网络并行电法在某大桥地基勘察中的应用
摘要：山东某大桥近海施工，基础地层中富含卤盐，岩溶地貌十分发育，且大桥工程巨大，探明大桥基底岩溶发育情况是关键。为此采用并行电法技术，布设了15个测站对场地进行勘探，完成2 590 m的勘探测线。数据采集使用了AM与ABM法，分别进行了二极、温纳三极、温纳四极、温纳偶极和温纳微分五种装置数据提取、计算和反演，获得了各测站的电阻率断面图。结合钻孔揭露地质资料对场地条件进行分析，推测场地的岩溶发育与分布状况，为桩基的施工处理提供有效的指导。
关键词：桥基勘察；并行电法；电阻率断面图；岩溶
中图分类号：P62文献标志码：A
在道路桥梁工程建设中，对桥基、路基的勘察工作至关重要，其重点是勘探了解基础的详细地质条件，为工程施工提供处理技术参数。目前，除了钻探勘察手段外，利用地球物理勘探手段可以从大范围掌握基础地质条件。电法勘探根据岩土层介质差异直接表达出电性剖面，易于对地质条件进行垂向和横向的分辨，多被勘察工作所应用。受仪器条件所限，国内外多数直流电法仪的进步并没有脱离常规电法的束缚，仍是一种串行的数据采集，每次只能测得一个电位值。对此，刘盛东等提出“分布式差集信号采集系统”[1]。郑晓亮等介绍了由高密度电法发展而来的新型仪器——网络并行电法仪及其组成、工作原理和应用[2]。刘盛东等应用网络并行电法仪及其三维采集系统采集数据，通过网络并行电法数据体的三维电阻率反演，得到矿井工作面内三维空间的电阻率分布特征，说明网络并行电法优于传统的高密度电法[3]。网络并行电法已在矿山得到了很好的应用[4-7]，技术已经相当成熟。论文结合城市交通建设，应用网络并行电法对山东某大桥地基进行勘察，探讨其应用效果，为城市建设和交通建设中探测场地岩溶发育状况和地质构造等提供了一种有效的新方法。
1研究区概况
研究区位于华北准地台，属于华北地层区鲁东地层分区，胶南——东海地层小区，北临渤海，东靠黄海，属于海积平原的海滩与盐田地貌。场地地势较平坦，平均高程3 m左右。场地无断裂、褶皱地质构造。研究场地靠近海边，地层中富含卤盐，岩溶地貌十分发育。拟建桥梁全长为1 282.4 m。桥梁跨越处某河河口宽度为582 m，路线与河流夹角约为120°。
场地地层由第四系全新世陆相沉积物、滨海相沉积物、晚更新世陆相沉积物及元古代胶南群片麻岩组成，第四系盖层不整合于其上，测区内地层沉积序列清晰，地层相对稳定。其中，上部主要为粉质粘土或粘土，局部含砂；中部以中砂为主，局部含粘土、粉质粘土和粉细砂；下部粗砂和粉质粘土居多，零星粘土分布；底部为片麻岩基岩段，厚度大于1 000 m。此次探测的有效深度为-30 ～-50 m范围内，在场地内属于第5～6层。其中第5层中砂，局部粉质粘土薄层，厚度0.5～9.6 m；第6层含粘土和粉质粘土，1.0～17.5 m。场地地层详细情况见图1。而地层岩性条件对视电阻率值的变化有直接影响。图1钻孔资料则是为了与后续开展的测试工作作验证，也可对成果解译提供一定的基础依据。
2网络并行电法数据采集
2.1网络并行电法简介
网络并行电法是以国家发明专利“分布式并行智能电极电位差信号采集方法”为技术核心支撑的直流电法，是在高密度电法基础上发展起来的新技术，可实现所有现行的直流高密度电法探测（如温纳二极、三极、四极等）的数据采集与反演，而且可进行高分辨地电阻率法反演。将并行采集技术与先进的通讯系统、控制系统相结合构成了网络并行电法监测系统，实现了电法数据的远程获取和智能控制。其最大优势在于任一电极供电，其余所有电极可同时进行电位测量，从而清楚地反映探测区域的自然电位、一次供电场电位的变化情况，采集数据效率较传统的高密度电法仪有很大提高，是电法勘探技术的又一次飞跃。数据采集方式一般分为AM法和ABM法。
