基于跨孔超高密度電阻率法的地鐵花崗巖孤石探測(cè)試驗(yàn)研究

基于跨孔超高密度電阻率法的地鐵花崗巖孤石探測(cè)試驗(yàn)研究

1打造成風(fēng)化體,確定孤石空間分布花崗巖在中國分布廣泛，約占全國面積的三分之一左右，主要分布在中國東部和南部。燕山期花崗巖在我國南方沿海地區(qū)廣泛發(fā)育,由于構(gòu)造、地下水及濕熱氣候等影響,基巖易沿裂隙面風(fēng)化。在長(zhǎng)期風(fēng)化過程中,花崗巖巖體因結(jié)構(gòu)和主要礦物成分的不同出現(xiàn)了差異風(fēng)化,形成風(fēng)化程度明顯區(qū)別于周圍巖土體而以孤立塊體的形式存在的球狀風(fēng)化體,俗稱“孤石”。隨著花崗巖地區(qū)大規(guī)模地下空間建設(shè)的開始,尤其是城市地鐵建設(shè)的興起,花崗巖球狀風(fēng)化問題嚴(yán)重影響了工程建設(shè)進(jìn)度、質(zhì)量和安全[2～5],如深圳地鐵和廣州地鐵建設(shè)過程中,因花崗巖球狀風(fēng)化體的存在,不僅會(huì)卡住盾構(gòu)機(jī)刀盤、對(duì)刀具產(chǎn)生較大的磨損、使盾構(gòu)機(jī)偏離掘進(jìn)軸線,嚴(yán)重時(shí),還會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)無法掘進(jìn),發(fā)生地層坍塌甚至樓房倒塌事故。由于花崗巖球狀風(fēng)化體分布具有的隨機(jī)性和區(qū)域性特點(diǎn),目前常規(guī)的勘查技術(shù)手段很難及時(shí)地發(fā)現(xiàn)孤石的存在,更難做到準(zhǔn)確定位[6～9],因此,探索包括物探方法[10～12]在內(nèi)的各種新的探測(cè)手段來確定花崗巖孤石的空間分布就顯得很重要。本文擬結(jié)合深圳地鐵11號(hào)線某區(qū)間物探試驗(yàn)探測(cè)花崗巖孤石分布的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),說明跨孔超高密度電阻率法在球狀風(fēng)化花崗巖體探測(cè)中的可行性。2電法勘探土地電阻率的法自然界中各種物質(zhì)之間存在導(dǎo)電性的差異,超高密度電阻率法正是基于這種差異,通過測(cè)量和分析研究對(duì)象與周圍物質(zhì)因電阻率差異引起的電場(chǎng)變化,以確定異常面或體分布的地球物理勘探方法?；◢弾r孤石主要分布在花崗巖殘積層和全、強(qiáng)風(fēng)化層中,而這些地層裂隙發(fā)育、賦水豐富,電法勘探中視電阻率值較低;孤石與周圍殘積土和風(fēng)化嚴(yán)重的巖石相比,其電阻率較高,這是跨孔超高密度電阻率法探測(cè)孤石的理論基礎(chǔ)。2.1試驗(yàn)系統(tǒng)及設(shè)備采用跨孔超高密度電阻率法探測(cè)孤石,首先要在試驗(yàn)場(chǎng)地布置一定數(shù)量的鉆孔,并埋設(shè)PVC套管,利用彼此相互鄰近的一對(duì)鉆孔進(jìn)行測(cè)試。使用這種試驗(yàn)方法不僅可以降低其他物探因素的干擾,而且人工激發(fā)的電流場(chǎng)更接近探測(cè)目標(biāo)。本次試驗(yàn)首先在測(cè)試斷面上的兩個(gè)鉆孔中,沿孔深均勻布置電極,接通電源,采集電信號(hào),反演分析試驗(yàn)數(shù)據(jù),生成電阻率分布剖面圖。針對(duì)不同電阻率變化范圍,判斷巖土介質(zhì)的空間分布,定性描述孤石發(fā)育位置,確定探測(cè)目標(biāo),其工作原理(圖1)。本次試驗(yàn)采用了由澳大利亞的ZZ-ResistivityImaging研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的FlashRES64多通道、超高密度直流電法勘探系統(tǒng),該系統(tǒng)由儀器主機(jī)箱、便攜式計(jì)算機(jī)、電纜、電極、數(shù)據(jù)采集控制軟件和數(shù)據(jù)處理和反演成像系統(tǒng)等6部分組成。為了探測(cè)兩測(cè)井間的花崗巖孤石,采用井—井電法透視物探方法,即先在研究區(qū)域造孔,然后在孔內(nèi)布設(shè)電極,連接設(shè)備,最后進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析。