基于钻孔电磁波层析成像技术的复杂地基检测

基于钻孔电磁波层析成像技术的复杂地基检测

近年来，随着龙岩中心城市建设的加快，旧城改造中出现了一些地质疾病，如洞穴和隐伏预防洞穴。能否准确地查明溶洞或隐伏防空洞的形状特征及其分布情况,直接影响着建筑物基础设计的安全性、合理性和经济性。下文介绍的工程实例表明,应用孔间电磁波层析成像技术能较好地解决这一问题。1观测系统及数据采集龙岩市文苑新村位于龙岩市和平路南侧,西邻北市场,A、B两幢均为8层框架商住楼,建筑面积约为6250m2,A、B两幢之间是一层店面,其基础型式采用十字交叉条型钢筋砼基础,在基础施工完毕后,根据邻近居民提供的信息,怀疑A幢楼基础下面有隐伏防空洞出入,受业主委托,我们采用地学新技术——钻孔电磁波层析成像技术对场地进行扫描探测。该项工作共完成10条剖面的探测和3个单孔扫描曲线,计探测剖面长度192m,观测深度最深达15m,采集观测物理点数据5750个。在此基础上,经室内数据整理、归纳,输入计算机处理,反演成像,然后对图像进行地质识别和异常诊断。2粉质粘土的种类探测场地位于龙岩盆地中部,原始地形总体由北向南微倾斜,根据钻孔揭示,场地上部由杂填土、素填土组成;中下部为第四系冲洪积物,由粉质粘土、粘土组成;下部局部分布有含碎石粉质粘土及残积灰岩。其土层主要特征如下:1)素填土:褐-黄褐色,松散状,为可塑状态的粉质粘土,局部见有小圆砾、瓦片等杂质,结构松散且不均匀。层顶埋深0.50～2.50m,层厚0.5～2.5m。2)粉质粘土:褐黄-黄色,可塑状,见铁锰质氧化物侵染,晒干后明显龟裂,遇水软化。层顶埋深2.5～4.0m,层厚1.75～8.0m。3)粘土:灰黄、黄色、棕红色,可塑-硬塑状态,局部含有少量的粗砂或圆砾,或见中风化砂岩的卵石,该层顶埋深4.9～10.8m,厚度受钻孔深度限制未揭穿。4)含碎石角砾粉质粘土:褐黄色、灰黄色,可塑状态,碎石角砾含量25%-30%,成分为泥岩,粒径2～4cm,层顶埋深9.8m,厚度2.4m。5)灰岩残积粘土:棕黄、黄色,可塑-硬塑状,灰岩已风化或见残留体,结构不清。分布在场地西侧,钻孔揭露厚度4.1m。3能量发射源系统因不同岩层的分布对电磁波的传播存在较强的影响,对电磁波的吸收强弱主要与地下介质的电磁参数及岩层的裂隙含水性程度、矿化度及空隙度等因素有关。电磁波层析成像技术就是利用一定频率的电磁波作为发射源,当其扫描地面下地质体所取得的参数被接收机接收后,利用电磁波在不同介质中吸收系数差异,经数学处理后反演出介质的吸收系数分布,从而得到地下的精细结构和性质差异图像。其探测工作流程如下:勘探对象和范围的确定→勘探线和网格布设→勘探深度确定→钻孔及埋置PVC保护管→仪器频率选择与试验→孔间扫描观测、数据采集或单孔同步扫描观测→数据记录回放和整理排列→数据处理及优化→计算机重建图像→图像显示和彩色选加→图像成型、绘制或照像→地质解释和诊断4测量、布局和工作方法4.1a语言基础加固观测剖面位置选择基于本工程场地已开挖且条形基础已施工完毕的情况下,怀疑场地基础下存在防空洞,因此本次工作重点是探明A幢楼(含1F场地)范围内是否存在隐伏防空洞及查明其形状特征和走向,故先布设5个钻孔以星形为主的探测剖面,之后视异常位置再布置3个钻孔,以加强异常区域的探测,以便更准确查明目标体,为设计单位进行基础加固提供依据,具体观测布局及探测剖面(如图1)。4.2钻孔信号观测系统依照上述探测剖面布局进行钻孔布置,然后根据业主提供的隐伏防空洞的大致深度及基础对持力层厚度的设计要求来确定钻孔深度。