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5数据处理及成果解释11
5.1数据编辑过程11
5.2数据反演11
5.3成果解释依据11
5.3.1剖面解读方法11
5.3.2断面图及平面图12
6结论及建议12
6.1结论12
6.2建议12
附图1综合地质解析剖面图和溶洞发育范围平面图14
附图2跨孔超高密度电法CT剖面图及地质解析20
附图3三维超高密度电法剖面切片图69
1概况
1.1任务依据
据广州九号线勘察资料统计,详勘阶段个别区间钻探见洞率达60%以上,如此强烈的岩溶作用,溶土洞发育范围探测成为岩土工程勘察的重点。
而溶洞在空间大小、位置、数量具有局部随机性,单纯依靠钻探已不能达到勘探目的,需要结合其他勘探手段——地球物理勘探(俗称物探)共同解决。
根据溶洞的发育特征和物性差异,能采用的物探方法很多,但是各方法在特定环境下都有本身的优势和局限性,2009年7月我司针对溶洞探测技术开展专题研究,研究成果于2009年10月经过专家组评定,认为跨孔超高密度电法CT取得了理想效果;
基于所取得的成果,专家们会议上建议在九号线选一些车站继续应用跨孔超高密度电法CT试验,最后选定花都汽车城~广州北站区间,在此区间共完成勘探剖面150个,验证10个,验证效果较好,2010年4月有建设事业总部组织召开了物探成果讨论会,会议认为我院在九号线溶洞探测上做了大量试验,对验证结果进行了细致分析,跨孔超高密度电法对高、低阻异常区判定较为有效,数据重现性好,超高密度电法在场地条件较好,特别是背景电场干扰小时,可以推广应用,建议在车辆段或新增车站花城路路站应用,因此2010年8月我司受广州地下铁道总公司建设事业总部委托在新增车站进行溶洞探测,合同编号:
J11KCA090008。
1.2工程概况
随着广州地铁线网向外不断延伸,因不良地质体等工程地质问题引起的地质灾害越来越多。
广州地质条件复杂,有专家称其是地质博物馆,而花都区是灰岩地区,岩溶作用特别强烈,据勘察资料统计,揭露的溶洞有的高达28.7米(清布站补勘钻孔MIZ3-QB-B26),九号线大部分线路在其中穿过,岩溶作用形成的溶洞和土洞给工程建设、施工安全和工程成本带来诸多不利影响,在岩溶发育地区修建隧道一直是困扰工程界的一个难题,工区范围内的溶洞如果不提前治理,在施工过程中可能引发地质灾害,如大规模塌方、突泥、涌水、地表陷穴、开裂、水田失水、房屋开裂等;
给运营阶段带来安全隐患,因此地铁建设之前有必要进行溶洞治理,而溶洞治理的前提就是要探测溶洞的发育范围。
基于我司在九号线个别区间溶洞探测取得的成功经验,将其应用到新增花城路站的溶洞探测上,探测过程结合该车站的补勘工作同时进行。
1.3工程位置及范围
广州地铁九号线花城路站,里程范围YDK6+494.150~YDK6+707.950,长度为213.8米,探测范围是车站出入口及结构边缘。
交通位置沿秀全大道呈东西向布置,紧接新世纪广场,探测区域大部分在新世纪广场上,两处在小区内。
所处位置如图1所示。
本次勘察采用的线路图版本为广州地铁设计院总体组线路专业提供的九号线施工设计第二版。
图1花城路站交通位置平面图
1.4勘探任务
本次物探任务是:
应用跨孔超高密度电法CT查明花城路站各出入口处溶洞(洞径>
1.0米)发育范围和基岩面起伏形态,包括溶洞发育的规模,顶底板埋藏深度,平面分布情况,标定岩面起伏形态。
1.5施工情况
勘探方案审查通过后,拟利用详勘钻孔30个,钻探进场钻机4~5台,2010年8月1日打好第一个钻孔(编号:
HCL-24),8月19日完成最后一个钻孔(编号:
