高密度电法和地质雷达在岩溶地区铁道路基探测中的应用

梁庆韶

高密度电法和地质雷达在岩溶地区铁道路基探测中的应用

梁庆韶

梁庆韶1张赛民2邢浩婷2

1.成都理工大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室成都理工大学沉积地质研究院；2.成都理工大学地球物理学院

高密度电法和地质雷达探测，在岩溶地区的工程勘察和灾害地质调查过程中，应用范围非常广泛。在岩溶地区的铁道路基探测中，应用高密度电法和地质雷达探测相结合，能提高探测结果的可靠性和准确性。通过运用这两种方法的基本原理及野外施工方法，查明铁道路基及隧道底部的岩溶发育情况，验证出这两种方法在实际探测中的应用效果良好，为铁道的后期施工提供了安全保障。

铁路在国民经济和社会发展中担负着重要责任，7·23甬温线特别重大铁路交通事故，暴露出国家在推进铁路发展过程中，安全发展理念履行不到位的问题。而在中国西南地区的铁路建设过程中，铁道须穿越岩溶地区，就需要用地球物理方法查明铁路设计线路的路基及隧道底部的岩溶发育情况，来保证铁路在岩溶地区顺利施工。

高密度电法和地质雷达探测这两种地球物理勘察方法，在实际的工程物探应用中有很多优势，它们不仅能快速、直观的获得检测结果，而且经济实用、操作简单。在岩溶地区的铁路路基建设过程中，结合高密度电阻率法和地质雷达探测这两种方法研究铁道路基下方溶蚀孔洞分布情况，通过分析电法得出的视电阻率图像和地质雷达反映的雷达图像的异常，可以大致判断出地下地质体的基本情况，再通过钻孔验证地质体的实际情况，从而确保铁道路基的安全建设。这些优势决定了这两种物探方法，在实际应用的过程中，意义都非常重要。

探测区概况

探测区位于重庆市某地区的一条客货兼运的地区性铁路的建设现场，该地区地势较为平坦，地表植被不发育，是高密度电法勘探和地质雷达法探测的理想区域。

该探测区域是由一系列的山、山脊、沟谷、山间小盆地等组成，平均海拔为700m～800m，最低点海拔高度小于600m，最高点海拔高度在1200m左右，高差达到400m。区域内的地质情况比较复杂，上覆地层是第四系全新统地层，下伏基岩是三叠系下统飞仙关组和嘉陵江组地层。主要以沉积岩为主，岩性主要有：泥岩、灰岩、泥灰岩、白云岩夹岩溶角砾岩、坡洪积层黏土、碎块石、块石土等。

由于区内灰岩、泥岩、砂岩与块石土之间的介电常数存在着明显的电性差异，这为高密度电阻率法探测岩溶发育提供了地球物理前提。但是它们之间的电阻率存在交叉重叠，对解释精度可能产生一定的影响，因此，就需要用地质雷达探测作为补充。

高密度电阻率法

高密度电法的基本原理

高密度电法属于一种直流电阻率法，它的原理与常规电阻率法大致相同。它可以通过单次的电极排布，完成纵向和横向二维勘探的任务。纵向二维勘探具备电剖面法的特征，横向二维勘探具备电测深法的特征，这些特征能够同时反映地下某一深度的水平和垂直方向上的岩体电性变化情况。随着供电电极电极距的增大，高密度法的探测深度也随之增大；随着隔离系数n逐渐增大时，测量电极电极距也逐次增大，这些都能增加电法仪器对下深层岩体和介质的反应能力。

高密度电法野外施工方法

在本次高密度电阻率法的测量工作中，我们使用的仪器是重庆地质仪器厂生产的WDJD- 3多功能数字直流电法仪，该仪器采集数据速度快、精度高，而且性能可靠。测量电极60根，电极距为2m。

