各种地球物理勘探方法在查找地下洞穴中的应用研究

#综上所述并通过钻孔验证，说明浅层地震反射波法对采空区的探测是非常有效的一种物探方法。根据不同情况可以采用综合物探的方法会更精确地查找出目的体。3.岩溶的探测岩溶的地球物理特性岩溶一般存在灰岩地区。当灰岩遭受强烈溶蚀作用将发育溶洞，在地下水作用下，上覆土层中的砂土沿溶洞通道被带走，即在土层中发育土洞。土洞和溶洞内一般存在充填物。溶洞内充填物与周围岩体之间存在明显的物性差异，土洞内充填物与覆盖层之间也存在一定的物性差异。3.2探测方法选择对于岩溶探测的主要方法有电法、弹性波CT或电磁波CT、管波探测和探地雷达等。对各种探测方法的选择因勘察阶段不同而不同，一般来说在场地普查阶段，常采用电法中的复合联合剖面法，在场地初勘阶段常采用高密度电法或高密度单点测深法，在在场地详细勘察阶段常采用弹性波CT或电磁波CT，在桩位超前钻或施工阶段常采用管波探测。如果覆盖层较浅（5m以内），还可以采用探地雷达直接对场地进行扫描。其中管波探测是一种最新的针对桩位岩溶探测而发明的方法，可探测出孔旁的岩溶发育情况，精度相当高，可为桩基的设计提供最可靠的地质依据。3.3弹性波CT实例分析工区概况广州白云国际会议中心场地（原东方乐园）根据区域资料，探测地段位于广花盆地内，地层走向为北东，倾角约60°，区域性活动断裂—广从断裂场地外围通过。场地岩土分层主要有填土层、冲洪积层、残积层及下伏石炭系灰岩、炭质页岩、砂岩。基岩主要为石灰岩，且不同程度地发育有土洞及溶洞。地球物理特征场地发现溶洞、土洞，溶洞内一般有充填物。鉴于溶洞位于地下水水位以下，溶洞内充填物一般饱和含水，溶洞内无充填物的部分一般充填有水。溶洞内介质的纵波波速Vp在1500〜2000m/s之间。溶洞外介质一般为灰岩、炭质灰岩，介质的纵波波速Vp在4000〜6000m/s之间。溶洞内外介质存在极为明显的波速差异。根据岩溶发育的一般规律，本区可能有土洞发育。鉴于土洞位于地下水水位以下，土洞内必然充填水。土洞内介质为水，纵波波速Vp=1500m/s。如土洞内介质为流塑状软土，则纵波波速Vp=1400~1600m/s。土洞外介质为饱和含水的第四系土层，纵波波

速Vp在1800〜2000m/s之间。土洞内外介质存在一定的波速差异。333资料处理与成果推断跨孔弹性波CT成像资料的处理流程如下：抽道集-检查激发点道集一初至时间拾取一初至时间检查-射线平均波速计算一初始速度模型预测一CT反演-波速影像图绘制-综合地质解释剖面图绘制成果推断的主要依据见表1:以L02测线后半段（即层号岩土层波速范围（m/s）③2粉质粘土、含炭粉质粘土1600〜1800③3粉质粘土1700〜2000③4粉质粘土、含砾粉质粘土、含碎石粉质粘土1800〜2100⑤强风化岩1900〜2200⑦1微风化岩层号岩土层波速范围（m/s）③2粉质粘土、含炭粉质粘土1600〜1800③3粉质粘土1700〜2000③4粉质粘土、含砾粉质粘土、含碎石粉质粘土1800〜2100⑤强风化岩1900〜2200⑦1微风化岩3500〜5500各岩土层反演波速范围一览表 表1皿BL2.«专&5'图3 L02线跨孔弹性波皿BL2.«专&5'图3 L02线跨孔弹性波CT反演波速影像及综合地质解释剖面图结论本次探测基本查清了场地的岩土分层及土、溶洞等不良地质现象的分布和发育特征，较好地反映了场地的实际地质特征，为场地土、溶洞勾画出一幅较为清晰的图像。高密度电法实例分析3.4.1工区概况广州市花都区赤坭镇岩溶塌陷测区处于广花盆地碳酸盐岩地区。根据区域地质资料，测区位于花县复向斜褶皱构造的次一级背斜部位，地层主要由第四系冲积层（Q）；石炭系下统测水组（Cldc）；石磴子组（Cds）；岩关阶孟公坳组（Gym）。