井间电磁波CT技术在建筑基底溶洞探测中的应用

井间电磁波CT 技术在建筑基底溶洞探测中的应用
郭　印,彭　涛,李天祺,聂永亮,孙元帝
(建设综合勘察研究设计院,北京　100007)
摘要:详细介绍了井间电磁波CT 技术测试的工作原理及野外工作方法,采用井间电磁波CT 技术对
一个高层建筑工程场地进行了溶洞探测,基于不同岩土介质对电磁波能量吸收值不同的原理,利用
层析成像反演算法对现场获取的井间电磁波CT 原始测试数据进行了解译,得到了溶洞沿不同测线的剖面分布和不同高程处的平面分布,并将其与现有钻孔地质资料进行了对比验证,验证结果表明:井间电磁波CT 技术探测溶洞效果良好,可得到场地中溶洞的空间分布,从而为高层建筑桩基础的设计提供可靠的地质资料。

关键词:溶洞探测;井间电磁波CT 技术;钻探;解译中图分类号:P319文献标识码:B
Application of cross 2section electromagnetic tomography technique in
detecting karst cave under the ground of buildings
G uo Y in ,Peng T ao ,Li T ianqi ,Nie Y ongliang ,Sun Y uandi
(China Institute o f G eotechnical Investigation and Surveying ,Beijing 100007,China )
Abstract :The cross 2section electromagnetic tom ography technique and its operation method have been introduced
in this paper.This technique had been applied to detect karst cave in a ground of a high building.Based on the rule of different rock and s oil with different ability of abs orbing the energy of electromagnetic ,the data obtained from the site have been interpreted.C ombined the data by inversion method for electromagnetic tom ography ,plan and section plan of karst cave distribution are obtained.C om paris on has been done between the result of the cross 2section electromagnetic topography technique and the data from the borehole ,it indicates that the cross 2section electromagnetic topography technique is effective in karst cave detection.Three dimension space distribution of karst cave can be obtained by inversion analysis ,s o it can be used to provide detailed geological data for the design of the foundation of high buildings.
K ey w ords :karst cave detection ;cross 2section electromagnetic topography technique ;borehole ;interpretation 收稿日期:2008208229;修订日期:2008211215
作者简介:郭印(1978-),男(汉族),山西古交人,博
士,工程师.
0　前言
井间电磁波CT 法是20世纪80年代发展起来
的一门新技术,它将医学CT 的原理成功地运用于地学中,派生出一系列的层析成像技术。

井间电磁波CT 法应用可控发射源在两个钻孔之间进行发射与接收,对比发射与接收之间的差异,采用计算机层析成像法对电磁波跨孔资料进行处理,展现电磁波吸收场的空间分布,提高了分辨地质异常的精度,且孔间成像(等值线、三维立体图、灰度图或色彩图)清晰、直观,深受地质和设计人员的欢迎[1～5]。

本文采用井间电磁波CT 测试技术,对无锡某高程建筑基础底部岩溶进行了探测,测试结果表
明,井间电磁波CT 测试技术在溶洞探测应用中效
果良好。

1　井间电磁波CT 技术的测试原理
地下介质的不同物性分布对电磁波的作用主要
表现在对电磁波能量的吸收,这种吸收作用与地下介质的裂隙分布、含水程度、矿物质的含量,以及不同的岩性分布等因素有关。

通过两个钻孔之间电磁波扫描性观测,利用层析成像反演算法,将不同岩性导致的电磁波能量上的差异分布转变成二维介
质分布图像,进而推断地下的结构情况。

钻孔电磁波法通常采用半波偶极子作为发射源,这种偶极子在空间任意点的场强可视为该偶极子发射天线产生的场在观测点的迭加结果。

孔间电磁场强的理论公式可表示为:
E =E 0
e
-βr
r
f (θ)sin θ(1)
式中:E 为场强观测值(μv );E 0是一个与发射天
线的条件和介质性质有关的初始场强(μv );r 为发
射点至接受点距离(m );f (θ
)sin θ为天线方向因子(对半偶极天线f (θ)=cos ((πΠ2)cos θΠsin θ
);β为吸收系数(N p Πm )。

β的表达式为:
β=ωμε12
1+σωε2-1
(2)式中:ω为天线圆频率;ε为介电常数;μ为磁导率;σ为电导率。

由上式可见,介质的导电性对吸收系数值有较大的影响,在导电性好(低阻)的岩石中,波的穿透能力较大,场强衰减较快;而导电性差(高阻)的岩石,波的穿透能力较小,场强衰减慢。

