電磁波CT揭露重大工程巖溶發(fā)育特征
——以某地鐵巖溶勘察為例

王 薇，鄧小虎，金 聰，周紅偉，林 松,*

(1.中國地震局地震研究所,地震預(yù)警湖北省重點實驗室，武漢 430071； 2.武漢地震工程研究院有限公司，武漢 430071)

地質(zhì)勘察工作是重大工程建設(shè)前期的重要基礎(chǔ)工作之一，灰?guī)r地區(qū)地質(zhì)勘察中，查明地下空間的巖溶發(fā)育情況顯得尤為重要。前期基礎(chǔ)地質(zhì)勘察中，巖溶發(fā)育規(guī)模、埋深、空間延伸狀態(tài)直接影響工程勘察進度以及施工人員和設(shè)備安全，后期重大工程建設(shè)中及建成后，巖溶的存在直接關(guān)系到建筑物和人民生命財產(chǎn)安全。巖溶作為灰?guī)r地區(qū)最典型的不良地質(zhì)現(xiàn)象[1]，發(fā)育狀態(tài)千奇百怪，常規(guī)鉆探雖然直觀，但由于數(shù)量的局限性，不能完整提供地下地質(zhì)體巖溶發(fā)育具體規(guī)模以及分布情況，且成本高、噪聲污染大[2]。為快速、準確查明巖溶具體位置、埋深以及發(fā)育規(guī)模，地球物理手段在眾多場地寬闊，受干擾較小地區(qū)的重大工程建設(shè)中發(fā)揮著重要作用：眾多學(xué)者利用高密度電法[3-5]、地震反射波法[6-8]以及探地雷達[9-11]進行巖溶探測和巖溶路基注漿質(zhì)量檢測。然而，城市巖溶探測相比其他巖溶探測具有場地狹窄、干擾因素多。協(xié)調(diào)難度大等特點。高密度電法和地震反射波法測線無法展布，電極和檢波器的插拔亦會存在一定困難，對于城市路面會造成一定破壞；探地雷達則主要在探測深度方面受到局限。因此，重大工程巖溶探測必須根據(jù)場地條件選取合適的地球物理探測方法，隨著地球物理探測方法基礎(chǔ)理論研究方面的不斷深入以及勘探設(shè)備的更新，無論是外業(yè)數(shù)據(jù)采集還是室內(nèi)資料分析和處理，都取得了質(zhì)的飛躍[12]，井間電磁波CT技術(shù)基本不受場地范圍限制，尤其是在潛水面較低的地區(qū)，不像地震CT因為缺水無法耦合而不能開展工作。因此，井間電磁波CT技術(shù)有其自身優(yōu)點，逐漸在城市重大工程巖溶探測中發(fā)揮出優(yōu)勢，進而成為研究熱點，學(xué)者們在正演和反演方面均做了大量工作，取得不少成果：陳湘華等[13]用數(shù)值模擬手段進行電磁波正演模擬；孫茂銳[14]對電磁波CT二維與三維成像進行研究；彭永良等[15]利用鉆孔電磁波 CT進行復(fù)雜采空區(qū)注漿效果檢測；黃生根等[16]通過電磁波CT技術(shù)對溶洞進行模擬分析與應(yīng)用。然而，通過電磁波CT技術(shù)進行巖溶探測，分辨率卻有待進一步提高。

現(xiàn)以某地鐵巖溶勘察為例，采用電磁波CT對灰?guī)r地區(qū)進行巖溶精細探測，應(yīng)用聯(lián)合迭代重建技術(shù)(simultaneous iterative reconstruction technique, SIRT)進行反演，獲取電磁波CT吸收系數(shù)等值線圖，并通過吸收系數(shù)判斷巖溶發(fā)育狀態(tài)。在城市重大工程巖溶勘察中，若采用電磁波CT技術(shù)可對地下空間巖溶發(fā)育狀況進行較為精細的探測，較好查明巖溶發(fā)育規(guī)模與特征；則電磁波CT成果剖面可彌補單純依靠鉆探資料僅提供點信息不足的缺陷，與此同時，勘察速度得到提高，經(jīng)濟成本節(jié)約，具有較高的應(yīng)用價值和科學(xué)意義。