地层主要有第四系冲积层（Q）：为冲积、冲洪积相灰黄色粘土，粉质粘土，灰黑色淤泥、淤泥质土，砂土，局部夹砂层土，厚度8〜35m不等；下伏石炭系灰岩，岩溶发育。溶洞、土洞受到地下水活动影响，而产生地面塌陷等地质灾害现象。3.4.2地球物理特征第四系覆盖层一般饱和含水，电阻率较低；完整的微风化灰岩电阻率极高。如果灰岩遭受强烈溶蚀作用，即发育溶洞，溶洞内充填物电阻率将明显低于周围岩体，与覆盖层电阻率相当。资料处理与成果推断高密度电法按下列步骤进行处理：参数数据输入—视电阻率测量—数据检查—数据转换格式—绘制 ps曲线类型图、绘制等ps断面图、用最小二乘法反演—CAD成图—物探地质解释—剖面输出—完成。成果推断可通过以下三种手段进行：测深类型曲线解释：电测深ps曲线上的低阻异常，一般情况下预示着有低阻地质体的存在，而岩溶（包括土洞、溶洞、溶蚀裂隙等）洞穴充填水或流塑状土等物质，其视电阻率（ps）往往明显下降，从而形成低阻异常，对应ps等值线图或反演断面图呈低阻闭合圈或舌状分布，一般为岩溶发育的反映。当然，这些低阻异常也有可能由炭质或其它不明干扰引起。等ps断面图解释：作为岩土分界线的基岩面，在等ps断面图解释上一般表现为界面可以连续追综、相邻等值线上下间距发生蔬、密变化明显处；岩溶则表现为在平缓的等值线段中突然发生畸变，呈陡坎、凹陷、低阻封闭圈等特征。因此，若异常变化在岩土分界线以上深度，则解释推断为土洞或软弱土层；若异常变化在岩土分界线以下深度，则解释推断为溶洞或裂隙发育。如图 4所示ZK26(45/DI)狂川口儿> ■■ijrr,ZK26(45/DI)狂川口儿> ■■ijrr,"b »g-空wo _二_丄^ j 工*t、;l 8「i'u吐二图4D1测线等ps断面图视电阻率反演断面图解释：视电阻率反演经过软件多个参数合理设置、至少 3次以上拟合生成，均方误差控制合理。视电阻率反演断面图的异常一般表现为带状，带内视电阻率为低阻值，即岩溶发育。如图5所示。ZK26H5/D：E：C2匚无MedelRe引mivty or2E：C2匚无MedelRe引mivty or20CG..522j0Resisti«i1^inohm.m图5D1测线ps反演断面图3.4.4结论本次工作遵循物探勘察从点至线到面的解释推断原则，逐点、逐线进行了解释推断，根据物探异常在平面上的分布特征，最终对整个测区综合归纳解释，推断划分了66条物探异常带，根据其分布情况及岩溶发育的强弱程度，划分强、中、弱岩溶发育区。圈定的物探异常带定义为存在土洞、溶洞、裂隙发育、塌陷的集合，属不良地质体较密集的区域。管波探测法实例分析管波探测法简介管波探测法由广东省地质物探工程勘察院工程技术人员在长期的工程实践中发明，2007年荣获广东省科技进步二等奖，被广东省建设厅列入“广东省建设行业科技成果推广项目”。是在钻孔中利用“管波”这种弹性波探测孔旁一定范围内的溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质体的最新孔中物探方法。通过在桩位中心的一个勘察钻孔，进行管波探测，即可快速探明桩位范围内的岩溶、软弱夹层及裂隙带的发育和分布情况，评价嵌岩桩基桩持力层的完整性，为桩基设计提供直接依据，并可指导基桩施工。3.4.2工区概况广州至贺州高速公路广西灵峰（桂粤界）至八步段三步梯特大桥位于贺州市贺街镇三步梯村内，全长1393.32m。上部结构拟采用预应力混凝土现浇箱梁， 基桩共有288根。