跨孔电磁波CT及剪切波测试方法在岩溶地质勘探中的应用_杨国梁.pdf

江苏建筑2022年第6期（总第225期）0工程概况创新大街（原将军大道）位于广东省肇庆市大旺高新区，西接四会市，东连佛山三水。创新大街道路设计范围为大旺与四会交界-古塘北路，道路等级为城市主干路，道路红线宽60 m，设计全长5 475.213 m。按地质年代、成因类型，将勘探深度范围内的地层划分为人工堆积层、第四系冲洪积层和石炭系下统粉砂岩、泥岩和石灰岩。测区内基岩主要为石灰岩。由于不同介质对电磁波的吸收（）存在差异1，可以利用这一差异推断目标地质体的结构和形状。因此，工区适合采用跨孔电磁波CT进行岩溶探测工作。1工作布置及技术原理1.1物探布置及仪器设备结合现场场地条件，沿线物探工作布置如下：（1）对沿线钻孔进行跨孔电磁波CT工作；（2）对地道桥钻孔进行剪切波速测试工作。配备的主要仪器设备为：剪切波速测试采用中地远大生产的ZD-18型综合波速测试仪，如图1所示；跨孔电磁波CT采用湖南奥成生产的HX-JDT-02B型井下无线电波透视仪系统及其附属设备，如图2跨孔电磁波 CT 及剪切波测试方法在岩溶地质勘探中的应用杨国梁（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600）摘要地质条件对道路的规划设计具有重要影响。文章针对实际道路工程，基于跨孔电磁波CT及剪切波测试方法对道路的岩溶地质阶段进行了地质勘探。研究结果表明，跨孔电磁波CT技术可以准确地识别出岩溶的位置，并且通过剪切波方法得出了2个钻孔的20 m等效剪切波速，分别为139.84 m/s和138.45 m/s，确定出场地类别为类，对类似工程具有借鉴意义。关键词跨孔电磁波CT；剪切波；岩溶地质；勘探中图分类号 TU459文献标志码 B文章编号1005-6270（2022）06-0126-05Application of Cross Hole Electromagnetic Wave CT and Shear Wave Test Method inKarst Geological ExplorationYANG Guo-liang（China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.，Ltd,Beijing 102600 China）Abstract：Geological conditions have an important influence on road planning and design.In this paper,geological exploration of karst geological stage of road is carried out based on cross-hole electromagnetic waveCT and shear wave test method.The research results show that the cross-hole Electromagnetic wave CTtechnology can accurately identify the location of karst,and the site category is classified as according tothe shear wave test results and seismic code for Highway Engineering,which has reference significance forsimilar projects.Key words：cross-hole electromagnetic CT；shear wave；karst geology；exploration收稿日期2022-06-23作者简介杨国梁,男(1990-),中铁第五勘察设计院集团有限公司,工程师,主要从事地质勘察工作。