梁慶韶

高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)在巖溶地區(qū)鐵道路基探測(cè)中的應(yīng)用

梁慶韶

梁慶韶1張賽民2邢浩婷2

1.成都理工大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院；2.成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院

高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，在巖溶地區(qū)的工程勘察和災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查過(guò)程中，應(yīng)用范圍非常廣泛。在巖溶地區(qū)的鐵道路基探測(cè)中，應(yīng)用高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)相結(jié)合，能提高探測(cè)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。通過(guò)運(yùn)用這兩種方法的基本原理及野外施工方法，查明鐵道路基及隧道底部的巖溶發(fā)育情況，驗(yàn)證出這兩種方法在實(shí)際探測(cè)中的應(yīng)用效果良好，為鐵道的后期施工提供了安全保障。

鐵路在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中擔(dān)負(fù)著重要責(zé)任，7·23甬溫線特別重大鐵路交通事故，暴露出國(guó)家在推進(jìn)鐵路發(fā)展過(guò)程中，安全發(fā)展理念履行不到位的問(wèn)題。而在中國(guó)西南地區(qū)的鐵路建設(shè)過(guò)程中，鐵道須穿越巖溶地區(qū)，就需要用地球物理方法查明鐵路設(shè)計(jì)線路的路基及隧道底部的巖溶發(fā)育情況，來(lái)保證鐵路在巖溶地區(qū)順利施工。

高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)這兩種地球物理勘察方法，在實(shí)際的工程物探應(yīng)用中有很多優(yōu)勢(shì)，它們不僅能快速、直觀的獲得檢測(cè)結(jié)果，而且經(jīng)濟(jì)實(shí)用、操作簡(jiǎn)單。在巖溶地區(qū)的鐵路路基建設(shè)過(guò)程中，結(jié)合高密度電阻率法和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)這兩種方法研究鐵道路基下方溶蝕孔洞分布情況，通過(guò)分析電法得出的視電阻率圖像和地質(zhì)雷達(dá)反映的雷達(dá)圖像的異常，可以大致判斷出地下地質(zhì)體的基本情況，再通過(guò)鉆孔驗(yàn)證地質(zhì)體的實(shí)際情況，從而確保鐵道路基的安全建設(shè)。這些優(yōu)勢(shì)決定了這兩種物探方法，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，意義都非常重要。

探測(cè)區(qū)概況

探測(cè)區(qū)位于重慶市某地區(qū)的一條客貨兼運(yùn)的地區(qū)性鐵路的建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)，該地區(qū)地勢(shì)較為平坦，地表植被不發(fā)育，是高密度電法勘探和地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)的理想?yún)^(qū)域。

該探測(cè)區(qū)域是由一系列的山、山脊、溝谷、山間小盆地等組成，平均海拔為700m～800m，最低點(diǎn)海拔高度小于600m，最高點(diǎn)海拔高度在1200m左右，高差達(dá)到400m。區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)情況比較復(fù)雜，上覆地層是第四系全新統(tǒng)地層，下伏基巖是三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組和嘉陵江組地層。主要以沉積巖為主，巖性主要有：泥巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖夾巖溶角礫巖、坡洪積層黏土、碎塊石、塊石土等。

由于區(qū)內(nèi)灰?guī)r、泥巖、砂巖與塊石土之間的介電常數(shù)存在著明顯的電性差異，這為高密度電阻率法探測(cè)巖溶發(fā)育提供了地球物理前提。但是它們之間的電阻率存在交叉重疊，對(duì)解釋精度可能產(chǎn)生一定的影響，因此，就需要用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)作為補(bǔ)充。

高密度電阻率法

高密度電法的基本原理

高密度電法屬于一種直流電阻率法，它的原理與常規(guī)電阻率法大致相同。它可以通過(guò)單次的電極排布，完成縱向和橫向二維勘探的任務(wù)?？v向二維勘探具備電剖面法的特征，橫向二維勘探具備電測(cè)深法的特征，這些特征能夠同時(shí)反映地下某一深度的水平和垂直方向上的巖體電性變化情況。隨著供電電極電極距的增大，高密度法的探測(cè)深度也隨之增大；隨著隔離系數(shù)n逐漸增大時(shí)，測(cè)量電極電極距也逐次增大，這些都能增加電法儀器對(duì)下深層巖體和介質(zhì)的反應(yīng)能力。

高密度電法野外施工方法

在本次高密度電阻率法的測(cè)量工作中，我們使用的儀器是重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的WDJD- 3多功能數(shù)字直流電法儀，該儀器采集數(shù)據(jù)速度快、精度高，而且性能可靠。測(cè)量電極60根，電極距為2m。

為了合理選擇正式施工時(shí)的各種參數(shù)，在正式施工前，我們分別在學(xué)校內(nèi)部以及工作區(qū)做了一定數(shù)量、不同參數(shù)、不同排列裝置的實(shí)驗(yàn)工作，以確定最佳的勘探裝置以及電極間距，把在測(cè)線上最有可能有巖溶發(fā)育的地區(qū)作為工作區(qū)試驗(yàn)段。實(shí)驗(yàn)最終確定長(zhǎng)剖面電極間距5m，α裝置；短剖面針對(duì)不同區(qū)域分別采用5m或3m電極距，α裝置或聯(lián)合剖面裝置測(cè)量。對(duì)于探測(cè)區(qū)內(nèi)可能發(fā)育的充填溶洞，高密度電法適于探測(cè)個(gè)體大，埋藏比較深的溶洞；如果探測(cè)深度過(guò)深，則可根據(jù)需要增加測(cè)線的長(zhǎng)度，以此加大探測(cè)深度；但是高密度電法的分辨率較低，不能反映溶洞內(nèi)部的充填物的分層情況，也不能真實(shí)反映體積較小的溶洞，因此，某些時(shí)候則需要用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)作為補(bǔ)充。