据工程地质调绘及钻探工程揭露，桥址区地层结构上部为第四系人工填筑土、种植土（Q4ml）,冲洪积层（Q4al+pl），坡残积层（Q4de），下伏基岩为泥盆系东岗岭组（D2d）砂岩、页岩、炭质页岩；灰岩、泥灰岩等。岩溶极为发育。管波探测原理根据波动理论，在充满液体的钻孔中，任何扰动，都会产生沿钻孔轴向传播的管波（司通莱波），管波在孔液和孔壁外一定范围内传播。管波在传播过程中，在存在波阻抗差异（波阻抗Z为介质的弹性波速度V与介质密度的乘积）的界面处发生透射和反射，反射波的振幅：A=A0R，[R=（Z1-Z2）／（Z1+Z2）]其中A为入射波的振幅，R为界面的反射系数，乙、乙为界面两侧介质的波阻抗。反射波的振幅的强弱反映了界面的波阻抗差异。在剖面中存在明显的倾斜反射波组的位置，必定存在波阻抗差异界面。对灰岩地区，波阻抗差异界面即为孔中、孔旁溶洞边界或软弱夹层顶底界面。管波探测法的原理就是通过分析反射管波的波幅特征，探测波阻抗差异界面，通过对界面的解释，推断孔旁溶洞或软弱夹层的发育情况。根据波动理论中的半波长理论，管波探测法的探测范围为以钻孔中心为圆心，半径为管波波长的1/2的圆柱状空间。考察管波探测时间剖面，各钻孔中管波的波长均不相同，但总体上，约在 1.6〜2.4m之间，即管波探测法的探测半径为0.8〜1.2m344成果资料推断根据管波探测法的探测原理，结合钻孔揭露的岩土分层情况，对发现的波阻抗差异界面进行地质解释，找寻孔中及孔旁岩溶边界或软弱夹层顶底界面。其判别准则如下：a、无倾斜反射波组的基岩段为完整基岩段。 b、存在振幅较大的倾斜反射波组的TOC\o"1-5"\h\z位置，一般为孔中、孔旁溶洞的边界，或钻孔穿过波阻抗差异较大的软弱夹层。 c、存在振幅较小的倾斜反射波组的位置，同时直达波速度较大时（直达波同相轴平直） ，一般为钻孔穿过存在波阻抗差异较小的软弱夹层。 d、存在振幅较小的倾斜反射波组的位置，同时直达波速度较小时（直达波同相轴向下弯曲），一般为孔旁岩石裂隙发育。根据上述判别准则，管波探测法将孔旁岩土层进行了分类，详见表 2。孔旁岩土层物探分类一览表 表2序号物探分类物探解释地质柱状图描述1完整基岩段基岩完整，岩质坚硬，无溶洞。在厚度达到设计要求时，可作为端承桩持力层。定名为弱风化岩（泥质灰岩、白云质灰岩、灰岩），岩质坚硬，岩芯完整，呈柱状。2节理裂隙发育段基岩较完整，岩质较硬，裂隙发育，无大溶洞。在厚度和抗压强度达到设计要求时，建议可考虑作为端承桩持力层。定名为弱风化岩，岩质较坚硬，岩芯多呈饼状、碎块状或短柱状，裂隙发育。3溶蚀裂隙发育段宏观上表现为基岩，存在溶蚀现象及小的溶洞、裂隙发育，部分包含层厚较小的完整基岩。不可作为基桩持力层。定名为弱风化，岩质较软，岩芯多呈饼状、碎块状或短柱状，理裂隙发育，存在溶蚀现象、10〜30cm小溶洞或半边岩溶。4岩溶发育段宏观上表现为岩溶、裂隙发育，部分包含层厚较小的完整基岩。不可作为基桩持力层。定名为溶洞或裂隙发育的微、弱风化岩，见溶蚀、漏水现象。5软弱夹层宏观上表现为基岩，风化程度大，岩体破碎，岩质较软。不可作为基桩持力层。定名为全风化、强风化和岩质较软的弱风化岩（泥质页岩等），岩质较软，岩芯多呈土状、半岩半土状。6土洞第四系土层中的洞穴，无充填或充填流〜软塑状亚粘土，不可作为基桩持力层。定名为土洞，无充填或充填流〜软塑状亚粘土，夹少量碎石、砾砂、角砾。7土层第四系土层、强风化、全风化岩的统称，不宜作为基桩持力层。定名为第四系土层、全风化、强风化岩，部分包含规模较小的岩溶、裂隙发育及土洞、溶洞充填物。如图6所示，由三步梯特大桥左7#3-1#桩位管波探测成果图可看出钻孔有溶洞的位置，必存在管波异常，说明管波对溶洞有明显的异常反映。由此类推，可详细查明桩位范围内的岩溶发育情况。

