２００９年第４期总第１６９ 云南水电 电磁波ＣＴ技术在桩基础岩溶探测上的应用 研究 肖长安吴宗宇 （中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，云南昆明６５００５１） 摘要：钻孔电磁波ＣＴ是一项利用电磁波吸收原理进行探测的技术，本文探讨了电磁波ＣＴ技术在桩基 础岩溶探测上的应用情况，包括反演算法的选取、现场测试注意的问题、桩基础对测试的影响等等，最 后通过在桩基础岩溶探测上的实际应用，说明电磁波ＣＴ技术在桩基础岩溶探测上具有较好的效果。 关键词： 电磁波ＣＴ；桩基础；岩溶 ＳｔｕｄｙｏｎｄｅｅｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅＣＴｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｐｐｌｙｉｎｇｔ０ｄｅｔｅｃｔｋａｒｓｔｉｎＰｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｘｉｎ０ Ｃｈａｎｇ＇ａｎ Ｗｕ Ｚｏｎｇｙｕ （Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ，Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣＨＥＣＣ Ｋｕｎｍｉｎｇ，Ｙｕｎａｎ ６５００５ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ＣＴ ｉｓ ａ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｓｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｗａｖｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ＣＴ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｋａｒｓｔ ｉｎ Ｐｉｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ， ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｏｆ ｉｆｅｌｄ ｔｅｓｔｉｎｇ，ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｐｉｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｔｓｅｌｆ ｏｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔ，ｅｃｔ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｎ ｋａｒｓｔ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｉｎ Ｐｉｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，ｍａｋｅ ｏｕｔ ｔｈａｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｗａｖｅ ＣＴ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｖｅ ｇｏｏｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｋａｒｓｔ ｉｎ Ｐｉｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｗａｖｅ ＣＴ；ｐｉｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；ｋａｒｓｔ ｌ前言 映像法、高密度电法等，还有在桩中心位置采用一 在灰岩地区进行桩基础施工时，岩溶是影响桩 桩一孔的钻探工作，而钻孔电磁波ＣＴ与以上方法相 基础质量的重要因素之一。