HCL-6),物探现场工作同时跟进,现场2人负责数据采集,2人室内资料处理,物探野外数据采集2010年8月5日开始,8月20日结束,而后编写本报告,2010年9月5日完成全部工作。
方案设计利用钻孔28个,设计勘探二维剖面49个,三维剖面5个,实际完成工作量二维勘探剖面49个,三维剖面5个,完成合作签订工作量。
测试前挑选有代表性的2个剖面做试验,首先确认仪器工作状况良好,再测试勘探区域内自然电场大小,其次设置不同的工作参数进行数据采集,对所测试的数据做简单处理,与既有的钻孔资料对比,确定采集和数据处理参数。
为了尽早完成工作,边进行野外工作的同时边进行室内资料处理,对反演成果认真分析后做每个剖面的地质解释,
2地质及地球物理特征
2.1地质特征
本次物探工作结合花城路站详勘进行,据勘察单位提交的勘察报告内容介绍该区自然地理环境、地形地貌特征和分布地层情况大致如下:
广州市轨道交通九号线工程花城路站位于公园前路东侧与花城路西侧之间的秀全大道上,线路在该段的走向基本为东西走向,秀全大道道路两边多为居民住宅和新世纪广场,人流量较大,同时地下管线也较多;
地铁站拟建场地处于冲洪积平原地貌单元,广泛分布有砂层,厚度较大,地下水丰富,稳定水位埋深0.30~6.3m,场地外500米范围未发现河流水系,地面起伏不大,钻孔孔口高程为9.61~10.21m。
本车站附近主要地层有:
(1)第四系(Q):
第四系覆盖层厚度有一定变化,一般由几米~十几米。
主要有填土层(Q4ml);
冲洪积土层(Q3+4al+pl),包括粉细砂,中粗砂,砾砂,粉质粘土,局部淤泥或淤泥质土;
(2)石炭系下统大塘阶石磴子组(C1ds):
岩性为灰黑色、深灰色隐晶质~微晶质灰岩,夹薄层炭质泥岩,顶部为钙质泥岩或夹薄层灰岩。
本场地勘察钻孔未发现有断层构造。
揭露深度范围岩溶较发育,结合广州被站~花果山公园站区间详勘钻孔资料分析钻孔揭露见洞率为65.8%。
2.2地球物理特征
参考本区间勘察初步成果报告:
该区岩面起伏不大,最小埋深:
8.0米,最大埋深:
14.1米只有MIZ3-HCL-9孔埋深较大20.8米;
揭露最大溶洞洞高5.0米,溶洞大部分充填粘性土和岩溶水,充填物多为可塑状褐黄色粉质粘土,局部含碎石块、褐红色粘性土,含少量中粗砂。
也有不少钻孔揭露两层以上溶洞,溶洞埋藏深度范围10.4~36.7米。
根据此区的岩土特性,结合以前的勘探经验总结,该处岩土的视电阻率数值入下表2.1典型岩石与土电阻率。
表2.1典型岩石与土电阻率
岩石、土类型
电阻率数值(欧姆·
米)
第四系土层
<
55
裂隙、破碎带
200~800
完整灰岩
>
800
含水、泥溶洞
未充填溶洞
无穷大
在超高密度电法勘探中,介质电阻率差异是其应用前提条件。
完整灰岩电阻率极高,裂隙破碎带富集岩溶水,其电阻率数值相对完整灰岩较低,岩溶作用形成的溶洞一般有溶洞水、可塑、软塑粘性土或流塑淤泥充填,电阻率很低,所以符合电法勘探的电性差异的基本条件;
第四系人工填土、砂、土层、淤泥及淤泥质土层及残积土层赋存孔隙水,与基岩电阻率相比数值较小,因此岩面起伏划分符合电法勘探的电性差异的基本条件。
3工程物探方法
3.1选择依据
基本依据基于岩土介质电阻率或电导率差异达到探测目标体的目的。
分析本次勘探区域内溶洞发育及充填特征和地层分布情况,溶洞充填物或赋存溶洞水与完整石灰岩之间存在较大电性差异,第四系砂、土层与完整灰岩或微风化存在电性差异。
溶洞发育一般充填有软塑粘性或岩溶水,电阻率表现很低,而围岩微风化灰岩在无裂隙发育电阻率相对很高,这为该工区进行超高密度直流电法勘探试验寻找溶洞裂隙发育带提供了良好的地球物理前提。
