惠 軍， 譚維佳

(1. 江蘇省地質(zhì)環(huán)境勘查院，江蘇南京210000；2. 長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西西安710054)

0 引 言

上覆型巖溶具典型的土-巖-空洞三元結(jié)構(gòu)，為電法勘測(cè)提供了良好的物性基礎(chǔ)，但巖溶發(fā)育的無(wú)規(guī)律性導(dǎo)致溶洞大小不規(guī)則、走向縱橫交錯(cuò)、孔洞隱伏，上部覆蓋層對(duì)電場(chǎng)具消散作用，土層和水向巖溶的填充程度不一，導(dǎo)致常規(guī)電法難以精確探測(cè)(劉國(guó)興，2005；朱清耀，2005；胡博等，2008；趙萬(wàn)里，2015；廖友清等，2020)。由于采用固定裝置和程式化操作，常規(guī)電法觀測(cè)方式有限、效率低下，單通道數(shù)據(jù)采集方式使得測(cè)點(diǎn)稀疏，多種因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集存在片面性，即在同一個(gè)點(diǎn)對(duì)地層進(jìn)行電法探測(cè)時(shí)，裝置不同導(dǎo)致數(shù)據(jù)反演結(jié)果相差甚遠(yuǎn)(朱自強(qiáng)等，2004)。例如，巖溶的上覆土層厚度較大時(shí)，常規(guī)電法的垂直分辨率不足以充分反映地下巖溶的異常特征。

在高密度電法的基礎(chǔ)上，超高密度電法以現(xiàn)代數(shù)據(jù)信號(hào)技術(shù)為手段，采用靈活多變的裝置組合，多芯電纜1次可采集多個(gè)電極的數(shù)據(jù)，全自動(dòng)、智能化的工作極大地提高了數(shù)據(jù)的采集量和工作效率，充分提升了已有電極排列的利用率(Sj?dahl et al., 2006；胡樹(shù)林等，2011；馮德山等，2014；何委徽等，2019)。

南京地鐵4號(hào)線(xiàn)樺(墅站)—仙(林東站)區(qū)間龍王山段附近的基巖為三疊系青龍群灰?guī)r，在地質(zhì)鉆探過(guò)程中，部分鉆孔揭示了埋藏深度和大小不一的溶洞，為保障工程的順利進(jìn)行，查明巖體中溶洞的分布情況十分必要。在研究樺-仙區(qū)間工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件以及分析場(chǎng)區(qū)巖土介質(zhì)的地球物理特征的基礎(chǔ)上，采用超高密度電法對(duì)該區(qū)進(jìn)行地電測(cè)量，經(jīng)反演分析獲取地電阻率圖像，結(jié)合巖溶的電阻率異常響應(yīng)特征，判別巖溶的分布范圍、走向、大小及埋藏深度。

1 探測(cè)原理與方法

1.1 超高密度電法的基本原理

超高密度電法與常規(guī)高密度電法的勘探原理相同，本質(zhì)是基于土層和巖層介質(zhì)的電性差異，向大地內(nèi)部激發(fā)一個(gè)穩(wěn)定的人工電場(chǎng)，觀測(cè)電極排列上的電場(chǎng)分布規(guī)律。在指定邊界條件下，電場(chǎng)與空間的位置關(guān)系滿(mǎn)足下列偏微分方程式(Zhou，1998；鐘韜，2008)：

(1)

在無(wú)場(chǎng)源時(shí)，式(1)可簡(jiǎn)化為歐拉公式，即

(2)

實(shí)際地質(zhì)模型的電場(chǎng)分布和邊界條件往往更為復(fù)雜，需借助軟件和數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行求解。超高密度電法的反演計(jì)算可直接獲取不同于常規(guī)電法的2.5D真電阻率剖面圖。在上覆型巖溶中，上部覆蓋層電阻率較低，下部電阻率較高，且存在量級(jí)上的差異；灰?guī)r中的溶洞由于充填形式不同，電阻率的表現(xiàn)也不同，在全充填的溶洞中表現(xiàn)為相對(duì)低阻，在空溶洞中表現(xiàn)為相對(duì)高阻，半充填的溶洞電阻率介于兩者之間。因此，可利用此特征結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行解譯，分析地層的巖性、分布規(guī)律、斷裂構(gòu)造等特征，判定異常性質(zhì)的地質(zhì)體，進(jìn)而解決各種工程地質(zhì)問(wèn)題。