位于桩侧和桩底的岩溶 比具有明显的优势 ，包括： 均会对桩体稳定造成不同程度的影响，桩侧的岩溶 （１）相对于地表上进行的物探方法，其探测精 会造成施工过程中的漏浆，成桩后一侧的不稳定， 度相对较高，并且在同种介质中精度基本不随勘探 对于摩擦类桩的危害相对较大；而相对于桩侧岩溶 深度变化，另外地表类物探方法对于桩已成形的桩 来说，桩底的岩溶的危害更大，特别是桩底以下５ｍ 底岩溶探测较为困难。 以内的岩溶，是端承类桩的重大安全隐患。为保证 （２）能比较清楚的勾画出岩溶的发育形态，而 桩基础质量，在施工前一般需对桩基础部位的岩溶 地表类物探方法和钻探均较难做到这一点。 作全面的探测，部分在成桩后可能还需要进行一定 的补充探测。 收稿日期：２００９年１Ｏ月２０日 目前，桩基础岩溶探测中可采用的勘探方法很 作者简介：肖长安，中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院勘察分 多ｕ Ｊ，包括在地表进行的探地雷达、面波、地震反射、 院，主要从事物探工作。 Ｙｕｎｎａｎ Ｗａｔｅｒｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ５１ ｉ 。 静 电磁波ｃＴ技术在桩基础岩溶探测上的应用研究 ２００９年第４期总第１６９期 （３）相对于钻探来晓，一定水平范围只需要打 两个孔进行４Ｌｆ￣ｒ】探测，大大节约ｒ勘探：Ｉ：作量，缩 减了勘探时间。 ２电磁波ＣＴ技术 电磁波吸收系数 析成像（电磁波ＣＴ）技术是 手０嗣电磁波在两个钻孔之间进行特殊的层析观测， 僻刊电磁波在两孔问介质中的透射数据，依照一定 的物理和数学关系，运用计算机软件对数据进行处 理，重建出孔问剖面介质电磁波吸收系数１３值的二： 维分布图像，据此对孔问地质异常体及构造分布作 出解释与分析。 电磁波ＣＴ技术野外观测系统是在两个钻孔间 的二维平面上进行的，如图１所示。测试时，在一 个钻孔（发射孔）内放置发射机（发射点），而在另 ・个钻孔（接收孔）内放置接收机（接收点）。发射 点发射出的电磁波沿射线路径在介质中传播、经吸 收后衰减，于接收点被接收。当收、发点各按照一 定的点距沿孔深依次进行发射、接收电磁波，即按 一定射线密度对孔问剖面进行扫描，结果在二钻孔 问形成如图１所示的一系列扇形射线网络。电磁波 的实测量是波动过程沿射线路径对介质吸收系数的 积分结果，当同一平面内密集的平行射线簇对研究 区域进行了全方位扫描后，便可把所有的投影函数 按Ｒａｄｏｎ反变换的关系组成方程组，经反演计算重 建出介质吸收系数（ｐ）的二维分布图像。据此， 就可以分析钻孔间地异常体及构造的分布情况。 图１ 电磁波ＣＴ测试原理图 实际工作中，影响电磁波ＣＴ成像精度的参数主 要有两个：一一是发射电磁波的频率，电磁波频率越 高，分辨力越强，但介质对电磁波的吸收也越强， ５２ ＹｕｎｎａｎＷａｔｅｒｐｏｗｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 电磁波穿透介质能力减弱，穿透距离缩短；电磁波 频率越低，穿透能力越强，但电磁波在岩体中的波 长较长，会产生绕射现象，使划分地质异常体及构 造的分辨力降低。二是采样密度，采样密度越高， 图像重建时网格单元划分越小，则成像精度越高， 但相应工作量也成倍增加；采样密度越低，图像重 建时网格单元划分越大，则成像精度越低，相应工 作量越少。 ３反演方法的讨论 目前较为常用的离散ＣＴ的数值重建反演算法 主要有：反向传播算法（Ｂａｃｋ２ＰｒｏｊｅｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｉｑｕｅ，简 称ＢＰＴ）、代数重建算法（Ａｌｇｅｂｒａｉｃ Ｒｅｃｏｎ２ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，简称ＡＲＴ）和联合迭代重建算法（Ｓｉｍｕｌｔａ ｎｅｏｎｓ Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，简称ＳＩＲＴ） ｊ。本文中采用的为代数重建算法（ＡＲＴ）和联合 迭代重建算法相结合的综合算法（ＳＩＲＴ）。 