管波探测解释成果图枫《号4m-w&口翻g123型ZZ1欝莆出育段瀋蚀裂隙袞育段岩潯发育段完整基岩段岩灣題育段斋雀歸段岩涪塩育段濬烛裂隙发育段管波探测解释成果图枫《号4m-w&口翻g123型ZZ1欝莆出育段瀋蚀裂隙袞育段岩潯发育段完整基岩段岩灣題育段斋雀歸段岩涪塩育段濬烛裂隙发育段岩:睿境育段亠节理辍瞬育段濬烛衮魅肓段岩裙屋育段土展图6三步梯特大桥左7#3-1#桩位管波探测成果图344结论通过在桩位中心的一个勘察钻孔，进行管波探测，即可快速探明桩位范围内的岩溶、软弱夹层及裂隙带的发育和分布情况，评价嵌岩桩基桩持力层的完整性。 “管波探测法”与“一桩多孔”的桩位勘察方式相比较，前者比后者节省勘察成本，且建设工期、建筑物安全和稳定性更有保障。4、防空洞探测防空洞的地球物理特征防空洞一般无充填物，外围由混凝土或红砖砌成，其走向和规模有一定规律。防空洞与周围地层存在明显的物性差异。4.2探测方法选择防空洞的探测一般采用高密度电法、探地雷达和瑞雷面波法等。对混凝土的防空洞高精度磁测也有一定的效果。4.3实例分析工区概况珠江地产江门帝景湾二期工程场地面积约 26000m2，其中建筑占地面积约11000m2,根据现有资料表明，场地内分布有防空洞。场地表层为粉质粘土等，下伏全、强风化片岩。本次探测的防空洞基本位于强风化片岩内。地球物理特征防空洞内填充空气，为绝缘体，而防空洞围岩片岩的电阻率一般在500〜2000Q・m。瑞雷面波在片岩中传播速度在200~2000m/s不能在空气中传播，则瑞雷面波在基岩与防空洞界面产生较好的频散现象，测量频散曲线则会出现频散突变点。资料处理与成果推断瑞雷面波的数据处理流程：切除干扰波一拾取瑞雷面波-谱分析一频散曲线计算一频散曲线打印一正反演计算f计算机成图f成果解释。瑞雷面波频散曲线的异常反映特征：在地质体密实完整时，瑞雷面波频散曲线是连续、圆滑的。而在波阻抗突变的地方（防空洞顶界面），频散曲线会发生畸变（离散、开口、脱节型'或锯齿状）。如图6,瑞雷面波在L02测线158-159号点频散曲线在5.2m深度出现突变甚至歼灭，此突变明显为防空洞引起。因此瑞雷面波对防空洞的解释则以此为依据。

防空洞在高密度电法剖面中会呈现高阻异常，但是由于防空洞边缘潮湿或者部分区域被某种导电体填充则防空洞的异常幅度会减弱，因此对防空洞的推断结合了平行测线的异常分布及前期地质资料。三期15号钻孔在L03测线58号点位置，该钻孔在深度5.0~7.8处见防空洞。高密度电法在该处测得明显高阻异常，推断防空洞中心位于该图6L02测线瑞雷面波频散曲线图 测线58号点处，洞顶深度为5m左1V、4IIII8H ■.-r-'L. 推侧为简空洞也直・何顶卷豉加推測为阳却验誉一1V、4IIII8H ■.-r-'L. 推侧为简空洞也直・何顶卷豉加推測为阳却验誉一ifl唤JSdm电号42444648505254565860626466687072747678朋42444648505254565860626466687072747678图7 L03测线高密度电法视电阻率断面图4.3.4结论根据前期的地质资料和防空洞的大致走向，把本次物探异常点投影到平面图上就勾画出了场地内的防空洞的平面分布和走向，直观有效地查明了场地内的防空洞。所测得的防空洞视电阻率及面波速度，并没有像理论中那样规则，这是由于物探方法所测量的值只是对某一深度范围内地质体的综合反映。5、路面、坝体脱空区探测路面、坝体脱空区的地球物理特征路面和坝体等由于支撑土体在地下水作用下发生松动，脱空等现象，对路面和坝体有严重的危害。发生松动或脱空的路面和坝体与正常的建筑结构和地层存在明显的物性差异。