1 地質(zhì)背景與地球物理條件

1.1 地質(zhì)背景

新近紀以來，某地鐵線路經(jīng)過區(qū)內(nèi)地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并有褶皺出現(xiàn)，多呈閉合狀態(tài)，且各地層厚度不均，區(qū)間內(nèi)第四系分布廣泛，巖性主要為河湖相、沖積相和坡積碎屑物，主要有雜填土、粉質(zhì)黏土夾粉土；下伏基巖主要為三疊系大冶組灰?guī)r(T1d)，成傾斜狀態(tài)，角度較陡，局部直立甚至出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)[17-18]；中部為泥質(zhì)灰?guī)r夾黏土巖條帶、泥灰?guī)r夾灰?guī)r條帶、泥灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r、灰?guī)r夾黏土巖(頁巖)；下部為頁巖及鈣質(zhì)頁巖、黏土巖夾灰?guī)r條紋[19]。

1.2 地球物理條件

不同的地下介質(zhì)對電磁波吸收程度不同，介質(zhì)的均勻性、礦物質(zhì)含量、裂隙發(fā)育程度、巖性以及含水量等因素都會導(dǎo)致電磁波的吸收差異。根據(jù)地質(zhì)背景條件、鉆孔資料揭露以及原位測試，某地鐵線路區(qū)間覆蓋層、下伏基巖以及基巖中的裂隙、溶蝕現(xiàn)象對電磁波的吸收系數(shù)存在較大差異(表1)，第四系覆蓋層吸收系數(shù)較大，完整基巖吸收系數(shù)較小，溶洞、溶蝕對電磁波的吸收系數(shù)與巖溶發(fā)育規(guī)模以及填充物質(zhì)有關(guān)，在碳酸鹽巖中，大部分溶洞為無填充或半填充，因此吸收系數(shù)范圍較為固定。基于上述條件，在某地鐵巖溶探測中開展電磁波CT具備良好的地球物理前提。

表1 不同介質(zhì)吸收系數(shù)Table 1 Absorption coefficient of different media

2 井間電磁波CT層析成像技術(shù)

2.1 基本原理

電磁波CT層析成像是基于電磁場理論和天線理論的一種工程物探方法，根本出發(fā)點是基于惠更斯原理，將對稱偶極天線分別置于2個相鄰鉆井中，如圖1所示，進行同步后，通過一個鉆井中放置發(fā)射天線發(fā)射場強為E0的電磁波，另一鉆孔放置接收天線接收場強為E的電磁波，二者關(guān)系為

(1)

式(1)中：β為介質(zhì)對電磁波的吸收系數(shù)；r為接受孔與發(fā)射孔間的距離；f(θ)為與接收和發(fā)射有關(guān)的方向因子；θ為接收點位置與發(fā)射電場方向的夾角[20-21]。

圖1 電磁波CT測試與成像原理圖Fig.1 Electromagnetic wave computed tomography test and imaging schematic diagram

數(shù)據(jù)采集時，先在某一深度固定發(fā)射天線，接收天線在另一孔中由上往下按照一定間距移動，直至達到設(shè)計孔深，可得到若干條射線，每條射線記錄了該射線方向地質(zhì)體對電磁波的吸收狀況。當(dāng)測區(qū)中某點附近有數(shù)條射線通過時，便可以通過式(1)求得該點的物性參數(shù)。

數(shù)據(jù)處理時，可將相鄰兩孔的測量區(qū)間均勻劃分為小方格，以便于實現(xiàn)空間離散化。為方便計算，可設(shè)置m個橫向方格，n個縱向方格，方格總數(shù)為m×n，并對每個方格進行編號1,2,…，k，方格大小可以根據(jù)分辨率要求及數(shù)據(jù)采集情況進行約束調(diào)整。若Xj代表第j個方格地下介質(zhì)對電磁波的吸收系數(shù)，則對于任意一條射線i，到接收點時，其射線的電磁波損失總量Pi可表示為

Pi=A1X1+A2X2+…+AkXk

(2)

式(2)中：Ak為射線經(jīng)過第k個方格的長度。因此，若在井間不同深度進行N次數(shù)據(jù)發(fā)射與接收，則可列出如下矩陣：

(3)

利用矩陣方程可解出每個方格的電磁波吸收系數(shù)，降系數(shù)網(wǎng)格化后便可獲取電磁波吸收系數(shù)等值線圖[21]。

2.2 采集參數(shù)設(shè)置

圖2 不同頻率電磁波電場強度能量-深度變化曲線Fig.2 Electric field intensity energy depth curve of electromagnetic wave with different frequency

選用HX-JDT-02電磁波系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，鉆孔間距為20～25 m，天線頻率選擇4 MHz-8 MHz-12 MHz三種頻率同時進行掃描，采用2.1節(jié)所提及的定發(fā)方式進行數(shù)據(jù)采集，激發(fā)與接收角度控制在45°以內(nèi)，發(fā)射步距為1 m，接收步距為0.5 m，探測深度根據(jù)孔深和PVC管深度共同決定。經(jīng)過測試與比較(圖2)，3種不同頻率的天線對于某地鐵巖溶探測電磁波衰減趨勢差別不大，選擇8 MHz進行數(shù)據(jù)反演成圖。