跨孔电磁波CT 技术正是利用这种特征来圈定低阻异常(溶洞等)的。

在两孔间分别采用同步或定点的观测方法,亦可采用全扫描的观测方法,现场点绘各次观测曲线(可帮助定性分析异常性质),并作一定的检查观测,观测频率通过现场试验确定。

资料的处理采用计算机层析成像技术进行孔间电磁波吸收系数的成像。

2　井间电磁波CT 技术的测试方法211　测试仪器
本次探测岩溶的电磁波CT 系统是选用了中国地质科学院物化探研究所生产的JW 25电磁波CT 系统。

212　现场测试方法
现场采用跨孔每剖面同步测量,共120条射线对,见图1。

为了了解工作区的高频物性参数,选择部分钻孔作为单孔电磁波测井;采用8～32MH z 扫频进行测量,频率间隔为82MH z 。

发射天线为对称偶极电天线,单臂长019m ,接收天线为鞭状天线,长019m 。

3　井间电磁波CT 技术的工程应用311　工程概况
本项目拟建3幢塔楼、地下车库和商业用房,
塔楼一、二、三地下室与地下车库连成一体。

其中,中部为主楼(塔楼一),东西为辅楼(塔楼二、塔楼三)。

建筑物结构类型为框筒剪力墙,基础形式采用桩基。

本场地岩土工程初步勘察过程中发现,在岩层顶部有岩溶发育,厚度为10～
20m ,部分充填,部分为空洞,为了进一步探清桩端溶洞的分布情况,对三个塔楼分别进行了井间电磁波CT 物探测试工作。

本文选择塔楼二场区作为分析对象进行说明。

图1　电磁波CT 定发射线分布示意图
31
2　物探测试孔布置
为了测试的需要,塔楼二场地内共布设13个
物探钻孔,共计24个测试剖面,如图2所示。

图2　塔楼二场地物探钻孔平面布置
313　电磁波CT 测试结果分析
图3是钻孔G S24与钻孔G S25之间连线形成的测试剖面,图中βs 表征吸收系数的大小,根据βs
值的大小,将整个区域划分为溶洞区、裂隙密集发育区和第四系覆盖层区。

图3　G S242G S25剖面
将βs 值大且形成封闭的区域判别为溶洞和裂隙发育区,将G S242G S25剖面中测试得到的溶洞统计如表1所示。

G S242G S25剖面溶洞统计
表1
异常编号
异常区高程(m )顶部
底部
异常区性质11-1-76154-77113
溶洞11-2-78185-81113溶洞11-3-79178-80188溶洞11-4-81181-83151溶洞11-5-82138-83118溶洞11-6-87111-88141溶洞11-7-89113-93121溶洞11-8-91149-93101溶洞11-9-95138-97167溶洞11-10-95107-99139溶洞11-11-99167-102197溶洞11-12-76122-99179裂隙发育带11-13-107149-109120裂隙发育带11-14
-113129
-114140
裂隙发育带
综合不同剖面的测试结果,通过解析软件可以
得到地下任意高程处溶洞分布的平面情况,如图4所示。

314　电磁波CT 测试结果验证
为了验证物探测试成果的准确性,将详细勘察孔K 8和Z 10孔(位于物探测试孔G S24和G S25的连线上,见图2)在钻探过程中发现的溶洞情况与
图4　-81m 高程处溶洞分布平面
物探测试结果进行了对比分析,详见表2和表3。

勘察孔K 8和Z 10中发现的溶洞基本都在物探测试结果中得到体现。

而且电磁波CT 测试确定的溶洞数量要多于钻孔发现的溶洞。

电磁波CT 测试法通过相互交错的剖面,可以得到溶洞在水平和垂直向的延伸情况,充分体现了电磁波CT 测试法的优点。

K 8孔溶洞分布情况对比
表2
溶洞编号
溶洞顶高程
(m )溶洞底高程
(m )对应图3中溶洞区域
K 8-1-76192-7718211-1K 8-2-79122-7917211-2K 8-3-82102-8311211-4K 8-4-88112-8911711-6K 8-5-92142-9218211-8K 8-6
-93172
-94192
11-8
Z 10孔溶洞分布情况对比
表3
溶洞编号
溶洞顶高程
(m )溶洞底高程
(m )对应图3中溶洞区域
Z 10-1-80135-8112511-3Z 10-2-89165-9014511-7Z 10-3-92105-9313511-7Z 10-4-93195-9413511-7Z 10-5
-95105
-95155
11-10
4　结语
井间电磁波CT 探测法作为一种新的地下构造探测方法,它应用可控发射源,在两个钻孔之间进行发射与接收,对比发射与接收之间的差异,可重建两钻孔之间的结构图象,优于单孔钻探法。

从费用以及所获得的地质信息量来看,它比传统的物探方法有明显的优越性,更加经济有效。

文中实际钻探资料和井间电磁波CT 探测法溶
洞探测结果表明,井间电磁波CT探测法能直观地勾画出桩基下方溶洞的空间分布形态和延伸状况,为高层建筑桩基础的设计提供了可靠的地质资料。

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(上接第18页)
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