2.2數(shù)據(jù)處理技術(shù)本次使用的數(shù)據(jù)處理過程包括:已采集數(shù)據(jù)預(yù)處理、網(wǎng)絡(luò)劃分、正反演分析、測(cè)井?dāng)嗝鎴D實(shí)時(shí)顯示和目標(biāo)體定位,其中正演和反演已成為一種必不可少的地球物理數(shù)據(jù)處理技術(shù)。2.2.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)及概率密度解該方程可得到當(dāng)任意電極處的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。式中,σ為電導(dǎo)率,為電阻率的倒數(shù);I為測(cè)試電場(chǎng)強(qiáng)度;δ為狄拉克函數(shù);rc為反映電極的位置。2.2.2超高密度電阻率法其中,Φd(m)=‖Wd(d0-d(m))‖2,Φm(m)=‖Wm(m-m0)‖2,m為電阻率;λ為平衡因子;d(m)和d0分別為推算和實(shí)測(cè)電場(chǎng)數(shù)據(jù);m0為反演初始模型;Wd和Wm為不同的加權(quán)因子,對(duì)模型的修正起調(diào)節(jié)作用,其值可根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)的信噪比大小進(jìn)行調(diào)整。反演方法是跨孔電磁成像研究的核心內(nèi)容。超高密度電阻率法數(shù)據(jù)反演時(shí),一般先設(shè)定一個(gè)模擬實(shí)際地下電阻率分布情況的理論模型;然后用該模型進(jìn)行正演計(jì)算,得到試驗(yàn)場(chǎng)地理論電阻率值分布;再計(jì)算分析實(shí)測(cè)值與計(jì)算值間的差;然后將該差值進(jìn)行分配計(jì)算,得到一個(gè)新的理論推算模型;用該推算模型再次做正演計(jì)算。連續(xù)上述迭代過程,直至理論計(jì)算值和實(shí)測(cè)電阻率值非常接近時(shí)停止,將此時(shí)的理論電阻率計(jì)算值作為最終的反演推算值。與常規(guī)電法相比,跨孔高密度電阻率法具有如下一些優(yōu)點(diǎn):一次布極,軟件調(diào)控,實(shí)現(xiàn)多層次、多角度測(cè)試,豐富了研究對(duì)象的測(cè)試方式,加大了數(shù)據(jù)采集量,加之更加高效的數(shù)據(jù)分析軟件的運(yùn)用,提高了該法的探測(cè)精度和工作效率。此外,跨孔超高密度電阻率法采集系統(tǒng)具有類型多、強(qiáng)度大的特點(diǎn),通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)綜合反演,不但加大了對(duì)目標(biāo)體的測(cè)試數(shù)量和測(cè)試方式,達(dá)到了減少干擾和增強(qiáng)有效信號(hào)的目的,而且通過對(duì)試驗(yàn)區(qū)精細(xì)有限元網(wǎng)格剖分,也提高了目標(biāo)體的分辨率。3試驗(yàn)研究及評(píng)價(jià)根據(jù)深圳地鐵11號(hào)線初勘成果,發(fā)現(xiàn)某區(qū)間內(nèi)花崗巖孤石發(fā)育,且空間分布隨機(jī)性很大,常規(guī)的鉆探很難準(zhǔn)確定位孤石的分布。為了探索新的探測(cè)方法,擬在該區(qū)間采用跨孔超高密度電阻率法進(jìn)行孤石探測(cè)試驗(yàn),并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鉆孔驗(yàn)證,以對(duì)該方法的可行性進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。本次試驗(yàn)共布置測(cè)井4眼,編號(hào)為442-1～442-4,驗(yàn)證鉆孔兩眼,編號(hào)為442、442-5,完成了6個(gè)井井剖面測(cè)試,編號(hào)為L(zhǎng)1至L6(圖2)。4孤石反演試驗(yàn)結(jié)果深圳地區(qū)第四系覆蓋層和花崗巖全至強(qiáng)風(fēng)化層電阻率值為0.1～120Ωm,下伏中至微風(fēng)化花崗巖電阻率值為500～4000Ωm,孤石的電阻率值應(yīng)與微風(fēng)化花崗巖相當(dāng)。由于孤石主要發(fā)育在松散的殘積土和全、強(qiáng)風(fēng)化層中,受近電極效應(yīng)、地下水貧富等的影響,孤石的反演電阻率值往往很低,因此尋找孤石的基本思路應(yīng)是在孤石易發(fā)育的低阻區(qū)域找相對(duì)高阻異常。