为了合理选择正式施工时的各种参数，在正式施工前，我们分别在学校内部以及工作区做了一定数量、不同参数、不同排列装置的实验工作，以确定最佳的勘探装置以及电极间距，把在测线上最有可能有岩溶发育的地区作为工作区试验段。实验最终确定长剖面电极间距5m，α装置；短剖面针对不同区域分别采用5m或3m电极距，α装置或联合剖面装置测量。对于探测区内可能发育的充填溶洞，高密度电法适于探测个体大，埋藏比较深的溶洞；如果探测深度过深，则可根据需要增加测线的长度，以此加大探测深度；但是高密度电法的分辨率较低，不能反映溶洞内部的充填物的分层情况，也不能真实反映体积较小的溶洞，因此，某些时候则需要用地质雷达探测作为补充。

地质雷达探测

地质雷达的原理

地质雷达通过主机控制的探测天线，向探测目标发射一定频率的电磁波，当高频电磁波传至被探测体内部两种不同介质的分界面时，由于两种介质的介电常数不同而使电磁波发生反射、折射，入射波、反射波和折射波的传播遵循反射定律和折射定律，反射波返回被探测体的表面，并由地质雷达的接收天线所接收，形成雷达图像。通过分析不同介质层位上的反射波、反射波组的特征，获取反射层的介质类型、结构等特征属性。

地质雷达探测的解释判定原则

地质雷达探测的判定有以下的原则：

不良地质体的判断；如果某处可能出现不良地质体，如软弱层或者水等的时候，地质雷达的反射波会在连续性较好的波组之后突然出现低频或者衰减的现象；如果某处地下岩层为破碎带时，地质雷达的反射波组会出现比较凌乱的现象；

不良地质体埋藏深度的计算方法；不良地质体埋藏深度的计算方法可以按照时深转换公式进行时深转换计算，其中电磁波在介质中的传播速度为V，反射波在检测目的界面处所对应的双程时间为T，不良地质探测体的界面埋深或探测体的厚度为H。

典型的地质现象与雷达图像、波形特征之间存在这一定的关系

工程实例及两种探测方法比较

高密度电法的工程实例

本次高密度电法的测线沿铁道路基平行布设两条，长度为238m，根据高密度电法二维反演断面图，可以看出在测线的058～066段的较深部存在一处明显低阻异常区域，深度约在5m～10m左右；由与之平行的二维反演断面图，也可以看出在058～066段的较深部位，同样也存在一个明显的低阻异常区，它的电阻率明显低于其周围的背景值。根据电法探测的解释原则，可以推断出该地段为一个内部被黏土和亚黏土等软弱物质充填了的充填式溶洞，从而导致它的导电性增强，电阻率降低。也可以看出在015～163段表层5m～10m呈现明显低阻，根据电法探测的解释原则，可以推测出该地段覆盖层较厚、深度在5m到10m左右；在015～163段，深度15m以下，存在明显连续高阻，推断出该地段为基岩层。在175～239段，由于该段是已经硬化的混凝土地面，电极无法插入，为了获取比较准确的数据，我们用黏土将电极固定在地面上，也获得了理想的数据，地下的地质情况在二维反演断面上得到了良好的显现。

地质雷达探测的工程实例

本次地质雷达探测的测线平行于高密度电法的测线布设。根据地质雷达探测的解释判定原则，由地质雷达显示的二维断面图，可以看出在258～335段，雷达反射波突然衰减，可以推测出地下可能存在充填溶洞，由时深转换公式可以计算出溶洞底部较深，可能达到10m以上；图像中也可以看出在测线的0～800段反射波连续性较好，因此可以推断该段覆盖层较厚，深度在5m～10m左右。

两种方法探测效果的对比研究

通过分析，对地质雷达探测和高密度电阻率法的充填岩溶洞穴的图像异常特征，需要说明的是，由于铁道路基施工的不同地段存在对地质雷达法和高密度电法数据采集的干扰因素，会对数据采集质量造成了不同程度的影响，降低探测精度，隧道里面数据采集时不断有大型机械工作以及衬砌钢架都会影响采集数据的质量，因此，在进行数据采集的时候，要避开大型机械施工的时段，把这些影响因素减少到最低。

结语

通过使用高密度电法和地质雷达法对将要进行铁道路基施工的同一地段进行探测，并对所测得的数据在室内进行了处理和解释，我们通过沿测线布置一定数量的钻孔，钻孔的成果与高密度电法和地质雷达法的解释成果具有高度的一致性，两种方法均得到了良好的探测效果。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.055