1.2 超高密度電法的探測(cè)方法

超高密度電法是一種多通道全波形的探測(cè)方法，裝置系統(tǒng)自由無(wú)限制，通常將64個(gè)電極按一定的距離置于測(cè)線(xiàn)上，然后將多芯電纜與每個(gè)電極連接，達(dá)到與地震反射勘探相似的多通道數(shù)據(jù)采集方式(圖1)。對(duì)64個(gè)電極從1至64依次編號(hào)，將奇數(shù)電極歸為一組，偶數(shù)電極歸為一組。2組電極分別定義一個(gè)電極為供電電極，即圖1中的A電極和B電極；其余奇偶配對(duì)為接收電極，A電極和B電極的測(cè)點(diǎn)布置依次為：1(A)—2(B)、1(A)—4(B)、…、1(A)—64(B)，3(A)—2(B)、3(A)—4(B)、…、3(A)—64(B)，63(A)—2(B)、63(A)—4(B)、…、63(A)—64(B)。1次通電即可采集61個(gè)電極相對(duì)于某一點(diǎn)位的電位差，根據(jù)互換原理，奇數(shù)組和偶數(shù)組互換為供電電極，因此可獲得1 024次電流極對(duì)，采集1 024×61個(gè)電位差數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集是高密度電法的幾十倍，極大地提高了反演結(jié)果的精度(戴前偉等，2013；馮德山等，2014；姜小強(qiáng)等，2016)。

圖1 超高密度電法地面采集電極排列示意圖Fig. 1 Schematic diagram of electrode arrangement for ground acquisition by ultra-high density resistivity method

為綜合判斷異常地質(zhì)體的走向和范圍，達(dá)到垂直探測(cè)與孔間層析成像的目的，將64個(gè)電極分成2組，按放置位置的不同分為地面方式、井地方式和井井方式(圖2)。

圖2 超高密度電法采集方式Fig. 2 Acquisition of ultra-high density resistivity method(a) Ground acquisition; (b) Ground-well acquisition; (c) Well-well acquisition

采用Flash RES 64多通道超高密度直流電法勘探系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)，儀器主要技術(shù)指標(biāo)為：電壓通道61個(gè)，輸入阻抗>107 Ω，測(cè)量精度<0.5%，干擾壓制>80 dB(對(duì)50 Hz工頻)；輸出直流電壓30、90、250 V，電流<3 A，工作溫度為-20～50 ℃，濕度為95%RH，電源為12 V電瓶。采集方式為地面方式和井井方式：地面方式極距3 m或4 m，數(shù)據(jù)采集周期2 s，電流極對(duì)1 024個(gè)；井井方式極距1 m，數(shù)據(jù)采集周期2 s，電流極對(duì)1 024個(gè)。

2 工程概況

2.1 超高密度電法探測(cè)位置

南京地鐵4號(hào)線(xiàn)工程線(xiàn)路全長(zhǎng)44.184 km，共分為4個(gè)勘察標(biāo)段，其中D4-XK04標(biāo)西起東流站，經(jīng)青龍站、樺墅至仙林東站，共4站3區(qū)間1出入線(xiàn)1車(chē)輛段，全長(zhǎng)約7.20 km，在樺墅站—仙林東站之間設(shè)青龍車(chē)輛段和出入線(xiàn)。研究區(qū)D4-XK04標(biāo)樺墅站—仙林東站區(qū)間采用礦山法施工，區(qū)內(nèi)廣泛分布的灰?guī)r嚴(yán)重影響施工安全，探明灰?guī)r中的巖溶發(fā)育情況成為工程建設(shè)的首要任務(wù)。礦山區(qū)間段(右DK42+058—右DK42+995)如圖3所示，對(duì)比分析各種地球物理方法，對(duì)該段巖溶采用超高密度電法探測(cè)。