本次确定钻孔深度为16m,用钻机成孔后在钻孔部位安装ue06450mmPVC塑料管,管底封堵,管内注水,管口露出地表30mm左右,随后即可进行孔间CT探测和随时反复观测使用。本次探测采用中国地震局地球物理所研制的EW-1型钻孔电磁波层析成像系统,结合本次工作重点,采用了双孔间的层析成像定点发射观测方式,辅助少量单孔扫描曲线(ZK3、ZK4、ZK6)。双孔间层析成像定点发射观测,是将发射机和接收机分别置于两个钻孔中,发射机相对固定,按设计要求的步长,逐点移动,而接收机沿孔上、下移动扫描,接收步长也按设计要求进行数据采集。经现场测试试验,本次选择8MHz频率电磁波透射,既能满足透射距离又能保证接收质量,发射点的密度与接收采样密度相同,即发射机每隔0.5m固定发射,接收机自上而下(或自下而上)相应每隔0.5m间距采样便可以得到一组观测数据。故一条剖面其观测数据量均在21×21=441个以上(以剖面深10m计算),从而得到足够的观测数据供计算机处理成像。单孔扫描曲线是将发射机倒置,中间用尼龙绳与接收机相连,沿钻孔自上而下(反之亦然)每孔0.5m采样一次,得到单孔扫描曲线。通过测量钻孔井壁对交频电磁波吸收特性,进而划分钻孔地质层面,为孔间CT图像诊断提供帮助。野外探测结束后,把采集的数据输入计算机进行分析处理及优化,然后再进行图像显示、彩色迭加和图像成型、绘制,最后再进行地质解释和诊断。5人工洞穴的特征基于本次CT扫描探测的目标主要是文苑新村A幢楼场地下是否存在隐伏防空洞问题,因而采取的CT探测断面布置以针对防空洞的特点,尽可能地让CT剖面穿切防空洞的走向为主,以便从CT断面图像上识别出地下土层中防空洞对电磁波吸收特性的异常特征。根据电磁波理论表明,不同介质对应不同的电磁波吸收率,空洞介质与土体介质对电磁波吸收率存在明显差异。当电磁波射线通过空洞时,其接收场强有所变化,在CT图像上显现低吸收率的异常体,若有别于正常土体结构的情况下,可判别为空洞。通过本次由8个钻孔组成的CT探测剖面网的探测(共计10条剖面)搜索,发现在ZK3-ZK4孔间CT断面图像中部见有天兰色低吸收透镜体异常现象,中点距ZK4约16m,色调影响宽度约3～4m,埋深约6m左右。该异常代表了在这一均匀背景上出现低吸收介质应为人工开挖洞穴迹象,因为电磁波在空洞内传播衰减弱(即相对介质吸收率低),相对该断面土层吸收来说仅为0.378～0.388。在ZK4-ZK6孔间CT图像左上角6～7m深度上见有深兰色小透镜体,吸收率0.382～0.421,中点距ZK4约4m左右,可见这是防空洞穴有充填较硬介质的现象;在ZK7-ZK8孔间CT图象中部出现草绿色斑状异常体,吸收率较低,为0.366～0.397,深度在7m左右,可见其为人工洞穴异常现象。综合多条CT断面图像中人工洞穴形态和在空间上的分布特点,可以看出在A幢西侧平整场地下6～8m深度之间存在一条显示为低吸收率的小型防空洞,若将这些CT剖面上异常体联系起来,表明该防空洞走向为南西-北东向,长度在场地内约16m多,洞穴横切面形态呈上拱长方形,推断宽度为1m左右,高约为1.6m。其平面分布(如图2)。6地震数据处理解释与地质解释是地质科学发展的基6.1电磁波层析成像技术可以将岩土内部的物理性质差异和结构予比较真实的显示,为建筑场地或地基持力层的工程地质性能诊断提供更加直观的成果,为工程合理设计提供更可靠的资料。6.2对地质情况复杂的场地及隐伏地基病害,电磁波层析成像技术与传统的物探方法和钻探手段相比更具有