基于高密度電阻率法的城市地下巖溶探測技術應用研究

楊旺興

中鐵十六局集團有限公司北京軌道交通工程建設有限公司 北京 101199

中國是世界上巖溶最為發育的國家之一，其巖溶區總面積在300萬平方公里以上，并集中分布于我國南方地區[1]，且隨著經濟社會的不斷發展進步，在其內開展各類工程建設難以避免，尤其是在城市的地下空間建設中。而巖溶發育區由于受到氣候條件、地形地貌、地質構造和巖性等多種因素的制約和影響，在其內形成的巖溶洞穴具有隱蔽性、隨機性和不確定性，難以定位識別，從而危害城市各類工程的安全建設，屬于工程地質中一種典型的不良地質體[2]。鑒于此，在巖溶發育地區開展各類地上或地下工程建設時，必須首先要查明其內巖溶區的空間分布情況，尤其是巖溶洞穴的位置、埋深、規模和空間分布情況，以便進行針對性的安全治理，防止隱伏巖溶洞穴存在誘發的地表沉降變形、塌陷等次生地質災害事故的發生[3]。

事實上，對于巖溶區的探測，其技術手段不斷發展進步，但總結起來目前主要有兩種探測技術方法，第一種探測技術方法為工程鉆探，其為一種直接探測巖溶區的技術方法，但存在“一孔之見”的缺點，大間距布設容易遺漏巖溶洞穴，小間距布設鉆探成本又太高，探測周期也長，且難以避免遺漏小的巖溶洞穴；第二種為地球物理探測技術方法，其為一種間接探測巖溶區的技術方法，其方法種類較多，常見的如高密度電阻率法、地質雷達、跨孔地震CT、微重力法、瞬變電磁法等，具有效率高、成本低的特點，但是單一的地球物理探測技術方法存在一定的多解性[4-5]。因此，如果把工程鉆探和地球物理探測結合起來進行巖溶區探測，就可以在巖溶發育區實現低成本、高效的巖溶洞穴異常探測，特別是其中的高密度電阻率法，具有地質CT的功能，多用于高精度的工程地球物理探測?；诖?，本文以工程建設中遇到的城市地下巖溶區為探測研究對象，以高密度電阻率法為探測技術手段，輔助以工程鉆探驗證，實現對城市復雜地質環境下的巖溶洞穴探測，以對其安全治理，為有關工程建設的施工提供安全保障。

1 城市地下巖溶探測技術理論基礎

高密度電阻率法是一種以地下巖土介質的電阻率差異為理論基礎的地球物理探測方法，屬于傳統上的直流電陣列地球物理探測方法，基于穩定電流場分布理論，通過研究人工建立的地下穩定電場的分布規律來解決工程地質問題。實質上，高密度電阻率法是集傳統電法中的電剖面法和電測深法的一種陣列式勘探技術方法，也是采用A、B、M、N四個電極進行工作，其中A、B電極為發射電極，M、N電極為測量電極，但是采用的電極數量大，從數十個到數百個不等，且不同電極之間可以自由組合，采用多種裝置（溫納裝置、偶極裝置、單邊三極裝置等）和多種極距進行測量，以獲取豐富的地電信息。上述地電信息主要通過測量獲取的電阻率剖面來顯示，通過電阻率剖面中的高電阻率異常、低電阻率異常、不同電阻率值之間的分界面等異常特征來分析研究地下巖土介質的空間分布規律，從而推斷地下隱伏地質體的位置、規模和分布形態特征，進而圈出所要探測目標體的空間位置、埋深和形狀[6-8]。

在高密度電阻率法實際探測過程中，需要沿測線，把全部測量電極按等間距布置到測線的測點上，后利用高密度電法主機和多電極轉換開關來跑極，從而實現電法數據的快速滾動采集。與此同時，高密度電法測量系統可以對每兩個電極間的接地情況進行自動測量檢查，并可控制數據采集裝置和采集極距的變化，用計算機完成整條測線的數據采集工作。每條測線的測量數據采集完畢后存儲在高密度電法測量主機上，通過專門的數據線把測量數據傳輸到桌面計算機中，用專門的高密度電法處理軟件進行數據處理，主要包括數據處理格式轉換、數據預處理（消除畸變數據）和數據迭代反演處理，數據處理后進行數據成圖，結合有關地質數據資料解譯，形成地質-地球物理解譯成果圖件。

2 城市地下巖溶探測技術與探測裝置

城市地質環境比較復雜，對于地球物理探測來說多人文環境干擾，可屬于復雜的人文-地質探測研究區，特別適合采用抗干擾能力強的地球物理探測技術方法，如主動源的電法探測。結合前期的系統研究和選擇，本次城市地下巖溶區探測技術主要采用高密度電阻率法，并針對工程建設需要重點解決城市地表以下50m以內巖溶區精細探測技術難題。

高密度電阻率法探測裝置多種多樣，根據需要，本次采用抗干擾能力強的對稱四極裝置（圖1），也稱AMNB測量裝置，AB電極供電，MN電極測量，具體為溫納裝置，野外作業效率比較高[9]。數據采集設備為重慶頂峰地質勘探有限公司研制的EDJD-3高密度電法測量系統，為分布式電法測量設備，非常適合戶外復雜的地質環境，抗干擾性、穩定性和耐用性良好。

圖1 高密度電阻率法探測裝置工作示意圖

在城市地下巖溶探測過程中，高密度電阻率法測線沿探測目標體走向垂直布設，同時依據場地的大小布設多個測量電極，測量主機通過線纜控制多個電極的滾動測量，進行高密度電法的測量數據采集（圖2）。為了保證城市地下巖溶洞穴探測精度和深度，測量電極距采用1-2m，測量電極數在60道以上，測量供電電壓也在400V以上，確保測量到的最低電位差和電流值都在10以上，以獲取真實可靠的測量結果。

