基于跨孔超高密度電阻率法的地鐵花崗巖孤石探測試驗研究

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,不僅會卡住盾構(gòu)機刀盤、對刀具產(chǎn)生較大的磨損、使盾構(gòu)機偏離掘進軸線,嚴(yán)重時,還會導(dǎo)致盾構(gòu)機無法掘進,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性和區(qū)域性特點,目前常規(guī)的勘查技術(shù)手段很難及時地發(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號線某區(qū)間物探試驗探測花崗巖孤石分布的現(xiàn)場試驗,說明跨孔超高密度電阻率法在球狀風(fēng)化花崗巖體探測中的可行性。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,通過測量和分析研究對象與周圍物質(zhì)因電阻率差異引起的電場變化,以確定異常面或體分布的地球物理勘探方法。花崗巖孤石主要分布在花崗巖殘積層和全、強風(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孤石的理論基礎(chǔ)。2.1試驗系統(tǒng)及設(shè)備采用跨孔超高密度電阻率法探測孤石,首先要在試驗場地布置一定數(shù)量的鉆孔,并埋設(shè)PVC套管,利用彼此相互鄰近的一對鉆孔進行測試。使用這種試驗方法不僅可以降低其他物探因素的干擾,而且人工激發(fā)的電流場更接近探測目標(biāo)。本次試驗首先在測試斷面上的兩個鉆孔中,沿孔深均勻布置電極,接通電源,采集電信號,反演分析試驗數(shù)據(jù),生成電阻率分布剖面圖。針對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,確定探測目標(biāo),其工作原理(圖1)。本次試驗采用了由澳大利亞的ZZ-ResistivityImaging研究團隊開發(fā)的FlashRES64多通道、超高密度直流電法勘探系統(tǒng),該系統(tǒng)由儀器主機箱、便攜式計算機、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。為了探測兩測井間的花崗巖孤石,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,最后進行試驗和數(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、測井?dāng)嗝鎴D實時顯示和目標(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實驗參數(shù)及概率密度解該方程可得到當(dāng)任意電極處的電場強度分布。式中,σ為電導(dǎo)率,為電阻率的倒數(shù);I為測試電場強度;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分別為推算和實測電場數(shù)據(jù);m0為反演初始模型;Wd和Wm為不同的加權(quán)因子,對模型的修正起調(diào)節(jié)作用,其值可根據(jù)試驗參數(shù)的信噪比大小進行調(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,一般先設(shè)定一個模擬實際地下電阻率分布情況的理論模型;然后用該模型進行正演計算,得到試驗場地理論電阻率值分布;再計算分析實測值與計算值間的差;然后將該差值進行分配計算,得到一個新的理論推算模型;用該推算模型再次做正演計算。連續(xù)上述迭代過程,直至理論計算值和實測電阻率值非常接近時停止,將此時的理論電阻率計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:一次布極,軟件調(diào)控,實現(xiàn)多層次、多角度測試,豐富了研究對象的測試方式,加大了數(shù)據(jù)采集量,加之更加高效的數(shù)據(jù)分析軟件的運用,提高了該法的探測精度和工作效率。此外,跨孔超高密度電阻率法采集系統(tǒng)具有類型多、強度大的特點,通過對測試數(shù)據(jù)綜合反演,不但加大了對目標(biāo)體的測試數(shù)量和測試方式,達到了減少干擾和增強有效信號的目的,而且通過對試驗區(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試驗研究及評價根據(jù)深圳地鐵11號線初勘成果,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。為了探索新的探測方法,擬在該區(qū)間采用跨孔超高密度電阻率法進行孤石探測試驗,并對試驗結(jié)果進行現(xiàn)場鉆孔驗證,以對該方法的可行性進行客觀評價。本次試驗共布置測井4眼,編號為442-1～442-4,驗證鉆孔兩眼,編號為442、442-5,完成了6個井井剖面測試,編號為L1至L6(圖2)。4孤石反演試驗結(jié)果深圳地區(qū)第四系覆蓋層和花崗巖全至強風(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)域找相對高阻異常。對6個井測試剖面的試驗數(shù)據(jù)進行反演分析,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。為了驗證試驗分析的正確性,在分析結(jié)果顯示為異常區(qū)域的范圍布置了編號為442、442-5驗證鉆孔。4.1與l3剖面的區(qū)別L3測井剖面是在442-2號孔和442-4號孔之間完成的,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號孔為參考零點)的位置有一相對的高阻異常(異常YC),初步判定由微風(fēng)化花崗巖孤石引起的。在與L3剖面對應(yīng)的工程地質(zhì)驗證剖面上(圖4),442孔為驗證孔,與測井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鉆孔間距對孤石探測的影響L4測井剖面是在442-3號孔和442-1號孔之間完成的。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號孔為參考零點)的位置有一相對的高阻異常(異常YD),初步判定由微風(fēng)化花崗巖孤石引起的。與L4剖面對應(yīng)的工程地質(zhì)驗證剖面如圖7所示。為了確定孤石在橫向分布范圍,布置了442和442-5兩個驗證孔,距442-3號測井分別為4.1m、6.2m。驗證孔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證孔揭示范圍相比偏小,可能與孤石離442-1號測井偏遠(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、L4兩個測井剖面的分析來看,孔間/孔中物探方法的探測效果受鉆孔間距影響,孤石距測井越近,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)化或強風(fēng)化巖的物性差異,是地球物理方法探測孤石的物性前提,利用跨孔超高密度電阻率法探測花崗巖孤石的基本思路是在低阻區(qū)域找相對高阻異常,由于殘積土、全風(fēng)化或強風(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,從而影響了探測效果和反演的精度。此外,防止測井塌孔埋設(shè)的PVC管、地鐵建設(shè)沿線場地條件及多種場源的干擾等,都會影響探測的效果。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,使得孤石探測存在精度低、可靠性不高的缺點。要解決這個問題,就必須采用三維跨孔電阻率反演技術(shù)。5施工難點及改進方案(1)本次現(xiàn)場試驗和鉆孔驗證結(jié)果表明:跨孔超高密度電阻率法在花崗巖孤石探測中效果明顯,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手段。(2)由于跨孔超高密度電阻率法在花崗巖孤石探測中的工程實踐不多,對諸如