cè)的有效手段，對(duì)于巖溶地區(qū)配合使用工程物探工作，從三維空間上彌補(bǔ)單一鉆探的不足，避免了工作的盲目性，減少了不必要鉆探工作量。