綜合物探技術(shù)在城市軌道交通勘察中的應(yīng)用

王其合

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

0 引言

隨著我國(guó)一線、二線城市的高速發(fā)展，城市軌道交通工程不斷涌現(xiàn)，面臨的工程條件也愈加復(fù)雜。破碎帶和巖溶作為常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象，對(duì)城市軌道交通工程設(shè)計(jì)和施工有著嚴(yán)重的影響。更加深入地了解物探方法在城市軌道交通工程中運(yùn)用，是工程師們針對(duì)不同工程選擇相應(yīng)物探方法所必須面對(duì)的問(wèn)題。任杰等[1]通過(guò)高密度電法探測(cè)破碎帶，為工程提供了一種較為可靠的方法；楊金山等[2]針對(duì)干擾區(qū)進(jìn)行了研究分析，驗(yàn)證了其工程使用的可靠性；何國(guó)全等[3-4]研究了高密度電法在巖溶探測(cè)中的應(yīng)用，驗(yàn)證了高密度電法的可行性；鄭江波等[5-8]采用地震法或聯(lián)合高密度電法針對(duì)巖溶區(qū)進(jìn)行綜合探測(cè)，得到較好的應(yīng)用效果；章飛亮等[9-13]還通過(guò)了3種以上的物探方法進(jìn)行了對(duì)比分析，表明了物探方法在不同工程中的精確性并不一致；楊建明等[14-15]通過(guò)瞬變電磁法探測(cè)巖溶，彌補(bǔ)了高密度電法探測(cè)深度的不足。

筆者以徐州市城市軌道交通6號(hào)某車站工程場(chǎng)地為例，采用高密度電法和瞬變電磁法來(lái)探測(cè)巖溶和破碎帶。高密度電法作為常見的物探方法，作為本文探測(cè)對(duì)比的依據(jù)。淺層瞬變電磁法目前在城市軌道交通中的應(yīng)用較少，因此具備一定的研究意義。筆者通過(guò)鉆探來(lái)驗(yàn)證高密度電法在破碎帶探測(cè)中可靠性，再以淺層瞬變電磁法[16]和高密度電法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，給工程提供一種切實(shí)可行的物探選擇方法。

圖1 地貌單元圖Fig.1 Geomorphic unit map

1 工程地質(zhì)條件概況

1.1 地形地貌

徐州市區(qū)位于魯南山區(qū)向黃淮海平原過(guò)渡的部位，以平原為主，廣袤的沖積平原上分布一系列NE-NEE向展布的低山殘丘及崗地徐州市區(qū)內(nèi)的地貌形態(tài)，主要有剝蝕～溶蝕丘陵(殘丘)和堆積平原兩大類。本場(chǎng)地自南向北穿越廢黃河高漫灘、沖積平原、溶蝕丘陵(殘丘)三個(gè)地貌單元，見圖1。

1.2 地層巖性

本工程發(fā)育有第四系全新統(tǒng)(Q4)、上更新統(tǒng)(Q3)地層，覆蓋層總厚度為0.1 m～30.7 m，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)王氏組碎屑沉積巖、震旦系城山組砂質(zhì)灰?guī)r、趙圩組石灰?guī)r、倪園組白云巖、九頂山組石灰?guī)r。

1.3 場(chǎng)地地質(zhì)構(gòu)造

本標(biāo)段場(chǎng)區(qū)大部分屬賈汪復(fù)式向斜東側(cè)翼部邊緣。本工程內(nèi)發(fā)育有次級(jí)斷裂F60邵樓斷裂，該斷裂從線路右線AK35+640里程附近穿過(guò)(D6C5Q14Z42孔揭示)，上覆第四系覆蓋層約8.4 m，屬隱伏式斷裂，斷層寬度為10 m～20 m，斷層破碎帶巖石破碎，巖溶發(fā)育，局部呈砂土狀、土狀，對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性影響較大，該斷層非活動(dòng)性斷層(圖2)。

圖2 場(chǎng)地地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.2 Geological structure map of the site

2 地球物理參數(shù)特征

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和反演結(jié)果分析得出巖土體的反演電阻率值(表1)。由表1可知，不同巖土性之間，巖土體、破碎～較破碎、較完整巖體與破碎帶以及破碎、軟弱或含水巖體之間存在一定的電性差異，因此本工程具備開展高密電法和瞬變電磁法的地球物理勘探前提條件。

表1 物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖3 鉆探孔及物探線平面布置圖Fig.3 Simplified ecological map showing borcholes and geophysical survey lines(a)斷層測(cè)線布置圖;(b)巖溶區(qū)測(cè)線布置圖

圖4 電阻率反演圖Fig.4 Resistivity inversion map

3 方法原理

3.1 高密度電法勘探

高密度電法是一種陣列式電阻率測(cè)量方法，它以導(dǎo)電性為基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)分析電場(chǎng)分布變化的規(guī)律為解決地質(zhì)問(wèn)題提供依據(jù)，其基本原理與傳統(tǒng)的直流電阻率法相同。與常規(guī)電法相比，高密度電法具有抗干擾強(qiáng)、采集速度快、布設(shè)快等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 瞬變電磁法

基于等值反磁通原理的瞬變電磁法,是一種新的探測(cè)地下純二次場(chǎng)的方法。該方法采用上下平行共軸的兩個(gè)相同線圈通以反向電流作為發(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)。該方法能夠有效消除接收線圈本身的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而獲得地下純二次場(chǎng)的響應(yīng)。該方法采用的雙線圈源比傳統(tǒng)瞬變電磁法采用的單線圈源對(duì)地中心耦合場(chǎng)能量更集中，有利于減少旁側(cè)影響、提高探測(cè)的橫向分辨率。

