綜合物探手段在巖溶區(qū)地鐵勘察中的應(yīng)用

吳建偉，袁亞坤

（江蘇省地質(zhì)環(huán)境勘查院，南京 210012）

1 引言

地鐵建設(shè)工程是影響重大的民生工程，勘察階段應(yīng)詳細(xì)查明場(chǎng)地地質(zhì)條件，為地鐵建設(shè)提供準(zhǔn)確的地質(zhì)依據(jù)?；?guī)r為可溶性碳酸鹽巖，溶蝕現(xiàn)象及溶洞發(fā)育是灰?guī)r地層區(qū)較為突出的特點(diǎn)，作為一種典型且廣泛分布的不良地質(zhì)條件容易引起地基變形、不均勻沉降、滑動(dòng)和地面塌陷，對(duì)地鐵工程建設(shè)有嚴(yán)重影響，是工程勘察階段的重難點(diǎn)。為保證地鐵建設(shè)施工安全，前期勘察工作應(yīng)仔細(xì)研究確定勘察工作方案，巖溶區(qū)地鐵勘察除常規(guī)地質(zhì)鉆探外，近年來綜合物探手段的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，包括地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法、瞬變電磁、橫波地震反射法等，均在巖溶區(qū)地鐵勘察中有廣泛應(yīng)用。本文通過對(duì)某城市巖溶區(qū)地鐵勘察項(xiàng)目案例進(jìn)行分析，對(duì)工程物探手段在巖溶區(qū)勘察項(xiàng)目的應(yīng)用效果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

2 物探方法

2.1 工程概況

某城市地鐵工程場(chǎng)地位于灰?guī)r區(qū)，地貌屬山前沖坡積地貌單元，覆蓋層以下為奧陶系灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，初步勘察階段，除常規(guī)地質(zhì)鉆探外，結(jié)合場(chǎng)地地形地貌條件及周邊環(huán)境條件，采用地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法、瞬變電磁、橫波地震反射法4種地面物探方法。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)

1）原理。地質(zhì)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)勘探的關(guān)鍵在于電磁波，通過天線向勘探區(qū)域發(fā)射電磁波，電磁波發(fā)射頻率范圍10～1 000 MHz。電磁波遇到不同地質(zhì)將反映為反射時(shí)間的差異，反射波由天線接收，此時(shí)可根據(jù)發(fā)射波雙程旅行時(shí)間及電磁波傳輸速度判斷地質(zhì)類型，而地質(zhì)深度則可通過式（1）算出：

式中，D為探測(cè)深度，m；V為電磁波傳播速度，m/s；Δt為發(fā)射波雙程旅行時(shí)間，s。

地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用原理為：高頻電磁波通過地層介質(zhì)時(shí)，其電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、介電常數(shù)等參數(shù)會(huì)隨著地層介質(zhì)的幾何形態(tài)變化產(chǎn)生差異，故導(dǎo)致反射波回波數(shù)據(jù)出現(xiàn)不同，因此，可通過分析雷達(dá)波的幾何形態(tài)、強(qiáng)度及波形判斷地質(zhì)狀態(tài)及性質(zhì)[1]。

2）應(yīng)用情況。地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在本次巖溶地區(qū)勘察作業(yè)中的應(yīng)用情況具體如下：（1）儀器設(shè)備。本次應(yīng)用的地質(zhì)雷達(dá)型號(hào)為SIR-20，天線發(fā)射頻率為16～80 MHz，屬于低頻組天線，通過該儀器設(shè)備可精準(zhǔn)地得出地質(zhì)高密度成像。為便于數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用RADAN 6.6數(shù)據(jù)處理軟件。（2）勘察方式。在正式勘察之前組織參數(shù)試驗(yàn)，以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)選擇最終天線發(fā)射頻率。在本次試驗(yàn)中，選擇20 MHz和40 MHz低頻組合天線及100 MHz屏蔽天線進(jìn)行對(duì)比，最終發(fā)現(xiàn)100 MHz屏蔽天線效果較差，20 MHz和40 MHz低頻組合天線效果相近，但相較而言，40 MHz低頻組合天線的分辨率及同相軸連續(xù)性較好，且可滿足勘察精度及深度要求。

3）效果。通過地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用前的參數(shù)試驗(yàn)，最終將地質(zhì)雷達(dá)設(shè)定為點(diǎn)測(cè)模式，點(diǎn)距0.5 m。具體參數(shù)情況如下：（1）選擇40 MHz低頻組合天線；（2）采樣點(diǎn)數(shù)與采樣數(shù)分別為512個(gè)、16位，時(shí)窗700 ns；（3）垂向高通濾波器與垂向低通濾波器分別為10 MHz、80 MHz，發(fā)射率為25 kHz；（4）通過自動(dòng)增益實(shí)現(xiàn)了128次疊加。對(duì)地質(zhì)雷達(dá)的勘察效果進(jìn)行總結(jié)，具體如下：實(shí)現(xiàn)了2 235 m的地質(zhì)勘察，檢查剖面為130 m，最終發(fā)現(xiàn)原始剖面波形與檢查剖面的波形形態(tài)基本吻合，勘察效果優(yōu)異，滿足勘察作業(yè)要求。