5.2探测方法选择检测路面和坝体等混凝土下土层是否发生了松动，脱空等现象，一般选择探地雷达的方法。5.3实例分析工区概况白盆珠水库（西枝江水利枢纽工程）位于东江支流西枝江上游惠东县境内，是一座以防洪为主，结合发电、灌溉、及改善航运等综合利用的大型水利枢纽工程。水库由主坝（砼大坝）、副坝（土坝）及电站等组成，水库正常蓄水位76.0m,水库总库容11.9亿m，属I等大（i）型工程。由于地下水等因素的作用使副坝填土产生土体流失、下沉,从而形成砼防浪护板与副坝填土之间反滤料有脱空、空洞现象。地球物理特征工区内主要存在四种地下介质：砼防浪护板层、卵石层、坝体填土层和空洞。各种地下介质介电常数大致如下：砼防浪护板层的相对介电常数约为6.4；坝体填土层（以粉质粘土为主）的相对介电常数约为10；空洞或脱空，如充填空气，则其相对介电常数与空气接近，约为1；卵石层，主要由大小不一的卵石组成。如卵石间空隙发育，则其相对介电常数与空洞接近；如卵石间已被泥土、沙砾充填，则其相对介电常数与填土层接近。根据以上情况，空洞或脱空与砼防浪护板层和卵石层、填土层存在较为明显的介电差异，为探地雷达提供了有利的地球物理前提条件。资料整理与成果推断探地雷达资料处理一般为：现场数据采集工作结束后，即对资料进行整理及初步处理，内容有：校核班报记录与磁盘文件，回放图像记录，对记录进行增益调整、滤波等初步处理，进行记录质量初评，分析现场采集数据过程所用方法及参数是否达到或接近最佳，并对记录进行初步解释。雷达资料采用与仪器配套的后处理软件进行分析解释，处理试验包括：振幅调整、频谱分析、垂直滤波试验与水平滤波试验、反褶积试验和偏移试验等，主要用于抑制随机噪声，压低非目的体的杂乱回波，改善图像质量。根据经验，确定电磁波在介质中传播的电磁波速度， V-0.12m/ns,用此速度进行时深转换。对物探异常进行解释推断，是根据已知地段的雷达异常特征来推断空洞、卵石层空隙及分层界面松散、不密实等不良地质体。空洞一般是在地下水等因素的作用下，引起土体流失、下沉而形成，具有一定规模，分布极不规则。图8是L07测线113.5m处探地雷达时间剖面图。从图像上看，0〜0.22m段属中等强度反射段，基本可连续追踪的反射波同相轴为砼防浪护板底界的反映。 0.83m〜1.05m同样存在一组可连续的追踪的反射波同相轴，推断为卵石层底界的反映。在113.5m处，存在一组顶板深度为0.67m底板深度为0.82m的双曲线形（弧形）反射波异常，推断为空洞的反映。图8雷达探测的空洞或空腔异常图9为L06测线215.3m处的异常探地雷达时间剖面图。从图像上看，异常的形态与图3有相似之处，在水平方向上有一定的范围，同相轴较为杂乱。这主要是此处卵石层出现了松散形成不密实填充，与周围卵石层在密度上存在了差异，从而形成图 4标出的异常形态。推断这类异常由介质松散、不密实引起。

2152172丄&图2152172丄&图9雷达探测的松散、不密实异常5.3.4结论本次探地雷达探测详细查明工区内分布的空洞和脱空情况，深度 1.5m以内，探测的最小分辨率约为5cm。空洞洞高范围3.3cm~36.18cm,基本为孤立的小洞穴，且规模较小；空隙及松散不密实高度范围为 4.86cm~17.28cm。参考文献《浅层地震勘查技术规范》 (DZ/T0170-1997)何焦登， 地震勘探原理与方法，地质出版社， 1986王振东，浅层地震勘探应用技术，地质出版社，1988[4]《JGJ/T143-2004[4]《JGJ/T143-2004多道瞬态面波勘察技术规程》(JGJ/T143-2004)[5] 《中国物探信息网》()TOC\o"1-5"\h\z李录明， 地震勘探原理、方法和解释，地质出版社， 2007王