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)

地質(zhì)雷達(dá)的原理

地質(zhì)雷達(dá)通過(guò)主機(jī)控制的探測(cè)天線，向探測(cè)目標(biāo)發(fā)射一定頻率的電磁波，當(dāng)高頻電磁波傳至被探測(cè)體內(nèi)部?jī)煞N不同介質(zhì)的分界面時(shí)，由于兩種介質(zhì)的介電常數(shù)不同而使電磁波發(fā)生反射、折射，入射波、反射波和折射波的傳播遵循反射定律和折射定律，反射波返回被探測(cè)體的表面，并由地質(zhì)雷達(dá)的接收天線所接收，形成雷達(dá)圖像。通過(guò)分析不同介質(zhì)層位上的反射波、反射波組的特征，獲取反射層的介質(zhì)類型、結(jié)構(gòu)等特征屬性。

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的解釋判定原則

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的判定有以下的原則：

不良地質(zhì)體的判斷；如果某處可能出現(xiàn)不良地質(zhì)體，如軟弱層或者水等的時(shí)候，地質(zhì)雷達(dá)的反射波會(huì)在連續(xù)性較好的波組之后突然出現(xiàn)低頻或者衰減的現(xiàn)象；如果某處地下巖層為破碎帶時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)的反射波組會(huì)出現(xiàn)比較凌亂的現(xiàn)象；

不良地質(zhì)體埋藏深度的計(jì)算方法；不良地質(zhì)體埋藏深度的計(jì)算方法可以按照時(shí)深轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換計(jì)算，其中電磁波在介質(zhì)中的傳播速度為V，反射波在檢測(cè)目的界面處所對(duì)應(yīng)的雙程時(shí)間為T，不良地質(zhì)探測(cè)體的界面埋深或探測(cè)體的厚度為H。

典型的地質(zhì)現(xiàn)象與雷達(dá)圖像、波形特征之間存在這一定的關(guān)系

工程實(shí)例及兩種探測(cè)方法比較

高密度電法的工程實(shí)例

本次高密度電法的測(cè)線沿鐵道路基平行布設(shè)兩條，長(zhǎng)度為238m，根據(jù)高密度電法二維反演斷面圖，可以看出在測(cè)線的058～066段的較深部存在一處明顯低阻異常區(qū)域，深度約在5m～10m左右；由與之平行的二維反演斷面圖，也可以看出在058～066段的較深部位，同樣也存在一個(gè)明顯的低阻異常區(qū)，它的電阻率明顯低于其周圍的背景值。根據(jù)電法探測(cè)的解釋原則，可以推斷出該地段為一個(gè)內(nèi)部被黏土和亞黏土等軟弱物質(zhì)充填了的充填式溶洞，從而導(dǎo)致它的導(dǎo)電性增強(qiáng)，電阻率降低。也可以看出在015～163段表層5m～10m呈現(xiàn)明顯低阻，根據(jù)電法探測(cè)的解釋原則，可以推測(cè)出該地段覆蓋層較厚、深度在5m到10m左右；在015～163段，深度15m以下，存在明顯連續(xù)高阻，推斷出該地段為基巖層。在175～239段，由于該段是已經(jīng)硬化的混凝土地面，電極無(wú)法插入，為了獲取比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，我們用黏土將電極固定在地面上，也獲得了理想的數(shù)據(jù)，地下的地質(zhì)情況在二維反演斷面上得到了良好的顯現(xiàn)。

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的工程實(shí)例

本次地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的測(cè)線平行于高密度電法的測(cè)線布設(shè)。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的解釋判定原則，由地質(zhì)雷達(dá)顯示的二維斷面圖，可以看出在258～335段，雷達(dá)反射波突然衰減，可以推測(cè)出地下可能存在充填溶洞，由時(shí)深轉(zhuǎn)換公式可以計(jì)算出溶洞底部較深，可能達(dá)到10m以上；圖像中也可以看出在測(cè)線的0～800段反射波連續(xù)性較好，因此可以推斷該段覆蓋層較厚，深度在5m～10m左右。

兩種方法探測(cè)效果的對(duì)比研究

通過(guò)分析，對(duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)和高密度電阻率法的充填巖溶洞穴的圖像異常特征，需要說(shuō)明的是，由于鐵道路基施工的不同地段存在對(duì)地質(zhì)雷達(dá)法和高密度電法數(shù)據(jù)采集的干擾因素，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)采集質(zhì)量造成了不同程度的影響，降低探測(cè)精度，隧道里面數(shù)據(jù)采集時(shí)不斷有大型機(jī)械工作以及襯砌鋼架都會(huì)影響采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的時(shí)候，要避開(kāi)大型機(jī)械施工的時(shí)段，把這些影響因素減少到最低。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)使用高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)將要進(jìn)行鐵道路基施工的同一地段進(jìn)行探測(cè)，并對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)在室內(nèi)進(jìn)行了處理和解釋，我們通過(guò)沿測(cè)線布置一定數(shù)量的鉆孔，鉆孔的成果與高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)法的解釋成果具有高度的一致性，兩種方法均得到了良好的探測(cè)效果。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.055