2.3 高密度電法

2.3.1 原理

高密度電法利用的是地下介質(zhì)之間存在的導(dǎo)電性差異，依托供電電極向目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行電流I的供應(yīng)，測(cè)量電極間的電位差ΔV，最后對(duì)該測(cè)量點(diǎn)的視電阻率值進(jìn)行計(jì)算。作為一種陣列勘探方法，在開展野外測(cè)量工作時(shí)，只需在測(cè)點(diǎn)上放置全部電極，然后利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機(jī)工程電測(cè)儀便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集。之后，使用微機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此得到關(guān)于地電斷面分布的各種圖示結(jié)果。其中，在增加測(cè)量深度時(shí)，主要是調(diào)大供電電極距離，通過測(cè)量電位差和電流強(qiáng)度，對(duì)視電阻率值進(jìn)行計(jì)算。高密度電法兼?zhèn)潆姕y(cè)深法和電剖面法的優(yōu)點(diǎn)，勘察作業(yè)可以同時(shí)得到橫向和縱向的電阻率值數(shù)據(jù)。

2.3.2 應(yīng)用情況

本次工程中主要使用GD-10分布式高密度電法系統(tǒng)，勘察工作正式開展前需要落實(shí)裝置參數(shù)選擇試驗(yàn)，綜合考慮設(shè)備的抗干擾能力和分辨率，本次工作選擇溫施裝置測(cè)量。除此之外，本次工程中排列了120道電極，電極間的距離控制在3 m，最小隔離系數(shù)和最大隔離系數(shù)分別為1和30，溫施系數(shù)為3。在該情況下，將野外采集的相關(guān)數(shù)據(jù)傳入電腦，將其轉(zhuǎn)換為適應(yīng)高密度電法處理軟件要求的數(shù)據(jù)格式，之后開展數(shù)據(jù)反演，最終得到高密度電阻率剖面反演解釋圖。在該裝置和參數(shù)的試用下，在電極距為3 m時(shí)，隔離系數(shù)為30時(shí)，反演深度＞35 m，工作參數(shù)滿足要求[2]。

2.3.3 效果

通過反演結(jié)果和地質(zhì)資料可知，視電阻率值與儀器、電極、接地條件、淺部干擾等都有密切關(guān)聯(lián)，一旦某環(huán)節(jié)存在問題，這一異常將會(huì)在反演過程中被放大，進(jìn)而容易造成誤判。因此，即使高密度電法滿足巖溶區(qū)地鐵工程勘察需要，但在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，還需要對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行判斷，對(duì)局部異?？捎梅囱萜拭孢M(jìn)行范圍圈定，因而要對(duì)勘察人員有較高的要求。

2.4 瞬變電磁

2.4.1 原理

本次項(xiàng)目中采用的瞬變電磁為等值反磁通高精度瞬變電磁新技術(shù)，作為一種新的瞬變電磁法，主要原理為：利用相同的兩組線圈通以反向電流情況下產(chǎn)生的等值反向磁通的電磁場(chǎng)時(shí)空分布規(guī)律，采用上下平行共軸的兩組相同線圈為發(fā)射源，且在該雙線圈源合成的一次場(chǎng)零磁通平面上，測(cè)量對(duì)地中心耦合的純二次場(chǎng)，根據(jù)地表接收的渦流場(chǎng)信號(hào)隨時(shí)間的衰減規(guī)律即可獲得地下電導(dǎo)率信息判斷地層結(jié)構(gòu)與地界介質(zhì)，具體如圖1所示。

圖1 瞬變電磁原理

2.4.2 應(yīng)用情況

瞬變電磁在本次巖溶地區(qū)勘察作業(yè)中的應(yīng)用情況具體如下：（1）儀器設(shè)備。本次采用HPTEM-18型高精度等值反磁通瞬變電磁系統(tǒng)，測(cè)量密度高且施工更便捷。（2）勘察方式。采用具備零互感特性的等值反磁通裝置，正式開展工作前，分別進(jìn)行參數(shù)選擇試驗(yàn)和有效性試驗(yàn)。在本次試驗(yàn)中，選擇20 MHz、40 MHz低頻組合天線及100 MHz屏蔽天線進(jìn)行對(duì)比，最終發(fā)現(xiàn)發(fā)送頻率25 Hz，采樣時(shí)間窗口最大為10 ms，發(fā)射電流10 A，重復(fù)次數(shù)為2。