图1综合波速仪及其附属设备126江苏建筑2022年第6期（总第225期）所示。1.2技术原理（1）剪切波速测试孔内自激发法：ZD18自激发模块在钻孔中以井液作为耦合剂，用电磁震激振源垂直于井壁作用一瞬时冲击力，就在井壁地层中产生两种类型质点振动，一种是质点振动方向垂直于井壁，沿井壁方向传播，称为S波（剪切波，横波）；另一种是质点振动方向与传播方向相同，称为P波（压缩波，纵波）2。检波器接收S波的振动信号并转换成电信号，然后传输到计算机，计算机对信号进行数据处理后采用两道互相关分析方法，自动计算S波在两道检波器间传播的时间差，从而计算出两道间的S波传播速度。（2）跨孔电磁波CT跨孔电磁波CT是运用交变电磁场中高频段的一种物探方法，是以地层岩性对波的吸收性质为基础，通过钻孔发射机(探管)将直流电能转换成高频电能，并发送至天线辐射电磁波，从而在地下形成电磁辐射场。当电磁波由钻孔的一处发出,遇到障碍体,即物理性质不同的地质体，就发生波的反射、折射、绕射以及介质对波的吸收等现象，因而改变了场的分布。由于不同介质对电磁波的吸收（）存在差异，通过相同的距离电磁波能量（场强）衰减的大小不一样，电磁波通过介质衰减的能量与进入介质前（未衰减）的能量比值即为吸收系数。不同介质，电磁波吸收系数存在差异，如溶洞、破碎带等的吸收系数（电磁波穿过介质能量衰减）比其围岩的吸收系数要大得多，根据获得的不同射线对应的电磁波衰减系数，对剖面进行反演处理，可以得出相邻钻孔之间不同位置的吸收系数，通过成图分析，圈定岩溶发育的位置。2大地电磁法资料整理与解释（1）剪切波速测试孔内自激发法：计算机对信号进行数据处理后采用两道互相关分析方法，自动计算S波在两道检波器间传播的时间差，从而计算出两道间的S波传播速度，进一步绘制剪切波速度-孔深曲线。根据公路工程抗震规范(JTG B022013)3计算等效剪切速度，判别建筑场地类别。（2）跨孔电磁波CT采集资料完成后，对电磁波CT实测数据进行编辑、分析，分析数据使用交会法或视吸收系数剖面法。然后绘制实测数据曲线，检查数据正确性。选用反演方法时分别采用ART4及SIRT算法5进行反演对比，并将结果与实际钻孔资料进行对比。3结果与讨论3.1跨孔电磁波CT测试结果（1）钻孔DZ-11DZ-27剖面CT结果分别对钻孔地DZ-11和地DZ-16、钻孔地DZ-16和地DZ-22、钻孔地DZ-22和地DZ-27这3对钻孔，进行了跨孔CT测试，测试深度地DZ-11为39 m、地DZ-16为38 m、地DZ-22为440 m、地DZ-27为39 m，获得3组电磁波CT数据，并对该两组电磁波CT数据进行了剖面联合反演。分析跨孔电磁波CT反演成果及地质柱状，共圈出6处异常C1C6，推测为岩溶发育，位置详见图3中虚线圈定区域。其中，各钻孔的钻探结果如表1所示。（2）钻孔地DZ-11DZ-12剖面CT结果对钻孔地DZ-11和地DZ-12进行了跨孔CT测试，测试深度地DZ-11为39 m、地DZ-12为41 m，获得电磁波CT数据，并对该电磁波CT数据进行了剖面反演。分析跨孔电磁波CT反演成果及地质柱状图，共圈出1处异常C1，推测为岩溶发育，位置详见图4中色虚线圈定区域。图2无线电波透视仪系统及其附属设备图301跨孔电磁波CT结果127江苏建筑2022年第6期（总第225期）图4 02跨孔电磁波CT测试结果（3）钻孔地DZ-12DZ-28剖面CT结果分别对钻孔地DZ-12和地DZ-17、钻孔地DZ-17和地DZ-23、钻孔地DZ-23和地DZ-28这3对钻孔，进行了跨孔CT测试，测试深度地DZ-12为40 m、地DZ-17为38 m、地DZ-23为42 m、地DZ-28为33 m，获得3组电磁波CT数据，并对该两组电磁波CT数据进行了剖面联合反演。分析跨孔电磁波CT反演成果及地质柱状图，共圈出8处异常C1C8，推测为岩溶发育，位置详见图5中虚线圈定区域。其中，各钻孔的钻探结果如表2所示。