2.3 數(shù)據(jù)處理

電磁波CT處理方法有代數(shù)重建、聯(lián)合迭代、反投影法、共軛梯度。最大熵法以及波前射線追蹤等[22]。根據(jù)不同的原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理方法也各有優(yōu)缺點，針對某地鐵數(shù)據(jù)采集過程中，高壓和民用電等干擾現(xiàn)象嚴重，為保證收斂，使得反演圖像準確反映實際地質(zhì)情況，采用了聯(lián)合迭代重建技術(shù)(SIRT)進行數(shù)據(jù)處理，處理流程按照圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Data processing flow

3 研究區(qū)探測成果及地質(zhì)解釋

在某地鐵軌道巖溶探測中，按照設(shè)計和規(guī)范要求，沿線路布設(shè)排鉆進行電磁波CT探測，鉆孔間距20～25 m，相鄰兩鉆孔之間進行一一配對，進行井間電磁波CT掃描(圖4)，并按照上述采集參數(shù)和數(shù)據(jù)處理流程獲取CT吸收系數(shù)等值線剖面。選取了7個剖面進行探討，剖面顯示的覆蓋層與灰?guī)r、灰?guī)r與巖溶、溶蝕裂隙區(qū)的吸收系數(shù)差異明顯，巖溶發(fā)育規(guī)模和特征較為清晰，具備較高的分辨率。地質(zhì)成果解釋以CT吸收系數(shù)分布特征為基礎(chǔ)，結(jié)合鉆孔資料對比解釋，最終形成地質(zhì)解釋剖面。

圖5為1號CT剖面、2號CT剖面、3號CT剖面、4號CT剖面聯(lián)合反演成像與地質(zhì)解釋圖。1號剖面以YMK1為發(fā)射孔，YMK2為接受孔；2號剖面、3號剖面以YMK3為發(fā)射孔，分別以YMK2和YMK4為接收孔；4號剖面以YMK5為發(fā)射孔，YMK4為接收孔。將原始數(shù)據(jù)整理后，4個剖面按照所提及的數(shù)據(jù)處理方法進行聯(lián)合反演，從成果圖中可以明顯看出，基巖面與上覆地層界限明顯，巖溶、溶蝕與灰?guī)r之間的視吸收系數(shù)差異較大，覆蓋層視吸收系數(shù)大于0.45 Nper/m，在基巖面之下，巖溶視吸收系數(shù)大于0.72 Nper/m，溶蝕現(xiàn)象視吸收系數(shù)介于0.48～0.72 Nper/m。結(jié)合鉆孔資料對比CT剖面聯(lián)合反演成像：2號剖面與3號剖面之間存在1處規(guī)模較大的視吸收系數(shù)異常，深度范圍為32～38 m，巖溶橫向發(fā)育規(guī)模較大，寬度約18 m，形態(tài)呈不規(guī)則狀態(tài)，溶洞外圍呈不規(guī)則溶蝕狀態(tài)；4號剖面中存在1處形態(tài)不規(guī)則的視吸收系數(shù)異常，深度范圍為33～36 m，巖溶橫向規(guī)模約7 m。對比2號剖面與3號剖面，兩個剖面的視吸收系數(shù)異常在同一位置呈現(xiàn)高度吻合狀態(tài)，且縱向發(fā)育規(guī)模與特征相符。為驗證異常是否存在，在3號剖面和4號剖面中進行了鉆孔驗證，驗證孔分別為YZK1、YZK2。兩個驗證孔揭露的覆蓋層厚度與視吸收系數(shù)所反映的覆蓋層深度一致；驗證孔YZK1揭露3號剖面在深度33～35 m范圍內(nèi)，灰?guī)r呈破碎狀態(tài)，伴隨溶蝕現(xiàn)象，深度35～38.5 m范圍為半填充溶洞；14.3～22.3 m處存在巖溶。驗證孔YZK2揭露4號剖面在深度32～34 m范圍內(nèi)，灰?guī)r呈破碎狀態(tài)，伴隨溶蝕現(xiàn)象，深度34～36 m范圍為半填充溶洞；通過對比發(fā)現(xiàn)，驗證孔揭露的異常位置與CT是視收系數(shù)異常位置相符。