圖3 南京地鐵4號(hào)線(xiàn)樺-仙區(qū)間巖溶探測(cè)范圍Fig. 3 Karst detection range of Huashu-Xianlin section of Nanjing Metro Line 4

2.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

勘察揭示，擬建區(qū)間穿越侵蝕堆積崗地(含崗地-坳溝區(qū))和構(gòu)造剝蝕低山丘陵2個(gè)地貌單元。其中樺墅站—龍王山南麓、龍王山北麓—仙林東站為侵蝕堆積崗地區(qū)，上部土層局部發(fā)育坳溝，坳溝內(nèi)堆積土層以黏性土為主，從上至下黏性土的狀態(tài)由流塑逐漸變成可塑和硬塑，黏性土中偶見(jiàn)粉土和粉砂透鏡體。下伏基巖埋深變化較大，分布有象山群的泥質(zhì)砂巖、砂巖，周沖村組的灰?guī)r、泥灰?guī)r，三疊系青龍群的灰?guī)r。周沖村組的灰?guī)r僅分布在龍王山一帶，為構(gòu)造剝蝕低山丘陵區(qū)，土層覆蓋較少。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查，山體表面分布著厚度不均的第四系粉質(zhì)黏土，厚度一般<1.5 m，大部分山體基巖出露，多為強(qiáng)風(fēng)化巖。山下一般土層較厚，達(dá)十幾米，山體地層巖性主要為三疊系青龍群中下部中厚—厚層灰黃色微晶灰?guī)r、泥質(zhì)微晶灰?guī)r，地層產(chǎn)狀為山體南東側(cè)NE38°～65°/SE∠27°～38°、北西側(cè)NE60°/SE∠30°，巖石較堅(jiān)硬，鉆探顯示該段巖體中發(fā)育溶孔和小型溶洞。

研究區(qū)地表水主要為溝塘水。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件及初步勘察結(jié)果，區(qū)內(nèi)地下水可分為3種類(lèi)型：① 松散巖土孔隙潛水，主要分布于上覆第四系土層孔隙內(nèi)，受大氣降水補(bǔ)給，變化較大；② 基巖裂隙水，主要賦存于基巖裂隙和破碎帶中，與上覆土層的孔隙水有一定的連通性；③ 巖溶水，主要賦存于溶洞空腔內(nèi)，與充填的黏性土混合，水量豐富，不受地潛水的影響。

2.3 地球物理特征

地層因物質(zhì)組成和地質(zhì)構(gòu)造的影響而表現(xiàn)出不同的電學(xué)特性，土層與巖石、空氣和水分之間均存在電阻率差異，通過(guò)探測(cè)不同地層的電阻率可推斷地層的巖性、巖溶及斷裂構(gòu)造等。根據(jù)鉆孔揭示，研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境為典型的土-巖-空洞三元結(jié)構(gòu)上覆型巖溶地質(zhì)條件，上部覆蓋層主要為粉質(zhì)黏土和素填土，下部為象山群砂巖和三疊系青龍群灰?guī)r，灰?guī)r內(nèi)巖溶發(fā)育。經(jīng)前期探測(cè)，上覆粉質(zhì)黏土和素填土的電阻率為10～30 Ω·m，砂巖的電阻率為50～250 Ω·m，中風(fēng)化—微風(fēng)化灰?guī)r的電阻率為100～1 000 Ω·m，半充填—全充填溶洞的電阻率為20～100 Ω·m，無(wú)充填溶洞的電阻率為50～400 Ω·m。由此可知，土層-巖層-溶洞三者之間的電阻率有一定的差異，為超高密度電法解釋時(shí)識(shí)別和區(qū)分各個(gè)巖土界面提供了依據(jù)。