（4）钻孔DZ-21DZ-23剖面CT结果对钻孔地DZ-21和地DZ-23进行了跨孔CT测试，测试深度地DZ-21为40 m、地DZ-23为41m，获得电磁波CT数据，并对该电磁波CT数据进行了剖面反演。分析跨孔电磁波CT反演成果及地质柱状图，共圈出6处异常C1C6，推测为岩溶发育，位置详见图6中虚线圈定区域。其中，各钻孔的钻探结果如表3所示。表1各钻孔的钻探结果（DZ-11D2-27）钻孔编号层底深度/m岩性描述DZ-113填筑土：杂色，稍湿，稍密，经专门压实处理，结构紧密，主要成分为花岗岩残积土夹碎石，碎石含量约占30%，最大块径约4 cm，其中孔深0 m0.8 m为混凝土层，堆填时间10年以上。6粉质黏土：红褐色间灰白色，可塑，主要由黏粒组成，含少量粉粒，岩芯呈柱状，手可搓成3 mm泥条，切面较光滑，无摇震反应，干强度中等，韧性中等，土质较均匀。20淤泥：深灰色，流塑-软塑，主要由黏粒、粉粒组成，局部含植物根系，手捏滑腻染手，含少量有机质，含少量植物腐蚀根系，大小约3 cm。23细砂：浅灰、灰白色，饱和，松散，主要成分为石英、长石，黏粒含量约5%，稍具黏性，岩芯呈散状，分选性及级配一般。24.8中砂：浅灰色，饱和，稍密，主要成分为石英、长石，黏粒含量约5%，稍具黏性，岩芯呈散状，分选性及级配一般。26粉质黏土：红褐色，可塑，主要由黏粒组成，岩芯呈柱状，手可搓成3 mm泥条，切面较光滑，无摇震反应，干强度及韧性中等，土层较均匀。DZ-16-分别对应于3.5 m、4.5 m、21.8 m及26.8 m层底深度的填筑土、粉质黏土、淤泥及粉质黏土的岩性均同地DZ-11钻孔。DZ-22-分别对应于6.4 m、7.6 m及24.3 m层底深度的填筑土、粉质黏土及粉质黏土的岩性均同地DZ-11钻孔。21淤泥：深灰色，流塑-软塑，主要由黏粒、粉粒组成，局部含植物根系，手捏滑腻染手，含少量有机质，9 m12 m含大量植物腐蚀根系。21.5淤泥：深灰色，流塑-软塑，主要由黏粒、粉粒组成，局部含植物根系，手捏滑腻染手，含少量有机质，7.6 m11 m含大量植物腐蚀根系。DZ-27-分别对应于7.5 m、9 m及24.1 m层底深度的填筑土、粉质黏土及粉质黏土的岩性均同地DZ-11钻孔。图5 03跨孔电磁波CT结果128江苏建筑2022年第6期（总第225期）图604跨孔电磁波CT测试结果（5）钻孔DZ-16DZ-18剖面CT结果对钻孔地DZ-16和地DZ-18进行了跨孔CT测试，测试深度地DZ-16为38 m、地DZ-18为31 m，获得电磁波CT数据，并对该电磁波CT数据进行了剖面反演。分析跨孔电磁波CT反演成果及地质柱状图，共圈出3处异常C1C3，推测为岩溶发育，位置详见图7中虚线圈定区域。（6）钻孔DZ-15DZ-26剖面CT结果分别对钻孔地DZ-15和地DZ-21、钻孔地DZ-21和地DZ-26这两对钻孔，进行了跨孔CT测试，测试深度地DZ-15为41 m、地DZ-21为40 m、地DZ-26为34 m，获得两组电磁波CT数据，并对表2各钻孔的钻探结果（DZ-12DZ-28）钻孔编号层底深度/m岩性描述DZ-12-分别对应于5 m和6.5 m层底深度的填筑土和粉质黏土的岩性均同地DZ-11钻孔。21.2淤泥：深灰色，流塑-软塑，主要由黏粒、粉粒组成，局部含植物根系，手捏滑腻染手，含少量有机质。22粉质黏土：黄灰色，软塑，主要由黏粒组成，岩芯呈柱状，手可搓成3 mm泥条，切面较光滑，无摇震反应，干强度及韧性中等，土层较均匀。23中砂：浅灰色，饱和，稍密，主要成分为石英、长石，粒径大于0.25 mm的颗粒超过总质量的50%，岩芯呈散状，分选性及级配一般。DZ-237.1分别对应于7.1 m和25.2 m层底深度的填筑土和中砂的岩性均同地DZ-11钻孔。-分别对应于6 m和7.6 m层底深度的填筑土和粉质黏土的岩性均同地DZ-11钻孔。DZ-17-分别对应于6 m、7 m及27.7 m层底深度的填筑土、粉质黏土及粉质黏土的岩性均同地DZ-11钻孔。21淤泥：深灰色，流塑-软塑，主要由黏粒、粉粒组成，