高密度電法在云桂線鐵路巖溶路基勘察中的應用

葉唐進，謝 強，趙 文，文江泉

(1.西藏大學工學院，西藏拉薩850000;2.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

近幾年，我國鐵路建設迅猛發(fā)展，南方大部分鐵路跨越巖溶區(qū)。在高速鐵路對地基承載力的要求較高的情況下，淺層巖溶洞穴的存在使得地基承載力較弱，若處置不當，易造成路基的塌陷。另外，巖溶地區(qū)水動力活躍，滲流作用強烈，使垂向的落水洞、橫向的地下暗河發(fā)育。地下水的潛蝕易導致地面的塌陷;地下水的沖刷作用，對路基和橋基的穩(wěn)定性構成嚴重威脅，鐵路路基下面巖溶的勘察探明及預防處理越來越受到重視［1］。

目前，鐵路路基巖溶的的勘察手段有瑞雷面波法、地質雷達、電磁CT、對稱四極電測深等多種方法［2］，高密度電法是基于普通電法勘探的最新改進方法，具有工效高、數(shù)據(jù)采集密度大且可根據(jù)不同的地形選擇不同的勘探方法等多種優(yōu)點，現(xiàn)已逐步應用在鐵路巖溶路基勘察中。

新建云桂線DK457+790～DK473+290段內，在前期鉆探勘察中發(fā)現(xiàn)大量覆蓋型巖溶，對該高速鐵路的修建和營運構成嚴重的威脅?，F(xiàn)場結合地質鉆探，利用高密度電法對鐵路路基覆蓋型巖溶進行縱斷面雙線勘察，通過對比判釋，準確勘察地下巖溶的發(fā)育特征，為后續(xù)施工整治提供建議。

1 工程地質條件

1.1 地理位置及地形地貌

云桂線DK457+790～DK473+290段位于云南廣南縣與邱白縣之間，途徑珠琳鎮(zhèn)，全長15.5 km。本段在云貴高原區(qū)域，高原地貌為由低中山、丘陵和高原盆地及溶原組成。

1.2 地層巖性

沿線出露地層的時代較多，形成原因復雜，巖性種類繁多。新生界第四系和下第三系覆蓋層黏土地層主要分布于斷陷盆地、河流階地及河谷內;石炭系，泥盆系灰?guī)r、白云巖為地下主要基巖。

1.3 地質構造

本線所屬區(qū)域新構造運動表現(xiàn)為大面積、整體性及間歇性抬升，間歇性與差異性隆起，斷裂的走滑運動與斷塊坳陷，同時沿線褶皺發(fā)育。區(qū)域地質構造復雜，深大(活動)斷裂規(guī)模大，分布密集，發(fā)育有眾多不同性質的斷層。

1.4 水文地質條件

地下水在不同的地質構造單元，有不同的特征，地下水類型主要有富存于第四系松散層中的孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水等。地下水的主要補給來源為大氣降水，主要補給形式是降雨通過寬淺的溶蝕洼地、漏斗及落水洞等負巖溶形態(tài)，垂直滲入補給，集中注入地下補給地下巖溶水。

1.5 巖溶

本段沿線碳酸鹽巖分布廣泛?；?guī)r、白云巖地層巖溶強烈發(fā)育，地表溶蝕明顯，溶縫、溶槽、石芽、巖溶洼地與漏斗、豎向溶洞、落水洞、巖溶泉等巖溶形態(tài)極為發(fā)育。

2 高密度電法的原理

2.1 高密度電法基本原理

高密度電法的基本工作原理與常規(guī)電阻率法大體相同。它是以巖土體的電性差異為基礎的一種電探方法，根據(jù)在施加電場作用下地中傳導電流的分布規(guī)律，推斷地下具有不同電阻率的地質體的存在情況。高密度電阻率法的物理前提是地下介質間的導電性差異。和常規(guī)電阻率法一樣，它通過A、B電極向地下供電流I，然后在M、N極間測量電位差ΔV，從而可求得該點(M、N之間)的視電阻率值ρs=KΔV/I。根據(jù)實測的視電阻率剖面，進行計算、分析，便可獲得地下地層中的電阻率分布情況，從而可以劃分地層，判定異常等［3］。