對(duì)6個(gè)井測(cè)試剖面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演分析,結(jié)果表明L3和L4剖面出現(xiàn)明顯的異常區(qū)域,初步定為花崗巖孤石。為了驗(yàn)證試驗(yàn)分析的正確性,在分析結(jié)果顯示為異常區(qū)域的范圍布置了編號(hào)為442、442-5驗(yàn)證鉆孔。4.1與l3剖面的區(qū)別L3測(cè)井剖面是在442-2號(hào)孔和442-4號(hào)孔之間完成的,其電法透視反演電阻率分布(圖3)。由圖可以看出在深度約為0～16m、橫向位置7～14m(以442-2號(hào)孔為參考零點(diǎn))的位置有一相對(duì)的高阻異常(異常YC),初步判定由微風(fēng)化花崗巖孤石引起的。在與L3剖面對(duì)應(yīng)的工程地質(zhì)驗(yàn)證剖面上(圖4),442孔為驗(yàn)證孔,與測(cè)井442-4孔和442-2孔分別相距11.4m和10.1m。442孔在孔深17.00～19.40m揭示到豎向厚度2.40m的花崗巖孤石,在水平向與442-2孔距6.20～14.10m,與上述L3測(cè)井剖面反演分析結(jié)果較為一致。圖5為442孔揭示的孤石巖心照片,肉紅色微風(fēng)化粗?；◢弾r孤石分布在褐紅色全風(fēng)化花崗巖中。4.2鉆孔間距對(duì)孤石探測(cè)的影響L4測(cè)井剖面是在442-3號(hào)孔和442-1號(hào)孔之間完成的。在電法透視反演電阻率分布圖(圖6)上看出,在深度約為16.5～19m,橫向位置在1.5～6m(以442-3號(hào)孔為參考零點(diǎn))的位置有一相對(duì)的高阻異常(異常YD),初步判定由微風(fēng)化花崗巖孤石引起的。與L4剖面對(duì)應(yīng)的工程地質(zhì)驗(yàn)證剖面如圖7所示。為了確定孤石在橫向分布范圍,布置了442和442-5兩個(gè)驗(yàn)證孔,距442-3號(hào)測(cè)井分別為4.1m、6.2m。驗(yàn)證孔442和442-5分別在孔深17.00～19.40m、17.00～18.80m揭示到豎向厚度2.40m、1.80m的花崗巖孤石,在水平向與442-3孔距3.70～10.10m,與上述L4測(cè)井剖面豎直向反演分析結(jié)果較為一致,但水平向反演分析范圍與驗(yàn)證孔揭示范圍相比偏小,可能與孤石離442-1號(hào)測(cè)井偏遠(yuǎn)有關(guān)。圖8為442-5孔揭示的孤石巖心照片,肉紅色微風(fēng)化粗?；◢弾r孤石分布在褐紅色全風(fēng)化花崗巖中。從以上L3、L4兩個(gè)測(cè)井剖面的分析來看,孔間/孔中物探方法的探測(cè)效果受鉆孔間距影響,孤石距測(cè)井越近,此孤石的高阻在成果圖上顯示得就越明顯,反之如果孤石距鉆孔越遠(yuǎn),此孤石的高阻在成果圖上顯示得就較弱?；◢弾r孤石與其周圍殘積土、全風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化巖的物性差異,是地球物理方法探測(cè)孤石的物性前提,利用跨孔超高密度電阻率法探測(cè)花崗巖孤石的基本思路是在低阻區(qū)域找相對(duì)高阻異常,由于殘積土、全風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化巖成分的不均一性、結(jié)構(gòu)面的差異性以及地下水發(fā)育的貧富不等,造成孤石與周圍巖土層的電阻率差異大小不一,從而影響了探測(cè)效果和反演的精度。此外,防止測(cè)井塌孔埋設(shè)的PVC管、地鐵建設(shè)沿線場(chǎng)地條件及多種場(chǎng)源的干擾等,都會(huì)影響探測(cè)的效果。2.5維跨孔超高密度電阻率法只能利用2維反演技術(shù),只能在兩口井的連線剖面上給出孤石的分布范圍,對(duì)于不在鉆孔連線上的孤石,也可能在連孔剖面上有孤石反映,這樣就造成了孤石探測(cè)位置的偏移和虛假的高阻異常,這些虛假的高阻異常,使得孤石探測(cè)存在精度低、可靠性不高的缺點(diǎn)。要解決這個(gè)問題,就必須采用三維跨孔電阻率反演技術(shù)。5施工難點(diǎn)及改進(jìn)方案(1)本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和鉆孔驗(yàn)證結(jié)果表明:跨孔超高密度電阻率法在花崗巖孤石探測(cè)中效果明顯,能給出孤石在橫向和縱向的分布范圍,豐富了花崗巖孤石的探測(cè)手段。(2)由于跨孔超高密度電阻率法在花崗巖孤石探測(cè)中的工程實(shí)踐不多,對(duì)諸如