城市工程物探因受地表条件、金属管线和居民工业用电等干扰,勘探精度大大降低,而井中物探优点不但避开这些干扰因素,且人工或自然地球物理场更接近勘探目标体,测量数据有效反映异常体信息,提高了原始数据信噪比,反演数据更为准确,勘探精度。
为完成本次勘探任务采用跨孔观测方式。
同时参考总公司总工室2009年8月关于溶洞探测技术的研究成果和花~广区间工程物探成果。
研究中针对溶洞发育特征选择了跨孔超高密度电法CT和跨孔电磁波CT,根据验证结果跨孔超高密度电法CT取得了较好效果,后期在花~广区区间继续开展跨孔超高密度电法CT溶洞探测,并对10个剖面进行了验证,结果进一步说明该方法对溶洞探测较为有效,能到溶洞勘探的目的。
因此该车站选用该方法进行应用。
3.2电阻率法原理
电阻率法(电法)勘探是地球物理勘探中的重要方法之一。
它是以岩土体的电性差异为物理基础,通过观测分析电场分布变化规律来解决地质问题的一种地球物理勘探方法。
电法勘探从产生至今日,得到了广泛的应用并且经过80余年的实践和创新,已经形成了一个理论比较完善、方法多样的地球物理勘探方法。
电阻率是表征物质导电性的基本参数,某种物质的电阻率实际上是当电流垂直通过有该物质所组成的边长为1m的立方体时而呈现的电阻。
电阻率的单位采用欧姆·
米来表示(或记作Ω·
m)。
假设待测区域内,大地电阻率是均匀的,对于测量均匀大地电阻率数值,原则上可以采用任意形式的电极排列来进行,即在地表任意两点(A,B)供电,然后在任意两点(M,N)来测量其间的电位差,根据(3-1)式便可求出M,N两点的电位:
(3-1)
显然,AB在MN间所产生的电位差:
(3-2)
由(3-2)式可得均匀大地电阻率的计算公式为:
(3-3)
式中
。
(3-3)式即为在均匀大地的地表采用任意电极装置(或电极排列)测量电阻率基本公式。
其中K为电极装置系数(或电极排列系数),是一个只与电极的空间位置有关的物理量。
考虑到实际的需要,在电法勘探中,一般总是把供电电极和测量电极置于一条直线上,图3-1所示为电法勘探的常用装置。
(a)四极装置(b)二极装置
(c)三极装置(d)温纳装置
(e)偶极装置(f)斯龙贝格装置
图3-1电阻率法勘探常用装置
3.3超高密度电法
本次探测所采用的超高密度直流电法,其工作原理属电阻率的范畴,是一种阵列式勘探思想,野外测量时只需将全部电极(几十至上百根)置于测点上,通过多芯电缆把所有电极连接至仪器,然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现数据的快速和自动采集,数据采集方式是分布式的,当将测量结果送入微机后,还可对数据进行处理并给出关于视电阻率等值线图或真电阻率反演剖面等各种图示结果。
与常规电阻率法相比,常规高密度电法只能按照设定的特定装置类型进行采集,对勘探目的层属单次覆盖,而超高密度电法一个采集过程包括了所有的装置类型,包括了传统类型和非传统类型,对称的和非对称的,对观测点多次覆盖,提高数据的可信度,通过2.5维反演技术,大大提高了勘探精度。
超高密度直流电法勘探仍然基于在人工直流电场的作用下,地表的电场分布与地下岩土介质的电阻率分布相关的基本原理,但它是创新的直流电法勘探方法,具体特点如下:
1)首先超高密度直流电法打破了常规电法勘探中数据采集方式的限制,采用自由无限制的任何四极的组合方式来采集数据,基于此这种方式,超高密度方法仪可采集到几十倍的常规电法采集方式采集不到的数据。
例如同在一个64电极的排列中,常规的数据采集方式仅可采集到1000多个数据,而用这种超高密度的方法,就可采集到60000多个数据。
数据的丰富性大大提高了反演结果的准确性和可靠性。
也避免了常规数据采集方法中数据采集的片面性(有些偏重于横向分辨率,有些偏重于纵向分辨率等等)而导致在同一地点采用不同数据采集方式采集的数据所产生的反演结果不同的缺点。
