基于綜合物探技術的鐵路路基巖溶探測方法研究

曹波

（廣西南崇鐵路有限責任公司，廣西崇左 532299）

0 引言

近年來，隨著鐵路軌道交通在全國工程項目中的增多，出現巖溶、斷裂、采空區等越來越復雜的地質問題。隧道坍塌容易引發粉塵、水、沙等地質災害[1]。為了避免事故發生，在鐵路建設中，需采取必要和有效的檢測方法來探測巖溶結構的具體分布和范圍[2]。通常巖溶和周圍圍巖之間的一個或多個明顯物理差異對于使用綜合物探方法確定熱體至關重要[3]。路基巖溶研究中最常用的探測研究方法包括電學方法、地震方法、微重環境法、射氣排放方法、綜合物探法等[4]。電學方法主要分為兩類：一類是電阻法，包括電剖面法、電聲法、高密度電學法、三電位法等[5]；另一種是電磁方法，包括TEM、綜合物探、EH4、AMT、無線電透視等。地震方法主要包括折射波法、反射波法、剖面地震法、陸地鉆探地震法和地震剖面法[6]。本文使用了綜合物探方法，其優點是綜合物探不影響非均勻體附近的電極，如電阻法，具有效率高、成本低、分辨率高、抗干擾能力強等優點，同時綜合物探法對低密度結構非常敏感[7]。由于熱延遲填充材料，無論是空氣、水還是沉積物，都比周圍的圍巖相對較低。綜合物探可以勘探廣泛的喀斯特高原開發區，還可以繼續分析喀斯特高原開發帶，更準確地識別喀斯特高原結構的邊界和深度，以實現喀斯特高原研究的目標[8]。單一物探方法廣泛應用于巖溶高原、斷裂、采空區的發現，而單種物探方法的多解性也給解釋反演帶來了實際困難。另一方面，還有許多不利因素，如電磁干擾、地下管線干擾和城市水泥硬化道路等，限制了傳統磁電方法的發展。為了解決上述問題，應使用具有較強抗干擾能力的喀斯特高原探測方法，且應易于實施。同時，應使用在多種綜合物探方法中具有額外優勢的組合識別方案，以減少綜合物探研究解決方案造成的不確定性，可以顯著提高研究的影響，并利用鉆探的實際地質條件來揭露和驗證研究的結果。近年來綜合物探法為鐵路路基巖溶研究提供了新的方向。使用自然源信號的探測技術優勢在于防止數據侵入并且擁有抗干擾性，使其特別適合城市中的環境?；谖⑦\動的H/V 頻譜比曲線的最大頻率可用于確定熱起始區中界面的深度。重量測定法是基于密度差，使其可以在地面上進行調節，適合在城市進行高密度、高精度數據采集。本文采用基于綜合物探技術的鐵路路基巖溶探測方法，分析了綜合物料方法在鐵路路基巖溶工程研究中的優勢。

1 基于綜合物探技術的鐵路路基巖溶探測方法設計

1.1 巖石物性參數統計

在研究區采集多組巖石樣品，巖石樣品分布廣泛，具有一定的代表性。統計結果如表1 所示。統計結果表明，黏土、溶洞填充物、碳氫板塊、灰塵、鹽和砂巖都具有低電阻率的特點，角礫巖鹽的平均電阻率水平較高，為中高水平，而灰巖則具有明顯的高電阻率特點。

表1 巖石物性參數統計

溶洞填充物平均熱溶洞密度為1.16 g/cm3，低于其他類型的巖石，特別是與熱溶洞更發育的灰巖相比，密度相差可能達到-1.44 g/cm3。為了正演溶洞引起的表面溫度異常，確定了直徑為5 m 的圓形熱溶洞模型，埋深為地表50 m，熱溶洞密度為1.16 g/cm3，巖層周圍的熱溶洞密度是2.60 g/cm3。上述計算是在GeoIPAS V4.02 軟件重磁正反演模塊中進行的，熱溶洞模型在其正上方的重力為-0.785×10-5m/s2，重力異常明顯。如果溶洞未填充，則溶洞充滿空氣（標準1.293 g/cm3），表面為-1 315×10-5m/s2，重力異常明顯。因此，該研究區域具備綜合物探前提。