2.2数据采集
现场根据桥梁设计线路布置测线系统，沿着桥梁地基由南向北共布置平行或垂直测线5条（15站），测线总长2 590 m。其中，测线1、测线2和测线5为近东西向；测线3和测线4为主测线（南北向），15个测站现场布置见图2，主测线采用了11站。电极间距控制在2 m或3 m，其中顺桥身方向、跨桥墩的测线极距为3 m，与桥身方向交叉、针对单个桥墩的测线极距2 m，布极过程中以浇水方式提高电极耦合效果。每站由两条测线沿直线展布，每条测线布置32个电极。数据采集方式采用AM法或ABM法，其中AM法主要测量单点电源场，当测线任一根电极供电时，其余各电极同时采集数据；ABM法采集所采集的是双异性点电源电场情况，当一对供电电极供电，一根无穷远线作为公共极，整条测线其余电极均采集数据[8]。
3数据处理与分析
3.1数据处理
每站观测系统布置好后，分别使用了AM与ABM法在短时间内自动采集了大量数据。数据处理[9-11]使用网络并行电法处理软件，进行了二极、温纳三极、温纳四极、温纳偶极和温纳微分五种方法的计算和处理，用专业反演软件对数据进行计算获得了各测站电阻率断面图（见图3）。因为物探具有多解性，解译时结合了钻孔资料等多方面地质资料进行综合解释以增强解译的准确性。
3.2成果图分析
测区内地层沉积序列清晰， 地层相对稳定（见图1）。正常地层组合条件下，在横向与纵向上都有固定的变化规律等地层电性特点，使用并行电法技术能探测工作面平面上的低阻含水构造分布规律，同时可以发现垂直于地层方向上不同深度的地质构造问题[12-13]。一旦存在溶洞等地质构造，都将打破地层电性在纵向和横向上的变化规律。基于这一物性基础，沿主测线方向布设电极采用温纳三级装置进行探测，探测成果视电阻率断面图如图3所示。因其中6个测站的成果图响应特征较为明显，其所反映的情况与实际较为吻合，故选取用以综合解释。
从图3中可以看出，39#桥墩桩基底层， 基岩面在-30m左右， 且桩基底层有溶洞发育， 南北两侧均有有溶洞或溶沟发育。 37#墩桩基地层地质情况由于受到马路极大干扰， 桩基底层-30 m以浅范围内的信息失真程度很大。36#桥墩桩基前部-20m深度出现一段宽5 m左右的高阻区，打钻到此深度的时候需要注意（见图3a）。 32#桥墩1#基桩下方-35～-40 m是溶洞（9）的“V”字形开口所在位置， 开口最窄处在-40 m深度， 南北跨度3 m左右；洞深在-50 m以下，与南侧溶洞（10）连通性很好，1#桩基受到威胁很大（见图3b）。31#桥墩1#基桩底层基岩面在-40 m以下，且-55 m以上的区域基岩呈风化状态，破坏程度较高。30#桥墩基桩面临很大的威胁，应引起重视（见图3c）。29#桥墩1#基桩底层基岩深度在-40 m水平，认为该桥墩桩基正下方为完整基岩面，施工过程中风险较小，但桩北侧溶洞（溶沟）的存在也有可能会影响到该桥墩的具体施工。27#桥墩1#基桩底层基岩深度在-38 m左右，推测此基桩下的溶洞跨过桩基底层，呈NW-SE方向展布，此桥墩的四个桩都有可能受到此溶洞的威胁（见图3d）。25#桥墩桩基地层地质条件比较复杂，1#基桩底层基岩深度在-40 m水平，但因不知道桩基北侧高阻区域（图中绿色曲线所圈）具体的扩张范围，所以认为桩基以下-30～-40 m范围有可能有基岩存在。