圖2 高密度電阻率法溫納裝置采集數據點空間分布示意圖

采集到的城市地下巖溶探測原始數據，先進行原始數據格式轉換，后進行轉換數據的預處理，壓制和消除因各種干擾因素造成的數據畸變，此后采用專門軟件進行數據反演計算，獲取測量成果數據，并將成果數據繪制成電阻率剖面圖。

3 城市地下巖溶探測技術應用研究實例

3.1 探測研究區地質-地球物理特征

探測研究區位于廣東省廣州市廣花盆地內，區內構造穩定，主要受廣從斷裂帶控制，并遭受了長期的侵蝕和剝蝕作用。由于廣花復式向斜內分布有大面積的可溶性石灰巖，其在地表水、地下水的侵蝕和溶蝕作用下形成了大量溶溝、溶槽、溶洞、巖溶洼地、巖溶漏斗和地下河，并受后期的構造沉降作用影響，使隱伏于地下一定深度空間內。依據已有地質數據資料，探測研究區內分布的地層主要有新生界第四系(Q)地層和石炭系(C) 地層。探測研究區內的土層主要為第四系全新統(Q4)和上更新統 (Q3)，缺失中更新統(Q2)和下更新統(Q1)。全新統由人工填土、淤泥層和淤泥質砂土層組成，上更新統主要為沖積—洪積土層及殘積土層。探測研究區的下部基巖主要為石炭系下統大塘階石磴子段(C1ds)石灰巖。

在探測研究區內，淤泥的電阻率均值為10Ω·m，砂土的電阻率均值為19Ω·m，粘土的電阻率均值為24Ω·m，灰巖的電阻率均值在200Ω·m以上。而巖溶區內的巖溶洞穴由于充水，電阻率值較低，可與完整灰巖區分。綜上，上述巖土介質的電阻率區分明顯，可以采用高密度電阻率法進行探測研究。

3.2 探測研究區數據采集和處理

本次城市地下巖溶探測區主要位于一處城中村中，高密度電阻率法測線沿已有道路布設，共布設了5條測線，每條測線使用96個測量電極，電極間距為2m，測線長度為190m，采用溫納測量裝置進行數據采集，每條測線可以采集數據點1488個。測量過程中，對每個電極進行澆水處理，以使接地電阻在合理區間內，最大程度的保證數據采集質量。

對于采集到的數據，經過數據導入、格式轉換和預處理后，采用電法軟件Geogiga RImager進行反演計算處理，具體反演計算算法為佐迪反演。對于最后得到的反演成果數據，采用專門的繪圖軟件制成電阻率剖面等值線，進行專門的地質-地球物理解譯，圈出巖溶洞穴異常區，并進行鉆探驗證。

3.3 探測研究成果分析研究

對城市地下巖溶高密度電阻率法探測成果，其中有兩條線顯示了較好的巖溶洞穴電阻率異常，且其中1條測線（G-7線）進行了鉆探驗證。本次就以G-7線為主探析高密度電阻率法在城市地下巖溶中的探測效果（圖3）。從圖3可以看出，電阻率剖面等值線圖由到深可以明顯分成三層連續分布的電阻率異常區段，第一區段電阻率異常埋深在0-5m之間，結合地質資料可解譯為地表填土層；第二區段電阻率異常埋深在4-19m之間，可以推測為沉積成因土層，具體為砂土和粘土互層，含水量高的電阻率相對較低，含水量低的電阻率相對較高，但均在100Ω·m以內，屬于典型的沉積巖電阻率特征；第三區段電阻率異常埋深均大于17m，向下由于探測深度有限，無法對其最大埋深做出推斷，其電阻率整體在200Ω·m以上，可以推斷為本區的灰巖基底。在灰巖基底區內，出現三處明顯的低電阻率異常圈閉，分別位于32-48m、72-84m和100-120m處，電阻率異常頂底板埋深分別為19-26m、18-22m和17-30m，其電阻率值明顯低于灰巖電阻率，可以推斷為巖溶洞穴異常。同時，發現高密度電阻率法隨探測深度加大其探測分辨率逐漸降低。

圖3 城市地下巖溶高密度電阻率法探測技術應用研究成果圖

為了驗證高密度電阻率法城市地下巖溶的探測效果如何，在G-7測線112m處進行了鉆探驗證，在其埋深大于20m以上區域發現串珠狀巖溶洞穴。與此同時，地表填圖層、沉積土層和灰巖基底之間的分界面也得到了印證，充分說明了可以采用高密度電阻率法進行城市地下巖溶區的精細探測工作，以查明工程建設區的巖溶區及其內巖溶洞穴的空間分布、埋深和規模，進行系統安全治理，全面保障城市工程建設安全。結合高密度電阻率法探測成果和鉆探驗證成果，克服了鉆探的“一孔之見”，同時充分發揮了高密度電阻率法的地質CT探測功能[10]，這為城市復雜地質環境下的巖溶探測提供了一種新的技術解決方案。

4 結語

（1）高密度電阻率法對淺部低阻異常體有很好的探測效果，可以區分淺部不同巖土介質的空間分布形態、埋深、規模和分界面，達到對不良地質體的定位探測。

（2）高密度電阻率法可以很好的在灰巖區內識別巖溶洞穴異常，但隨著探測深度的加大，其分辨率逐漸降低，深部顯示的巖溶洞穴異常多為多個距離間隔近巖溶洞穴集體顯示。

（3）工程鉆探技術與高密度電阻率法緊密結合，可以以點帶面，高精度實現地質CT功能，克服鉆孔的“一孔之見”，達到對城市地表以下工程地質情況的精細探測。