4 成果分析和地質(zhì)解釋

4.1 測(cè)線布置

根據(jù)工程實(shí)際條件，共布置物探測(cè)線3條，其中D1、D2為高密度電法測(cè)線和S1為瞬變電磁法，D2和S1測(cè)線位置相同，具體位置見圖3。

4.2 破碎帶探測(cè)成果解譯

根據(jù)高密度電法D1測(cè)線電阻率反演得出，其場(chǎng)地覆蓋層以填土和粉質(zhì)黏土為主，電阻率值ρ=2 Ω·m ～40 Ω·m，全風(fēng)化/強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，電阻率值ρ= 40 Ω·m ～65 Ω·m，巖體破碎～較破碎，中風(fēng)化粉砂巖，電阻率值ρ=68 Ω·m ～1 870 Ω·m，完整～較完整。結(jié)合已有鉆孔資料，覆蓋層厚度約為10 m～15 m，基巖面起伏總體較為平緩。圖4電阻率反演圖中橫坐標(biāo)270 m～300 m位置出現(xiàn)明顯的低阻異常，推測(cè)為F60斷裂，傾角約50°～60°，走向WE向，斷距約30 m。

圖5 工程地質(zhì)剖面圖Fig.5 Engineering geological section

圖6 高密度電法電阻率反演圖Fig.6 Resistivity inversion map of high density resistivity method

根據(jù)勘探孔的揭露情況(剖面圖見圖5)，采用高密度電法對(duì)斷裂破碎帶的探測(cè)結(jié)果顯示，其成果與勘探孔和調(diào)繪結(jié)果的吻合度較高。但是本次探測(cè)對(duì)巖溶的特性反演效果未能達(dá)到工程要求，鉆探揭露的溶洞因物性與破碎帶物性接近且靠近破碎帶，因此巖溶的電阻率反演未能準(zhǔn)確顯示。

4.3 巖溶探測(cè)成果解譯

4.3.1 高密度電法

根據(jù)高密度電法D2測(cè)線電阻率反演結(jié)果得出，覆蓋層主要以填土和粉質(zhì)黏土為主，電阻率值ρ=1 Ω·m～29 Ω·m；全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r和頁(yè)巖互層，電阻率值ρ= 29 Ω·m ～215 Ω·m，巖體破碎～較破碎；中風(fēng)化灰?guī)r，電阻率值ρ=215 Ω·m ～6 097 Ω·m，完整～較完整。結(jié)合已有的鉆孔資料，覆蓋層厚度約為16 m～23 m，基巖面起伏總體較為平緩。從反演剖面圖6中，橫向坐標(biāo)為135 m～143 m、埋深高程為0 m～8 m和橫向坐標(biāo)為220 m～232 m、埋深高程為-3 m～-7 m及橫向坐標(biāo)為266 m～273 m、埋深高程為3 m～9 m出現(xiàn)明顯的低阻異常體，推測(cè)為溶洞。

圖7 瞬變電磁法電阻率反演斷面圖Fig.7 Transient electromagnetic resistivity inversion section

圖8 工程地質(zhì)剖面圖Fig.8 Engineering geological profile of high speed railway parking lot

表2 鉆探驗(yàn)證結(jié)果

4.3.2 瞬變電磁法

由圖7得出，圖中劃定9個(gè)異常區(qū)域，該區(qū)域高阻中出現(xiàn)明顯的低阻體且等值線封閉性好，電阻率值范圍不一，應(yīng)與巖溶填充物有關(guān)。根據(jù)瞬變電磁法測(cè)線反演斷面圖，根據(jù)劃定異常區(qū)域的大小和電阻率等值線錯(cuò)斷情況，推測(cè)該區(qū)域溶洞發(fā)育不規(guī)則，且溶洞大小不一，該區(qū)域巖溶發(fā)育中等。

4.3.3 探測(cè)成果對(duì)比驗(yàn)證

根據(jù)《城市軌道交通規(guī)范》，本場(chǎng)地鉆孔間距40 m～100 m，局部受場(chǎng)地影響未能在測(cè)線上布置鉆孔，僅有鉆孔D6C5T2Z20、D6C5T2Z25(圖8)具備驗(yàn)證條件。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，發(fā)現(xiàn)本工程高密度電法在巖溶探測(cè)中存在一定的缺失，巖溶深度較小時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確反演。高密度電法受裝置(溫納四極)影響，測(cè)線兩側(cè)反演深度不足。瞬變電磁法的反演結(jié)果與鉆探驗(yàn)證孔結(jié)果吻合度相對(duì)較高，具體對(duì)比情況見表2。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在城市軌道工程中高密度電法對(duì)探測(cè)破碎帶具有良好的效果，但探測(cè)巖溶發(fā)育情況存在一定的缺失。基于等值反磁通原理的瞬變電磁法具有更好的分辨率，能夠彌補(bǔ)高密度電法在探測(cè)巖溶時(shí)的不足。由于地質(zhì)鉆孔空間上不連續(xù)，這決定了破碎帶和巖溶發(fā)育情況不能完全探測(cè)清楚，因此在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇切實(shí)可行的物探方法，也可綜合采用取長(zhǎng)補(bǔ)短、對(duì)比驗(yàn)證，提高物探探測(cè)的準(zhǔn)確性，減少單一方法的局限性。