1.2 地質剖面繪制

首先，將上述采集到的初始數據通過通信程序傳輸到計算機，用于轉換、數據過濾和缺陷剔除。然后使用Surfer 軟件或使用RES2DINV 高密度電阻率數據反演程序來進行高密度剖面繪制，測線綜合地質剖面如圖1 所示。

圖1 測線綜合地質剖面

通過將巖石物性參數數據和測線綜合地質剖面相結合，獲得了全面的地理剖面圖，直觀地反映了地表剖面的分布和結構特征，以幫助巖溶探測。解釋塔址的地質和綜合物探特征以及基底的綜合物探數據時，應遵循以下原則：電阻測試重疊區域的視電阻率超過400 Ω·m，則將其認定為中等灰巖。高電阻區局部低電阻異常發生時的具體解釋是泥質或水填充的溶洞，由于采用了高密度電法的異常擴展效應，其異常形態應大于實際地質尺寸。將數據的解釋與線路實際地質情況相結合，采用“點線已知到未知，由簡單到復雜”的原則對塔的視電阻率剖面進行了預測和解釋?；谏鲜鼋忉尩脑?，分析并解釋穿過通道基底的測線，其視電阻率相對較低，為20～120 Ω·m，推測為方形荷載層。地表的含水量相對較高，超載層具有高視電阻率的區域被推測為中等灰巖的基礎。塔附近的荷載是發育良好的接縫和裂縫，巖層相對破碎。底板基于高密度電反轉剖面上的低電阻異常板，具有低局部電阻（約400～1 000 Ω·m）和對致密巖石密度質量的高電阻，達到約3 000～5 000Ω·m，視電阻率約20～60 Ω·m。由于高密度電法對異常增大的影響相對較高，因此低電阻異常的范圍相對較高。根據對五極縱軸剖面的分析，五極縱軸的電流密度分布較為集中，對異常的描述相對準確。該輪廓還包含一個低電阻異常區且具有明顯的輪廓特性。視電阻率相對較低的區域預計是由許多完整的冠狀動脈裂縫引起的。位于距離測線187 km 處的電極與腳板的底座緊密相連。反演剖面的高密度法表明，其距測量線的距離約為0～60 km，在與塔左側槽位置對應的局部位置，表層厚度可達到10 m 左右，即對應左側沖溝位置。該位置下部到5 m 的電阻很低，明顯的電阻為20～50 Ω·m。3～6 m 的位置與面向熱溶洞的側壁拆除有關。延伸至下部的低電阻異常被認為是一種熱巖溶洞，經由此驗證后，結合數據繪制完成地質剖面圖。

1.3 基于綜合物探技術實現鐵路路基巖溶探測

綜合物探是一系列將電剖面和電聲相結合的陣列勘探方法。在上述地質剖面繪制的基礎上，利用綜合物探技術對不同巖石和土壤進行實地勘探，使用供電電極A和B向地下提供直流電。然后計算M和N個測量電極之間的可能差異以及測量點的視電阻率。觀測結果的計算公式可表示為：