紧挨桩基的北侧有洞（17）呈纵向发育，且可直接扩张到基岩面上，该溶洞可能对桩基安全施工造成威胁。24#桥墩1#基桩下方-30 ～-40 m范围内发现大理岩的存在（见图3e）。22#桥墩桩基地层地质条件比较复杂，1#基桩底层完整基岩面在-45 m水平，但因不知道-35 m深度的高阻区域（图中绿色曲线所圈）具体的扩张范围，所以认为桩基以下-35～-45 m范围有可能有基岩存在。21#桥墩桩基-45 m以浅的区域，大部分基岩都存在风化。20#桥墩桩基-33 m水平区域基岩风化度较强，-35 m以深存直接发育在基岩面上的溶沟，对1#桩的施工可能造成直接影响（见图3和表1）。
4结论
1） 勘探区中溶洞分布较广，只有26#、29#及22#桥墩的部分桩基受到的影响相对较小，大部分发育于-30～-50 m水平之间，对桩基安全施工造成严重的威胁，施工时必须采取对应的措施。
2） 由主测线上的两大组测试数据对比来看，大理岩基底沿南北方向延伸600 m以上，结合区域地质资料推测，在探测区域以北可能为片麻岩基底。
3） 综合整体效果并结合钻探资料比对，认为此次测试最适用的是温纳三极法。该方法将N极布置在场地内，很好地避开了场地内其它施工活动造成的干扰。由于布极过程中以浇水方式提高了电极耦合效果，所以采集的数据质量普遍较好。
4） 此次探测区域受到海水长期侵蚀，视电阻率值普遍偏低，探测目标区域视电阻率集中在10Ω·m以下，而重点解释区域更低，基本在5Ω·m以下；新地层与基岩面的接触关系复杂，划分标准则需要将视电阻率值精确到0.1Ω·m的数量级。
参考文献：
[1]刘盛东，吴荣新，胡水根，等.网络分布式并行电法勘探系统[R].北京：中国地球物理学会，2006.
[2]郑晓亮，刘盛东.基于双处理器的并行采集网络电法仪器的设计[J].煤炭科学技术，2008，36（4）：85-88.
[3]刘盛东，吴荣新，张平松，等.三维并行电法勘探技术与矿井水害探查[J].煤炭学报，2009，34（7）：927-932.
[4]刘湘.网络并行电法探测顶板“三带"技术研究[J].淮北职业技术学院学报，2010，9（5）：83-85.
[5]李建楼，刘盛东，张平松，等.并行网络电法在煤层覆岩破坏监测中的应用[J].煤田地质与勘探，2008，36（2）：61-64.
[6]王勃，刘盛东，张明，等.采用网络并行电法仪进行煤矿底板动态监测[J]. 中国煤炭地质，2009，21（3）：53-57.
[7]吴荣新，张平松，刘盛东，等.双巷网络并行电法探测工作面内薄煤区范围[J].岩石力学与工程学报， 2009，28（9）：1 834-1 838.
[8]江苏省地质矿产局.江苏省及上海市区域地质志[M].北京：地质出版社，1984：8-100.
[9]王松，严家平.直流电法超前探测系统与数据处理[J].煤炭技术，2010，29（4）：131-134.
[10]胡水根，刘盛东.电法勘探中并行数据采集与传统数据采集效率的比较研究[J].地球物学进展，2010，25（2）： 612-617.
[11]胡雄武，张平松.深部矿井电阻率法超前探测多极偏移处理与应用[J].安徽理工大学学报：自然科学版，2010， 30（1）： 21-24.
[12]蔡晶晶，阎长虹，王宁，等.高密度电法在地铁岩溶勘察中的应用[J].工程地质学报，2011，19（6）：935-940.
[13]黄绍逵，欧阳玉飞.高密度电法在岩溶勘察中的应用[J].工程地球物理学报，2009，6（6）：720-723.
（责任编辑：李丽，范君）
下一篇：岩溶地质勘察方法研究