2.4.3 效果

通過瞬變電磁技術(shù)，能夠通過兩個(gè)電性層的劃分掌握目標(biāo)區(qū)域?yàn)閹r層風(fēng)化破碎或巖溶發(fā)育，瞬變電磁的異常特征與鉆孔資料基本吻合，這說明在工區(qū)開展瞬變電磁法探測(cè)是可行的。

2.5 橫波地震反射法

2.5.1 原理

橫波地震反射法主要發(fā)射地震波（彈性波），分析其傳播形態(tài)與數(shù)據(jù)掌握目標(biāo)區(qū)域的地層結(jié)構(gòu)。在使用該物探方法開展勘察作業(yè)時(shí)，地震波主要通過人工發(fā)射，沿著設(shè)置好的測(cè)線合理布置檢波器，之后激發(fā)地震波并檢測(cè)，由于組成地層的各種巖石或介質(zhì)有不同的彈性，可掌握其傳播路徑、旅行時(shí)間、波形、振幅等信息要素，之后根據(jù)具體參數(shù)掌握地層界面的介質(zhì)和幾何形態(tài)，以此查明地質(zhì)情況。

2.5.2 應(yīng)用情況

本次勘察作業(yè)中主要使用德國(guó)產(chǎn)的SummitⅡ數(shù)字地震儀和28 Hz橫波檢波器，震源選用錘擊扣板。在勘察作業(yè)正式開展前，落實(shí)了地震映像法和淺層橫波反射地震法有效性選擇試驗(yàn)，且分別進(jìn)行觀測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)。

地震映像法的信噪比較低，所以，為獲得更為準(zhǔn)確的信息，本次勘察作業(yè)選用橫波反射地震法，勘探前還需要在每條測(cè)線施工前進(jìn)行觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)試驗(yàn)。除此之外，在橫波反射地震法實(shí)施過程中，為獲取最佳有效地震記錄，還要通過零偏擴(kuò)展進(jìn)行試驗(yàn)工作，通過識(shí)別和分析有效反射相位及干擾相位確定最佳觀測(cè)系統(tǒng)和偏移距[3]。而且，排列范圍內(nèi)基巖有效反射波組最早出現(xiàn)在零偏230 ms附近，存在相對(duì)嚴(yán)重的遠(yuǎn)道干擾，而且，將激發(fā)位置選在中間位置時(shí)，記錄淺、中、深部反射相位，確保反射相位被順利接收，且能夠?qū)h(yuǎn)端干擾形成有效壓制，保證作業(yè)人員對(duì)淺、中、深層反射信號(hào)信噪比的掌握。因而，采用中間激發(fā)方式，減少外界干擾。本次工程中，外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

圖2 地震外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程

2.5.3 效果

在各項(xiàng)參數(shù)實(shí)驗(yàn)下，該勘探作業(yè)中采用中間激發(fā)、多道接收，多次覆蓋、連續(xù)滾動(dòng)的橫波地震施工方式，需要注意的是，由于該區(qū)域位于城區(qū)，車流量較大，為有效提高單炮數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，采用夜間施工方式。技術(shù)參數(shù)為：道間距2 m，48道接收，炮間距6 m，8次覆蓋，采樣率1 ms，記錄時(shí)間1 024 ms。在該技術(shù)參數(shù)下，需要開展以下工作：（1）處理地震數(shù)據(jù)。為突出有效波、壓制干擾波，要求相關(guān)工作人員開展預(yù)測(cè)反褶積、多次速度分析、剩余靜校正、去噪等特殊處理作業(yè)，這樣才能獲得最終反射地震時(shí)間剖面。（2）速度求取及圖件編制工作。地震波速度作為該物探技術(shù)中時(shí)間-深度換算的重要參數(shù)，作業(yè)人員需要以本次反射參數(shù)求取的疊加速度為基礎(chǔ)換算平均速度和層速度。根據(jù)地震資料處理結(jié)果，各層時(shí)深轉(zhuǎn)換速度取為230～270 m/s，較為精準(zhǔn)。

3 結(jié)語

地鐵工程勘察有其特殊性，通過對(duì)某城市巖溶區(qū)地鐵項(xiàng)目勘察手段的分析，可以發(fā)現(xiàn)地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法、瞬變電磁及橫波地質(zhì)反射法等地面物探手段均能有效對(duì)巖溶發(fā)育情況進(jìn)行勘察，探測(cè)成果均能滿足要求。本文案例中，根據(jù)不同的地質(zhì)和周邊環(huán)境條件，采用一種或者多種手段進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)結(jié)合鉆探成果進(jìn)行驗(yàn)證，有效查明了場(chǎng)地巖溶的發(fā)育條件，驗(yàn)證了物探勘察手段的適宜性和有效性，既滿足了勘察要求，又節(jié)約了資金，在巖溶區(qū)地鐵勘察項(xiàng)目中是好的探索和積累。