在公式（1）中，K是裝置系數；決定電極MN之間的實際電勢差，單位為mV；I是電極AB 間的供電電流強度，單位為mA。綜合物探技術工作原理圖如圖2 所示。

圖2 綜合物探技術工作原理圖

常用的裝置主要是Winner、Dipole 和Schlumberger-Shell 裝置，不同裝置的測量結果可能不同。在調查之前，本文將模擬地下巖溶通道，使用一個虛擬模型進行反演，并根據虛擬模型反演結果選擇最佳裝置。以下為模型構造：使用埋藏深度為14～19 m、寬度為18 m、電阻率為10 Ω·m 的低電阻空間來模擬地下巖溶通道?；規r的近似電阻率為300 Ω·m，表層的電阻率為60 Ω·m 厚度為1 m。分別選用Winner、Dipole和Select 三個來自Schlumberger 的設備進行測量，通過在反演中添加2%的隨機噪聲進行測量。在該研究區域，重力場的分布通常與地面區域材料密度的等效分布密切相關。材料密度的分布會影響巖石層面的上部結構以及熱量的空間分布，同時還可能與地層的沉降現象有關。負載下方的巖石的凹陷或尺寸導致材料密度的缺陷或異常，并且巖石表面的尺寸表示高度異常，否則則為低度異常。因此，較低空間中物質密度差異引起的重力變化為探索基巖和升溫空間分布模型提供了理論依據。綜合物探具有簡單有效的研究優勢，在路基巖溶研究的初始階段，對暫定巖溶高原開發區、縮小研究區范圍具有重要作用。同時，對其觀察和分析的結果對其他材料的研究方法具有重要意義?？梢詰糜诠こ痰膶嵤?，通過整體重力的正態方法確定重力異常值（如最大值或最小值）或地面分析函數的唯一點特征，檢測重力異常源的結構、誤差和密度，并評估其位置。這種方法不能直接根據物體的位置和參數、場源的密度界面來計算，但可以收斂這些結構附近梯度的正常整體分析函數，對場源的位置和密度界面的評估更加“直接”，并且大于重力的異常率，具體應用如公式（2）所示。

2 實驗論證

為了驗證本文提出的方法的有效性，對傳統鐵路路基巖溶探測方法與本文提出的探測方法進行了對比實驗，建立了通用的實驗環境。通過傳統方法1、傳統方法2、本文方法三種方式進行實驗，對比三種探測方法的探測時間。

2.1 實驗準備

該研究區域長120 m，寬40 m，屬于沖洪地貌。地表相對較寬，高度為16.5～18.5 m，相對高差為2 m。配置了兩個平行的高精度綜合微型道路剖面儀。受場地因素影響，本實驗對該區域不同環境位置分別進行了6 次實驗，并對實驗數據進行記錄，實驗結果如表2 所示。

表2 三種結果比照分析

2.2 對比實驗

為了使對比結果更加清晰，將表2 繪制為曲線圖，具體如圖3 所示。

圖3 對比結果曲線圖

根據表2 與圖2 可知，傳統方法1 的探測時間為1.32～1.97 s，平均探測時間為1.71 s；傳統方法2 的探測時間為2.65～2.97 s，平均探測時間為2.78 s；而本文提出方法的探測時間為0.24～0.74 s，平均探測時間為0.54 s，平均探測時間比傳統方法1 低1.17 s，比傳統方法2 低2.24 s，探測時間最短，能夠始終低于1 s,探測效率較高。

3 結語

綜合物探技術可以有效地應用于鐵路巖溶勘察、基巖地表描述等方面的探索。如果測點存在巖溶，則重力值顯示出顯著的重力異常。如果測點以下的巖溶沒有暴露出來，并且巖石石相對完整，則重力值呈明顯的上升趨勢?；谶@種特性，結合勘探技術，可以有效地確定巖溶發育的位置，亦能反演出巖溶在縱向上發育的規模大小及其標高情況。并且，通過實驗驗證綜合物探技術可有效提高鐵路路基巖溶探測的效率，有助于及早發現地質災害風險，采取相應防護措施，降低鐵路運營風險。與此同時，高效的巖溶探測可以幫助規劃者和決策者在選址和規劃階段避開或減少對重要資源的占用，實現資源的合理利用和保護。通過提高巖溶探測的效率，可以快速發現和評估潛在的地下危險，采取相應的安全措施，保障人員的安全和健康。