2)其次数据处理技术上不仅利用视电阻率的概念,而且将所测得的大量数据利用现代的反演技术直接反演成真电阻率剖面图。
结果更为精确和直观,可以真实反映出地下不同电性异常体的位置和大小,资料解释时直观易懂,也减少单一利用视电阻率等值线图解释时造成的误差。
比如在解释有多个异常体相关的视电阻率图时,只依视电阻率等值线图解释会造成很多解释误差甚至解释错误。
3)再次数据采集技术采用多通道技术。
供电电极AB一次供电,同时测得n个MN间(M1N1、M2N2、……MnNn)的数据,仅用了一次AB通电的时间。
比常规高密度电法数据采集速度提高上百倍,大大提高工作效率,并提高了采集数据的一致性。
4)超高密度直流电法容易完成井-井和井-地电法勘探。
此系统不仅能做地表电法勘探,还可用于井-井透视、井-地斜视的勘探,这完全不同于常规方法,仅将一个电流电极放入井中,而在地表测量电位。
而超高密度直流电法勘探的井-井和井-地方法是将数个甚至全部电极放入井中,并把它们既用于电流极也用于电位极,这样可以更全面的测量数据,由于在井中的电极距异常体较近,有效避开其他地质因素干扰,较容易勘测到异常体。
5)超高密度直流电法数据采集过程自动化。
程序自动将每个排列的64个电极分为奇数组32个(1、3、5、……61、63)和偶数组32个(2、4、6、……62、64)两组,在这两组电极中各选取一个作为供电电极A和B,在一次通电过程中同时测量其它电极相对于某一电极M的电位差如下图2-2所示,就可得到61个电位差(MN1、MN2、MN3……MN60、MN61)数据。
而奇数组32个电极和偶数组32个电极互相配对(即全排列)做供电电极,即做一个排列就有32×
32=1024次供断电过程,每次供电可同时采集61个电位差数据,所以总的数据量应为32×
32×
61=62464个。
图3-2超高密度电阻率法测量电极布置图
综上所述,超高密度直流电法的应用范围十分广泛,只要目标体与背景之间存在电阻率差异,同时目标体具有一定的空间尺寸和埋藏深度,都可以使用超高密度直流电法对目标体进行探测。
归纳起来看,主要应用领域和解决的问题有:
水利水电工程、环境工程地质、工程地质勘察、城市工程勘察、工程质量检测、考古和其它工程等。
3.4超高密度数据处理
随着计算机技术的发展和勘探技术的不断进步,作为一种可以直接反映地下不同物质之间物理特性(电阻率)差异的电法勘探数据处理方法,反演方法在地球物理勘探中,发挥着越来越重要的作用。
已知电阻率的空间分布求电场分布的过程称为正演或解正问题。
反之,已知电场分布求地下电阻率分布的过程则称之为反演或解反问题。
从国外电法勘探仪器发展的趋势来看,反演已经成为一种必不可少的数据处理方法。
可见反演方法在电法勘探应用中的重要性。
电法反演的基本方程式:
(3-4)
其中:
2.5D电法正演的基本方程式
:
(3-5)
3D电法正演的基本方程式
(3-6)
式中:
3.4模型分析
如图3-3(a)原始地电模型分为上下两层,上层5m厚的蓝色区域电阻率较小设置为100(Ohm·
m),相当于浅表地层第四系;
下层35m厚的绿色电阻较高设置为1000(Ohm·
m),相当于风化灰岩或裂隙发育灰岩;
绿色区域内有一低阻区,且有变化趋势,随着区域的减小阻值减小,中心有1m×
1m的方形区域,阻值为10(Ohm·
m),相当于充填有流塑状淤泥或软塑状粉质粘性土;
右边一1m×
3m的红色区域,为高阻区,相当于全、强分化层中的微风化体,阻值为10000(Ohm·
(a)原始模型
(b)超高密度电法反演剖面
(c)常规电法反演剖面
图3-3数学模型分析