ＢＰＴ法能较好地抑制干扰的影响，但分辨率较 低；而ＳＩＲＴ法虽然精度高，但重现结果假异常太多， 以至于有时难以分辨真正的异常。本文中采用的代 Ｏ 毒 数重建算法（ＡＲＴ）和联合迭代重建算法相结合的 算法兼顾了分辨率和交叉项的压制两方面，具有较 好的效果。 图２为圆形模型的剖面位置图，圆形模型的吸 收系数大于周围介质的吸收系数，图３～图６为各种 反演算法的反演结果，由图可以看出，ＢＰＴ、ＡＲＴ、 ＳＩＲＴ反演结果均包含有较多的假异常，而ＡＲＴ、ｓＩ ＲＴ联合反演算法的反演结果的假异常压制效果却 较好，而且分辨率也比较高。 ０ ５ １Ｇ １５ ２Ｏ ２Ｓ 发 １３ ｝ｒ ・ 《救 ≯ ‘“ “ 蹦２ 圆形模型 竹 ２００９年第４期总第１６９期 云南水电技术 （ｄ８椭） ２侣，：宝 ９：ｇ ８；２ ７∞ 图３ ＢＰＴ反演结果 图４ ＡＲＴ反演结果 Ｏ ５ ｛Ｏ １５ ２Ｏ ２５ 图５ ＳＩＲＴ反演结果 Ｉ￣（ｄＢ／ｍ 图６ ＡＲＴ、ＳＩＲＴ联合反演结果 ４测试工程中需要注意的几个问题 电磁波ＣＴ方法是利用介质对电磁波的吸收特 性来进行探测的，电磁波ＣＴ色谱图中的电磁波吸收 系数ｐ值反映的是各剖面间地质体或构造对电磁波 吸收的相对强弱，其数值越大，表明介质对电磁波 的吸收越强，反映岩石破碎、完整性差，溶洞内充 填粘土或充水等（溶洞内充填粘土或充水较岩石破 碎、完整性差时吸收更强）；数值越小，介质对电磁 波的吸收越弱，为空洞或岩石完整反映（空洞较完 整岩石吸收更弱）。 在进行桩基础岩溶探测时，需要注意以下几个 问题。 （１）钻孔应沿桩轴线布置，钻孔间距在１６ｍ－４ ０ｍ为宜，太近会受到电磁波近场效应影响，太远则 需要降低频率来提高穿透距离，从而影响探测精度。 （２）钻孔孔深设计应考虑观测盲区（各频率上、 下天线占用孔段长度）和解释盲区（扫描射线非常 稀的区域）的存在，应保证探测区域位于有效观测 区域内，观测剖面上、下保证有３ｍ－５ｍ距离作为解 释盲区。 （３）在已成桩的情况下进行桩底岩溶探测时， 可适当考虑状体本身的影响，但试验表明其影响不 大。 ５工程实例 某高速公路位于云南省昆明市西南部，是昆明 绕城高速公路网“两环五射”的外环之一。１、２号 桥是其中的两座桥梁，中心桩号分别位于Ｋ１１＋３９４． ５和Ｋ１ １＋９０６。两座桥均位于灰岩地区，岩溶较为发 育，为保证桥梁运行安全，需进行桩基础部位的勘 Ｙｕｎｎａｎ Ｗａｔｅｒｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ５３ ＇懒 １ １荸■嬲豳二 侄 坌 波ｃＴ技术在桩基础岩溶探测上的应用研究 ２００９年第４期总第１６９ 探工作。由于部分桩基础已施工，施工进度要求较 紧，采用了一排桩基础打３个钻孔，做两对电磁波ｃ Ｔ剖面的方法进行勘探。 图７～图９是２≠≠墩ＣＴＺＫ０７～ＣＴＺＫ０８剖面探测 成果，图７是吸收系数色谱图，从图中可以看出， 在水平范围１０．９ｍ一２１．２ｍ，深度范围２３．４ｍ．２８．３ｍ和 水平范围８．６ｍ一１３．９ｍ，深度范围２７．６ｍ．２８．４ｍ的两 个区域存电磁波吸收较强的区域，相对吸收系数达 到３．６ｄＢ／ｍ以上，推测为粘土充填的溶洞，图８为 相应的推断解释图，图９是在左２桩附近钻孔验证 的情况，ＣＴＺＫ０７和ＣＴＺＫ０８孔的岩芯则较为完整。７ 岍岛 ｌ ５ ｉ（＝Ｊ １５ ２０ 孔 硼 （ｍ） 图７电磁波ＣＴ吸收系数色谱图 ＣＴＺＫ０７ ４ 擐：｛ ＾ ｌ（…ＩＺＫ０８ ｌ０ ｌ８７７，２ 孔 耥 深 程 （｝Ｉ１） “ｎ】 ｌ １８７２．２ ，奉较完整 ＼ ＼ 溶洲＇、＼ ｉ８６２．２ 龟填 ｌ 党＇ 二二｝ ｊ ｌ（） ｌ５ ２０ 孔川 （“１） 图８电磁波ＣＴ解释成果图 ５４ ＹｕｎｎａｎＷａｔｅｒｐｏｗｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２ ７ 晰 ｌ ，＿１ 哪 ｌ ， 图９验证照片 图１０～图１２是３≠｝墩ＣＴＺＫ１１～ＣＴＺＫ１２剖面探 测成果，图１０是吸收系数色谱图，从图中可以看出， 在水平范围１５．８－２４．０ｍ，深度范围２４．７ｍ－３０．０ｍ处存 在一较为明显的电磁波强吸收异常区域，相对吸收 系数达到３．