3 探測(cè)結(jié)果與分析

3.1 地面探測(cè)結(jié)果分析

測(cè)線(xiàn)左DK41+985(右5 m)—左DK42+237(右18 m)的典型電阻率剖面(圖4)顯示：① 上覆為第四系粉質(zhì)黏土，視電阻率為10～30 Ω·m；② 基巖以三疊系青龍群強(qiáng)—中風(fēng)化灰?guī)r、象山群砂巖為主，其中，砂巖視電阻率為30～200 Ω·m，大部分較完整，局部裂隙較發(fā)育；灰?guī)r視電阻率為30～500 Ω·m，大部分較完整，局部溶蝕裂隙較發(fā)育。從視電阻率曲線(xiàn)形態(tài)分析，左DK41+998—左DK42+077處有20～60 Ω·m的低阻異常，推測(cè)為砂巖裂隙發(fā)育區(qū)域；左DK42+047—左DK42+095處、左DK42+127—左DK42+220處有20～80 Ω·m的低阻異常，推測(cè)為溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)域。

圖4 南京地鐵4號(hào)線(xiàn)樺-仙區(qū)間左線(xiàn)巖溶探測(cè)結(jié)果Fig. 4 Karst detection results of the left line of Huashu-Xianlin section of Nanjing Metro Line 4

測(cè)線(xiàn)右DK41+972(右5 m)—右DK42+224(右23 m)的典型電阻率剖面(圖5)顯示：① 上覆為第四系粉質(zhì)黏土，視電阻率為10～30 Ω·m；② 基巖為象山群砂巖、三疊系青龍群強(qiáng)—中風(fēng)化灰?guī)r，其中砂巖視電阻率為30～150 Ω·m，大部分較完整，局部裂隙較發(fā)育；灰?guī)r視電阻率為30～400 Ω·m，大部分較完整，局部溶蝕裂隙較發(fā)育。從視電阻率曲線(xiàn)形態(tài)分析，右DK41+982—右DK42+055處有20～60 Ω·m的低阻異常，推測(cè)為砂巖裂隙發(fā)育區(qū)域；右DK42+047—右DK42+085、右DK42+100—右DK42+212處有20～80 Ω·m的低阻異常，推測(cè)為溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)域。

圖5 南京地鐵4號(hào)線(xiàn)樺-仙區(qū)間右線(xiàn)巖溶探測(cè)結(jié)果Fig. 5 Karst detection results of the right line of Huashu-Xianlin section of Nanjing Metro Line 4

3.2 井井探測(cè)結(jié)果分析

在隧道里程右DK42+121上，垂直隧道走向布置G68孔—G67孔井井測(cè)線(xiàn)(圖6a)。上覆為粉質(zhì)黏土，下伏為三疊系青龍群強(qiáng)—中風(fēng)化灰?guī)r。從電阻率值和曲線(xiàn)形態(tài)上看，兩孔之間灰?guī)r大部較完整，局部溶蝕裂隙發(fā)育。兩孔之間距G68孔2～29 m、深10～21 m處溶蝕裂隙發(fā)育；G67孔在21 m附近及40 m處有低阻異常，推測(cè)為溶洞，被粉質(zhì)黏土充填，直徑分別約為2、3 m(圖6a)。

圖6 南京地鐵4號(hào)線(xiàn)樺-仙區(qū)間井井探測(cè)結(jié)果Fig. 6 Well-well detection results of Huashu-Xianlin section of Nanjing Metro Line 4

在隧道里程右DK42+229上，垂直隧道走向布置G72孔—G74孔井井測(cè)線(xiàn)(圖6b)。上覆為粉質(zhì)黏土，下伏為強(qiáng)中風(fēng)化灰?guī)r。從電阻率值和曲線(xiàn)形態(tài)上看，兩孔之間灰?guī)r溶蝕裂隙發(fā)育。兩孔之間距G72孔0～5 m、深11～28 m處,兩孔之間距G74孔0～19 m、深9～46 m處為溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)域；G72孔在深13、19、25 m處有低阻異常，推測(cè)為溶洞，被粉質(zhì)黏土充填，直徑分別約為2、2、3 m；G74孔在深33 m處有低阻異常，推測(cè)為溶洞，被粉質(zhì)黏土充填，直徑約為3 m；兩孔之間距G74孔9 m、深度14、39 m處有低阻異常，推測(cè)為溶洞，被粉質(zhì)黏土充填，直徑分別約為3、2 m(圖6b)。