验证模型中用常规电阻率法(温纳法)和超高密度电阻率法进行数值模型,再经反演处理,得到如图(b)(c)反演结果。
从这个例子可以看出,采用超高密度电阻率法所得到的电阻率数值分布图分辨率高,而普通电阻率法由于数据有限反演之后,电阻率等值线水平方向模糊,且由于电法勘探体积效应严重,对模型的再现能力较差,纵、横向分辨率明显低于超高密度电法;
岩面划分中超高密度电法极其接近原始模型,等值面清晰可见;
高、低阻个体异常体分辨上,超高密度电法对异常的轮廓,边界解释清晰,尤其是横向分辨率明显高于常规高密度电阻率法。
所以超高密度电阻率法对地下异常体的勘探精度、准确度上有较强的优势。
本次应用的是跨孔高密度电法CT,根据现场情况建立一数值模型,孔间距15米,孔深40米,溶洞大小3米×
3米,如下图3-4(a)所示,上方0~15米时第四系粘土覆盖层,电阻率设定为200欧姆·
米,15~40米完整灰岩,电阻率设定为2000欧姆·
米,完整灰岩里发育的溶洞定义电阻率同上方第四系砂土覆盖层,为了图中表达更突出异常体,减弱差值造成的边界模糊,色度条颜色与数值有些差异。
根据模型布置电极进行模拟采集,白色小点是电极位置,对采集的数据反演处理,对比反演结果与模型情况。
(a)原始模型(b)反演结果
图3-4数学模型分析
该模型分析的目的旨在验证跨孔超高密度电法CT对岩面情况的标定,对给定大小的溶洞分辨能力,从上图看出,设置的低阻溶洞模型位于勘探孔附近,且与勘探孔有1.0米的距离;
右图中的反演结果对低阻溶洞充分体现,轮廓清晰,且方形结构也基本反演出来,上部的基岩面也划分较好,因此说明该方法的分辨率比较高,能达到溶洞勘探的目的。
4勘探方案
根据勘探目的任务及其现场条件,利用花城路站补充详细勘察钻孔开展物探工作,根据方案内容拟采用跨孔和三维观测方式。
跨孔方式数据采集时采用井中多芯电缆,每孔放置一条,每条电极数32个,极距1m,设置后工作参数后一次性采集,如果此布极不能满足勘探深度时,采用多台仪器并发采集。
如图4-1跨孔超高密度电阻率法测量电极分布图。
图4-1跨孔超高密度电法CT电极分布图
三维超高密度直流电法数据采集方式同时利用至少3个孔,每孔放极距1m的电极装置,并发采集,实现多孔电极联采,具体工作方式如图4-2三维超高密度电阻率法工作简图,此次根据祥勘钻孔的分布情况,均利用4个钻孔,编号为:
(MIZ3-HCL-1,2,3,4),(MIZ3-HCL-3,4,5,6),(MIZ3-HCL-13,14,15,16),(MIZ3-HCL-7,8,5,9)。
图4-2三维超高密度电阻率法工作简图
为满足超高密度电阻率法勘探技术要求,要求孔位做适当调整,保证利用钻孔孔间距不大于20m,孔深不小于40m,并下PVC套管以保证不塌孔,在PVC塑料管上打密集小孔,保证电法采集数据时要求的导电性,为防止小孔进泥浆还需要在PVC塑料管外部缠上纱布,并用塑料扎丝扎紧。
采集过程中做好本剖面野外班报记录和记录质量实时监测,一个剖面完成后及时检查数据质量。
4.1仪器选择
仪器是由澳大利亚ZZResistivityImaging研发中心最新研制成功的FlashRES64系统,该系统由澳大利亚阿德莱德大学折京平博士及其团队研发的,是一种应用与井间、井地电阻率成像的全新电法勘探仪器。
此系统采用64电极阵列组合,不受装置的限制,61通道同时数据采集,采集数据量达60000多个,采集时间约45分钟,提高了工作效率,反演结果的准确度也得到了保证。
通过自主研发的2.5维反演成像系统,反演后为真电阻率剖面图,能准确的反映出异常体的位置、大小以及形状。
该系统已经国家申请专利。
仪器和专利证书如图4-3所示。
图4-3超高密度直流电法仪及专利证书
系统组成