2.2 高密度電法工作方法

在野外數(shù)據(jù)采集中，預先人工打好電極，采集數(shù)據(jù)前應檢測電極的接地電阻，接地電阻異常的澆一些鹽水。開始測量后，主機通過通訊電纜、供電電纜向多路電極轉換器發(fā)出工作指令、向電極供電并接收、存貯測量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理時，主機通過通訊軟件把原始數(shù)據(jù)傳輸給計算機。計算機將數(shù)據(jù)轉換成處理軟件要求的數(shù)據(jù)格式，經相應處理模塊進行畸變點剔除、地形校正等預處理后，做二維反演圖。根據(jù)反演電阻率模型斷面圖的變化特征、地質調查資料作地質解釋，并繪制出物探成果解釋圖［4］、［5］。工作流程詳見圖 1。

圖1 高密度電法工作圖

3 現(xiàn)場勘探及結果分析

3.1 現(xiàn)場儀器

儀器為WDJD－3多功能數(shù)字直流激電儀及WDZJ－3多路電極轉換器。該儀器包括:主機、智能電極盒及電纜、純銅電極、電纜連線、電源連接線、通訊連接線、450 V電池等。

3.2 現(xiàn)場裝置設置

現(xiàn)場高密度電法測試的電極裝置采用α2排列，1～30號電極為小里程，31～60號電極為大里程。點距為5 m，共60根電極，最小供電極距為15 m，最大供電極距為295 m，供電電壓為450 V，最小測量信號大于7.5 mV。

3.3 高密度電法勘探結果及分析

使用高密度電法對DK473+260～290斷面進行勘察，并對勘測數(shù)據(jù)進行反演，其地電斷面如圖2。從圖2可見，在縱斷面30m范圍內，表層0～15m以低阻條帶為主，可判釋為地表黏土層，且土石界面位置位于地下15m左右;斷面兩側底層以高阻條帶為主，可判釋為地下完整基巖體，不存在巖體破碎帶及溶洞等弱層;在里程DK473+280以下16～23m深處出現(xiàn)高阻閉合圈，閉合圈范圍集中在斷面中部，近橢圓形，可判釋為地下空洞型異常體，多為空溶洞。

圖2 反演電阻率模型斷面

4 現(xiàn)場地質鉆探及對比分析

現(xiàn)場對DK473+260～290斷面間隔7 m進行地質鉆探，鉆孔深度為20～27m不等，得到其鉆孔地質斷面見圖3。從圖3可見，該斷面土石界面起伏交錯，界面位置位于地下10～15 m之間，覆蓋層以黏土為主，基巖為較完整灰?guī)r。在DK473+280里程點地下16.1～23 m間存在一洞徑大于7m的溶洞，溶洞底部稍充填少量泥沙。對比高密度電法的判釋結果可見，在DK473+260～290里程范圍內，高密度電法對地下巖土界面及地下溶洞的判釋準確有效。

圖3 鉆孔剖面

5 結論

鐵路路基巖溶病害的存在對高速鐵路的修建和運營安全造成極大的威脅，需進行有效勘探。高密度電法相較與傳統(tǒng)鉆探及普通電法勘探，不僅效率高、操作簡單、使用方便，且對地下土石界面及溶洞的判釋準確有效，建議在高速鐵路路基巖溶勘察中推廣應用。

［1］周先明.鐵路路基巖溶隱伏洞穴的探測和整治方法［J］.路基工程，2009(6):55－54

［2］韋德江.既有線鐵路路基巖溶及洞穴探測［J］.鐵道建筑技術，2008(3):52－54

［3］黃紹逵，歐陽玉飛.高密度電法在巖溶勘察中的應用［J］.工程地球物理學報，2009，12(6):720－723

［4］鄧超文，周孝宇.高密度電法的原理及工程應用［J］.西部探礦工程，2006(增刊):278－279

［5］劉曉東，張虎生，黃笑春，等.高密度電法在宜春市巖溶地質調查中的應用［J］.中國地質災害與防治學報，2002，3(1):72－75