圖4 CT剖面及巖溶平面投影Fig.4 CT profile and karst plane projection

灰?guī)r地區(qū)地下巖溶發(fā)育狀態(tài)千奇百怪，為更加準確揭露巖溶發(fā)育的空間形態(tài)，以YMK3號鉆孔為中發(fā)射孔，分別與鉆孔YRK3、YRK4、YLK3、YLK4配對進行了相同的數(shù)據(jù)采集工作，形成圖4所示的其他剖面。圖6為聯(lián)合5號CT剖面數(shù)據(jù)與6號CT剖面數(shù)據(jù)獲取的反演成果圖。視吸收系數(shù)顯示，覆蓋層深度為26～28 m，5號剖面、6號剖面在同一深度位置32～36 m均出現(xiàn)視吸收系數(shù)異常，視吸收系數(shù)值為0.72 Nper/m。YMK3號鉆孔揭露，33～38 m范圍為半填充溶洞，由此可說明，2、3號剖面揭示的溶洞在5、6號剖面中視吸收系數(shù)也同樣出現(xiàn)異常，圖5結(jié)合圖6，將使YMK3為中心的溶洞空間發(fā)育規(guī)模和形態(tài)更加明確。

圖5 YMK1-YMK2-YMK3-YMK4電磁波CT聯(lián)合反演成果與地質(zhì)解釋圖Fig.5 Joint inversion results and geological interpretation map of YMK1-YMK2-YMK3-YMK4 electromagnetic wave CT

圖7中出現(xiàn)兩處視吸收系數(shù)異常，第一處異常以YMK3為中心，在7號剖面與8號剖面中均有分布，異常深度分布在33～37 m，視吸收系數(shù)為0.76 Nper/m，高于3號剖面中驗證孔YZK1揭露的半填充溶洞的視吸收系數(shù)(該處為0.72 Nper·m-1)，結(jié)合YMK3號鉆孔資料，可知以YMK3號為中心，深度32～38 m范圍內(nèi)的巖溶呈立體分布狀態(tài)，橫向最大規(guī)模為18 m。第二處異常在8號剖面中，31～37 m深度范圍內(nèi)，橫向?qū)挾?0～38 m，視吸收系數(shù)大于0.76 Nper/m，結(jié)合驗證鉆孔YZK3，證實該處為半填充溶洞，填充物質(zhì)多為破碎灰?guī)r夾黏土。

圖6 YRK3-YMK3-YLK4電磁波CT聯(lián)合反演成果與地質(zhì)解釋圖Fig.6 Joint inversion results of YRK3-YMK3-YLK4 electromagnetic wave CT and geological interpretation map

圖7 YRK4-YMK3-YLK3電磁波CT聯(lián)合反演成果與地質(zhì)解釋圖Fig.7 Joint inversion results of YRK4-YMK3-YLK3 electromagnetic wave CT and geological interpretation map

4 結(jié)論

充分利用井間電磁波CT不受場地限制、分辨率較高等優(yōu)點對某地鐵進行巖溶探測，采用SIRT進行反演，獲取了電磁波CT吸收系數(shù)等值線圖，通過視吸收系數(shù)異常與鉆孔資料進行對比解釋，查明地下空間巖溶發(fā)育狀態(tài)，取得良好效果。

研究實例中，以鉆孔YMK3為中心，整合三個方向的8個電磁波CT剖面，最終形成三個聯(lián)合剖面(圖5～圖7)，三個聯(lián)合剖面共揭露5處吸收系數(shù)異常，通過鉆孔資料發(fā)現(xiàn)，覆蓋層吸收系數(shù)大于0.45 Nper/m，溶蝕與半填充溶洞視吸收系數(shù)下界介于0.48～0.76 Nper/m，完整基巖視吸收系數(shù)介于0.35～0.45 Nper/m。異常除利用鉆孔進行驗證之外，三個聯(lián)合剖面呈梅花狀交叉，交叉位置處的異常也得到了相互印證。

隨著城市發(fā)展，地下空間的安全越來越引起人們的重視，重大工程巖溶探測僅依靠鉆探手段提供的點信息來推測巖溶發(fā)育狀態(tài)，甚至推進后期工程建設(shè)將會導(dǎo)致很多隱患。灰?guī)r地區(qū)上覆地層界線變化劇烈，巖溶發(fā)育情況復(fù)雜，不能簡單地依靠工程地質(zhì)剖面來確定地下地質(zhì)情況。井間電磁波CT技術(shù)可充分利用優(yōu)勢，為巖溶探測提供二維面信息甚至是三維信息，以彌補鉆探的局限性，從而為重大工程建設(shè)提供地質(zhì)及地球物理參考依據(jù)，具有較好的科學(xué)意義和研究價值。