FlashRES64多通道超高密度地面/井-地/井-井直流电法勘探系统主要由以下六大部分组成:
a仪器主机箱;
b便携式计算机;
c电缆;
d电极;
e数据采集控制软件;
f数据处理和反演成像系统。
野外数据采集仪器连接图如4-3。
图4-4野外数据采集仪器连接图
主要技术指标
A.接收部分
电极:
64个
电压通道数:
61
输入阻抗:
>
107欧姆
测量精度:
<
0.5%<
1bit
对50HZ工频干扰压制:
80dB
B.发射部分
三种供电电压:
30V,90V,250V
电流:
<
3A
C.其他
电缆:
二根带有32个电极的多芯电缆
工作温度:
-20摄氏度--+50摄氏度
工作湿度:
95%RH
仪器电源:
12V电瓶
重量:
4.5KG
体积:
350x300x150(mm)
主要应用领域
1.利用井间和井地电法,可以桥隧等工程提供较详细的地质构造信息;
2.在铁路和公路勘查,寻找路基下的空洞和不稳定区,检测工程质量;
3.在金属矿山巷道内勘测巷道四周及巷道之间的金属矿藏的分布状况;
4.寻找地下埋藏有害物,地下空洞,采空区和墓穴等;
5.寻找地下水资源,大坝漏水区;
6.矿山帷幕注浆工程效果检测;
7.探测灰岩中的溶洞和岩溶发育状况。
图4-5超高密度电法施工现场
4.2执行标准和质量保证
a.《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001);
b.《铁路工程物理勘探规程》(TB10013-2004)
c.《电阻率测深法技术规程》(DZ/T0072-93);
d.《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》;
e.《城市工程地球物理探测规范》(JJ7-2007)
f.《井中—地面电法勘探技术规程》(SYT-2007)
4.3数据采集
施工前对仪器及配套辅助设备均进行了检查,其各项技术指标均满足要求,工作期间仪器使用正常。
数据采集前先做现场背景电场调查,根据所测的自电大小选择供电电压,测试过程中实时观测电压变化情况和数据质量参数的变化,保证数据采集质量,呆一切正常时,方可按照所获参数进行野外工作。
操作员根据野外记录表内容做好记录工作,如孔深、孔间距,剔除电极编号等,本次工作参数具体为电极距:
1.0m,每条电缆电极数:
32个,供电电压90v;
采样时间2s;
施工现场如图4-5。
4.4勘探剖面平面布置简图
花城路站跨孔超高密度电法CT剖面和物探钻孔孔位分布如图4-6所示。
图4-6花城路站跨孔超高密度电法CT剖面和物探钻孔孔位分布平面图
4.4工作量统计
根据《广州市轨道交通九号线花城路站区间段超高密度电法溶洞探测》方案设计拟利用区间详勘钻孔30个,实际利用28个钻孔,根据现场记录实际利用钻孔28个,实际完成剖面49个,另作三维剖面5个。
各勘探剖面信息参数如下表4-1工作量统计一览表。
表4-1工作量统计一览表
序号
剖面编号
跨孔间距
电极距
单剖面异常体
异常体编号
平均电压(mv)
干扰程度
编号
深度
1
L1
HCL1-HCL2
37.0m
12.5m
1m
4个
L1-1、L1-2、L1-3、L1-4
650
有干扰
2
L2
HCL1-HCL3
14.1m
2个
L2-1、L2-2
620
3
L3
HCL1-HCL4
38.0m
22.5m
L3-1、L3-2
510
4
L4
HCL2-HCL4
18.0m
L4-1、L4-2
720
5
L5
HCL3-HCL2
18.4m
L5-1、L5-2
890
较严重
6
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