強干擾條件下高密度電法結合地質雷達探測溶洞分布

阮娟，岑超,2，崔健,2，曹彥榮,2，韓紅慶,2

（1.江蘇省有色金屬華東地質勘查局， 江蘇南京 210007； 2.江蘇華東八一四地球物理勘查有限公司，江蘇南京 210007）

溶洞是巖溶地區工程建設中一種潛在的地質災害，它們規模不一，形狀各異，溶洞易引起地面塌陷，危及建筑物、水庫和礦山等的安全［1-4］。建筑施工前，利用地球物理方法探測場地內溶洞分布以采取相應措施，對保證建筑物安全具有重要意義。

探測溶洞的方法包括高密度電法、地質雷達測量、重力測量、淺層地震發射法、微動測量等［4］。已見利用高密度電法和地質雷達探測溶洞相關文獻資料，孫茂銳等［2］開展了高密度電法與低頻雷達天線同位置巖溶區實測分析。劉振宇等［4］在某城鎮山心村地質環境調查評價工作中，應用高密度電法與地質雷達探測巖溶及土洞。阿發友［5］以貴州省關嶺縣永寧隧道為例，驗證了高密度電法在溶洞探測中的應用效果，并利用地質雷達做了探測對比，總結了兩種方法的優缺性。于清水等［6］在廣西柳州地區使用高密度電法與地質雷達聯合探測地下溶洞，說明了區分充氣溶洞和石灰巖的方法。姚偉等［7］應用高密度電法和地質雷達在昆明長水國際機場開展巖溶勘查，采用地質雷達對高密度電法異常部位進行驗證。此外還有于江龍等［1］、閉遺山［3］報道的案例等。

但上述案例均為自然地貌下的探測實例，僅見一例鉆探驗證。本文以某施工中的強干擾條件下建筑場地的溶洞探測工作為例，結合鉆探驗證成果，說明了強干擾條件下高密度電法結合地質雷達能有效探測溶洞分布。

1 工區概況

1.1 場地概況

本次工作位于正在實施場地平整的建筑工地上，場地內施工車輛較多且有卡車穿梭；地表碎石、雜土堆積，平整度仍較差，總體施工條件為強干擾、地表情況復雜。另受地形限制，場地及周邊可實施物探工作的范圍較小。

場地尚未開挖平整前，實施了數個間距較大的勘察鉆孔，結果顯示場地內巖溶發育。由于地下情況較復雜，鉆孔成果無法顯示地下溶洞的整體分布及聯通情況。因此投入高密度電法、地質雷達物探工作，目的是查明20m以淺的溶洞分布及連通性。物探工作實施時不掌握鉆孔資料，物探成果完成后，將物探推測溶洞范圍與前期鉆探成果進行了對比，兩者基本吻合。由于物探工作是在場地平整進行到后期階段開展的，所以鉆探工作與物探工作的地表高程不同。

1.2 地質概況

根據前期勘察鉆探揭露，場地內基巖為震旦系上統陡山沱組上段（Z2d2）燧石質-灰巖質角礫巖，上覆人工填土層（Q4ml）、第四系全新統坡殘積層（Qdl+el）。各地層巖性特征為：

（1）人工填土（Q4ml）：為褐黃、褐灰色素填土，主要為角礫，夾少量黏性土，角礫成分為山體巖石經加工后的碎屑，局部為黏性土夾約20%～40%的巖石風化碎塊，呈松散狀態，局部稍密狀態，堆填年限小于3年，密實度不均勻，稍濕～濕，呈松散～稍密狀態，層厚0.2m～12.9m。

（2）第四系坡殘積（Qdl+el）黏土：黃褐色、褐灰色，主要由粉黏粒含量約10%～30%的巖石風化碎屑組成，碎屑粒徑1cm～2cm，稍濕～濕，呈可塑，局部硬塑狀態，層厚0.8m～7.3m。

（3）震旦系下統陡山沱組上段（Z2d2）燧石質-灰巖質角礫巖：褐灰、深灰色，碎裂結構，角礫狀構造，巖石中含角礫75%，角礫次圓狀，顆粒直徑數毫米至數厘米，角礫成分以灰巖為主，含約30%的燧石質角礫。局部可見囊狀風化體及溶蝕裂隙、溶蝕孔洞。本次勘察主要揭露為中風化帶。

受溶蝕作用影響，燧石質-灰巖質角礫巖風化帶中巖溶現象發育，其主要表現形態為溶蝕溝槽、溶蝕裂隙或溶洞，溶蝕溝槽、溶蝕裂隙均被溶蝕充填物全充填。溶蝕充填物呈褐灰、褐黃色，主要為黏土夾約30%的風化巖碎屑組成，呈可塑狀態，局部軟塑狀態。視厚度約1m～20m。