4 地質(zhì)鉆孔與解釋成果對(duì)比

在隧道左線(xiàn)方向上布置5個(gè)鉆孔進(jìn)行鉆探(圖4)，結(jié)果表明，超高密度電法對(duì)各土層的層位劃分精確，特別是粉質(zhì)黏土與基巖的分層面與鉆探結(jié)果吻合度高，能有效探測(cè)鉆孔間的地層起伏，提高勘探效率。鉆孔D4Q16G63、D4Q16G2揭示的溶洞標(biāo)高范圍(表1)與電阻率反演結(jié)果相符。根據(jù)鉆孔D4Q16Z15揭示的溶洞標(biāo)高范圍(表1)，推測(cè)0.04～-14.76 m范圍內(nèi)為破碎中等風(fēng)化灰?guī)r，根據(jù)電阻率剖面圖外推其發(fā)育范圍。

在隧道右線(xiàn)方向上布置等量的鉆孔進(jìn)行鉆探(圖5)，驗(yàn)證結(jié)果與圖4的結(jié)論相同。對(duì)比分析圖4與圖5可見(jiàn)，在左右線(xiàn)上地層的分布和變化較穩(wěn)定，地層起伏較一致，針對(duì)圖4中鉆孔D4Q16Z15的溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)外推情況布置了加密鉆孔(如鉆孔D4Q16Z17、D4Q16Z56)。研究區(qū)地質(zhì)溶洞的高密度電法探測(cè)與鉆孔驗(yàn)證結(jié)果(表1)表明，對(duì)溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)的推測(cè)符合驗(yàn)證結(jié)果。

表1 南京地鐵4號(hào)線(xiàn)樺-仙區(qū)間探測(cè)結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of detection results in Huashu-Xianlin section of Nanjing Metro Line 4

在隧道的橫剖面上采用井井方式進(jìn)行勘測(cè)，T1、T2為可塑粉質(zhì)黏土填充的溶洞，T19、T21為軟塑粉質(zhì)黏土填充的溶洞(圖6)。從視電阻率圖像(圖6)看，盡管溶洞非常小，但電阻率在溶洞位置處均出現(xiàn)相對(duì)低阻。圖6提供了隧道在橫向上的地質(zhì)體變化趨勢(shì)，是對(duì)圖4和圖5在空間上的完善，增強(qiáng)了對(duì)地質(zhì)異常體(溶洞和巖溶裂隙發(fā)育區(qū))空間分布的認(rèn)識(shí)。

5 結(jié) 論

(1)采用地面、井井超高密度電法，在樺墅站—仙林東站區(qū)間礦山段范圍內(nèi)布置超高密度電法測(cè)線(xiàn)，基本查明了礦山段覆蓋層厚度、范圍、地層分布情況及灰?guī)r區(qū)巖溶發(fā)育程度。

(2)樺墅站—仙林東站區(qū)間礦山段上覆松散地層為粉質(zhì)黏土及素填土，上覆層厚度為0～20 m，超高密度電法查明了下伏基巖(灰?guī)r)在地鐵線(xiàn)位處的溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)域及溶洞分布位置，表明在上覆型巖溶勘察中超高密度電法具有高精度、高效率、直觀等特點(diǎn)，解釋成果與鉆探驗(yàn)證一致，為土-巖-空洞三元結(jié)構(gòu)的物理探測(cè)提供了一種新方法。

(3)工程物探勘察受地形、樹(shù)林等各種不利條件的影響，受限于物探方法的多解性及勘察精度不高等因素，多為定性認(rèn)識(shí)，建議施工時(shí)在巖溶發(fā)育區(qū)段進(jìn)行施工勘察或采用地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)等手段做好巖溶發(fā)育情況的預(yù)報(bào)工作。