８ｄＢ／ｍ以上，推测为充填粘土的溶洞；… 扎渫㈨ ２ ２ 另外在其它部位存在几个相对较强的吸收区域，推 测为岩体破碎的反映，具体见图１１推断解释图，图 ｌ２是ＣＴＺＫ１２钻孔验证的情况。 ■■■■圈 豳圜豳圜函■● ５ Ｓ ５ ４ ４ ３ ３ ３ ２ ２ １，１ Ｏ 州８ ４ Ｏ ８ ２ ８ ４ Ｏ ６ ２ ８ ４ Ｏ ６ 图１Ｏ电磁波ＣＴ吸收系数色谱图 辩 厂 ＝＝＝ ＝ ｛ 范蛾 ，－ ０ ５ １０ ｌＳ ２０ 孔洲 《ｍ） 图１１电磁波ＣＴ解释成果图 （１ ２００９年第４期总第１６９ 云南水电 图ｌ３～图１５是１拌墩ＣＴｚＫ０４～ＣＴＺＫ０５～ＣＴＺＫ —■■曩隔日］５ ５ ４ ４ ４ ３ ３ ２ ２ ２ １ １ Ｏ ［】 豳网黼簟■● ０６剖面探测成果，图ｌ３是吸收系数色谱图，从图中 可以看出，在ＣＴＺＫ０４一ＣＴＺＫ０５剖面水平位置１９．０ １ＴＩ至ＣＴＺＫ０５一ＣＴＺＫ０６剖面水平位置７．２ｍ，深度范 围１７．５ｍ．２１．２ｍ部位为电磁波强吸收区域，电磁波 ６ ２ ８ ４ ６ ２ ８ ４ ６ ２ ８ 吸收系数大于３．４ ｄＢ／ｍ，推测部位为粘土充填的溶 洞；另外在ＣＴＺＫ０４一ＣＴＺＫ０５剖面水平位置７．４ｍ至 ＣＴＺＫ０５．ＣＴＺＫ０６剖面水平位置１６．８ｍ，深度范围８． ０ｍ．１２．４ｍ和ＣＴＺＫ０５一ＣＴＺＫ０６剖面水平范围１５．２ｍ一 ２２．６ｍ，深度范围２６．１ｍ－２９．１ｍ部位为电磁波吸收相 对较强的区域，电磁波吸收系数大于３．０ ｄＢ／ｍ，推 测为裂隙发育、岩体较破碎的反映，具体见图１４推 图１２ 验证照片 断解释图，图１５是ＣＴＺＫ０５钻孔验证的情况。 ｆｄＢ／ｍ） 孔问距（棚） 图１３电磁波ＣＴ吸收系数色谱图 蕺、 “２ １｛ ４ 、、 ＼ 裂 ￡ｆ『， 岩｛Ｉ 较破胖 、 ＼ ｌ／／ ／ 一、 ！鳅 ■－＿＿一 ．一 ） ／一一震 礞 ，＼尝徒端船融 — ：．： ０ ５ １０ ５ ２０ ０ ５ １０ １ ５ ２Ｏ 扎蚓跚 （ｍ） 孔 （ｍ） 图１４电磁波ＣＴ解释成果图 ｎ４ｎ Ｗａｔｅｒｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ５５ 墼盟 ＣＴ技术在桩基础岩溶探测上的应用研究 ２００９年第４期总第１６９ （２）在现场测试参数的选取上，有效测试深度 范围必须排除盲区区域，测试网格不宜太大。 （３）反演算法采用ＡＲＴ、ＳＩＲＴ联合迭代反演 算法的分辨率较高，为首选的反演方法。 参考文献： ［１】宋先海，李端有等． 基于电磁波ＣＴ技术的复杂地质 异常探测［Ｊ］，资源环境与工程，２００８ ［２】邓争荣，熊永红，蔡加兴。钻孔电磁波ＣＴ在岩溶探测 中的应用，长江工程职业技术学院学报，２００４ 图１５ 验证照片 ［３】李永涛，陶喜林，余建河，井问电磁波ＣＴ技术在长 ６结论 江大堤岩溶探测中的应用，ＣＴ理论与应用研究，２００９ ［４】蔡加兴．电磁波ＣＴ技术在水库堤坝隐患探测中的应 （１）电磁波ＣＴ在桩基础特别是桩底岩溶的探 用，资源环境与工程，２００２ 测上具有较高的分辨率，能够对溶洞的发育形态具 ［５】 皮开荣．改进 ＳＩＲＴ法进行电磁波反演应用研究［Ｊ］， 有较好的勾绘。 工程地球物理学报，２００８ 糯扎渡正式启动压力钢管安装 ｌ０月１５日，在糯扎渡筹建处及参建各方的共 钢管为６号引水洞的始装定位节，安装方法是通过 同努力下，首节压力钢管顺利吊装到指定位置，标 １００吨桥机将钢管吊装到钢平台台车上加固后，利 志着糯扎渡电站压力钢管安装工作正式开始启动。 用卷扬机牵引到安装位置安装，预计到１２月份可 糯扎渡电站共有九条引水压力钢管道，钢管道 完成钢管安装６００吨，其余引水洞的钢管安装工作 位于引水洞下平段，前与引水洞竖井相连，后与机 也将在近期陆续展开。 组蜗壳相接，每条钢管道长５５米，每套由２８节管 （摘自《澜沧江水电》２００９－ｒ １０月２１日第２６ 节组成，总工程量约５０００余吨，承担安装任务的 期总第２２７期） 是水电十四局诺扎渡项目经理部。此次吊装的首节 ５６ ＹｕｎｎａｎＷａｔｅｒｐｏｗｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