1.3 地球物理特征

物性測定結果表明，本區黃墟組（Z2h2）燧石質-灰巖質角礫巖電阻率變化范圍21744Ω·m至9300Ω·m，平均電阻率15534Ω·m，為高阻地層。Q4ml、Qdl+el的電性特征為中高阻。溶洞則由于含水或可塑、軟塑狀態的溶蝕充填物，表現為高阻背景下的低阻異常，或高低阻梯度帶。

2 探測方法

2.1 方法原理

高密度電法是以地下空間內地質體之間的電阻率差異為研究對象，按照協定的觀測系統進行供電與測量，把收錄到的地電數據體進行去噪、計算、分析以及表達，從而揭示出地下介質的空間分布及變化特征［8］。

高密度電法屬于常規直流電法序列，其方法基本原理是利用電源經AB極向地下供一定強度的直流電，同時利用MN極（一般為不極化罐或銅棒）接收地電信息，從而研究地下介質的電阻率變化規律，并結合巖石、土層的物性差異，劃分異常，圈定不同類型的地質體。如圖1所示，在高密度電法施工時，根據提前設計的觀測裝置按照間隔一次性布設好全部電極，包括AB、MN，根據探測深度設置好層數、裝置類型等關鍵參數，可以實現野外數據的全自動采集并計算每個記錄點的電阻值，室內基于儀器采集存儲的電阻率剖面，利用阻尼最小二乘等反演算法完成數據處理、反演工作，獲得深度-電阻率剖面，用于地質解釋。

地質雷達以快速、無損的探測方式，在工程勘察和地質災害勘察等領域發揮著重要的作用，其方法原理是根據不同地層或目標體的電性（主要是介電常數）差異，利用發射線圈（T）發送寬頻帶的高頻電磁波，電磁波在傳播過程中，遇到電性分界面，經反射或折射后返回地面，被布設的接收天線（R）所接收，傳遞到雷達系統中顯示、存儲；利用專業軟件分析雷達主機接收的反射波的波形、信號強度、雙程旅時的變化，推斷出地下目標體的空間特征，如位置、形態和深度等。

如圖1所示，T為發射天線，R為接收天線，由天線T發射的高頻電磁波在地下介質中傳播遇到目標體后發生反射和折射，反射信號返回到地面被天線R記錄，通過雷達主機顯示得到回波曲線。

圖1 高密度電法（上）及地質雷達（下）工作原理圖

2.2 儀器設備及測線部置

高密度電法儀選用DUK-2A型多功能數字高密度電法儀。地質雷達采用瑞典進口的MALA型高精度地質雷達，雷達天線中心頻率為40MHZ。

野外數據采集共完成高密度電法2條，點距2.5m，其中L1線測線長度115m，電極點47個；L2線測線長度125m，電極點51個。探地雷達采用連續測量的方式共完成測線2條，其中D1線與高密度電法L1線部分重復，線長65m；D2線與高密度電法L2線部分重復，線長40m。

3 溶洞探測效果

選擇典型的高密度電法L1線及地質雷達D1線說明溶洞探測效果。高密度電法L1線電阻率反演剖面圖顯示，剖面電性結構成似層狀，深部電阻率偏高，淺部電阻率偏低。根據電性異常特征，圈定2個溶洞。其中：①號溶洞，位于測線33m～105m處，其規模較大，由東向西逐漸變深，呈條帶狀，同時，探地雷達D1剖面也顯示，該溶洞淺部有一層強反射層，推測其內部含水。②號溶洞位于測線的45m～60m處，表現為高低阻梯度帶的異常，推測其內部為溶蝕充填物（圖2、圖3）。

圖2 高密度電法L1線反演剖面及解釋成果

圖3 探地雷達D1線處理剖面成果

4 鉆探驗證情況

L1沿線共有4個鉆孔，自東至西分別為ZK1、ZK2、ZK3、ZK4。四個鉆孔均鉆遇①號溶洞，洞內含水；ZK2深部鉆遇②號溶洞，洞內主要為溶蝕充填物（圖2），與物探推測結果基本一致。

5 結論

（1）強干擾條件下，高密度電法結合地質雷達，互為參考，推測了20m以淺含水溶洞和含溶蝕充填物溶洞的分布范圍，與鉆探結果基本一致。

（2）高密度電法結合地質雷達可較準確查明溶洞分布范圍，指導后期灌漿處理等措施以確保場地安全，是值得推廣的探測溶洞的物探方法組合。