綜合物探在長沙地鐵4號線過湘江段勘察中的應用

劉浩天

（湖南省勘測設計院有限公司，湖南長沙 410004）

0.引言

在地鐵隧道勘察中，查明地質構造、地層巖性組合特征、圍巖的基本物理力學性質、地下水分布特征以及可能遇到的不良地質的分布范圍，為地鐵隧道施工工法的選擇、洞身掘進方法、支護和襯砌類型提供工程地質依據和設計參數，確保施工安全。單一物探方法具有一定的局限性，易受探測深度、電磁干擾、地形條件等因素，因此在勘察中常采用綜合物探的方法[1]，利用不同的物性差異相互佐證，結合鉆探資料，以提高物探資料的準確性。

本文以長沙地鐵4號線過湘江段為例，根據物探工作目的及任務，選擇最優的測線布置方式以及物探方法，通過實際驗證，確定最優的物探組合方法，以期解決地鐵施工中的地質問題。

1.工程概況

長沙地鐵4號線過湘江段位于長沙地鐵4號線阜埠河路站-湘江南路站區間如圖1所示，區間線路呈東西向展布，線路西起阜埠河路站，沿阜埠河路展布，在里程K31+700～K32+850段橫穿湘江，東至湘江南路站，結構底板埋深約14.40m～40.20m，兩岸地貌單元屬湘江一級階地，地面標高一般在30m～45m。

圖1 擬建區間衛星照片

根據區域資料，該段發育二里半壓性斷裂（F35），出露于岳麓山東坡邊緣，呈N20°E延伸，傾向南東，斷裂兩端被第四系掩蓋，全長約4km。截切最新地層為三迭-下侏羅統巖層，北西盤之岳麓山向斜東翼已被該斷層破壞，于左家垅附近斷面傾向南東，傾角約40°，并見與斷裂平行之石英斑巖脈，與其伴生的還有愛晚亭扭斷裂。

2.區域地質構造

根據區域地質資料，本勘探區西部地處岳麓山向斜東南翼，有一規模較大的北東向斷層斜貫；東部位于楊泗廟—觀音港向斜北西翼，亦有一規模較大北東向斷層斜貫；受斷層的影響，湘江過江段局部可能存在小規模的斷層。第四紀以來本區新構造運動是以垂直差異運動為主，主要表現為間歇性升降，現今地貌形態以低山、丘陵崗地和沖積平原為特點。

2.1 褶皺構造

2.1.1 岳麓山向斜

岳麓山向斜位于湘江西岸岳麓山，分布在岳麓洼凹構造區內，向斜軸向呈北東35°，延伸長約35km，核部為石炭系、三疊系、侏羅系，翼部為泥盆系地層，向斜南東翼被區域主干斷層（F85）破壞（現僅保留北西翼），北西翼巖層傾角15°～30°，為一殘缺不全的寬展型褶皺。

2.1.2 楊泗廟—觀音港向斜

楊泗廟—觀音港向斜位于湘江東岸，分布在長沙洼陷構造區內，向斜軸向呈北東40°～45°，核部地層為第三系棗市組，翼部為白堊系東塘組、戴家坪組、神皇山組。巖層傾角平緩，一般為15°～25°，屬平緩型褶皺。

2.2 斷裂構造

2.2.1 張家咀—榮灣鎮—新塘灣斷裂（F85）

張家咀—榮灣鎮—新塘灣斷裂（F85）斜貫探測區西部，由師大南院—榮灣鎮—新河三角洲沿北東向延伸，長約20km，斷裂沿線擠壓強烈，產狀直立，切割冷家溪群至中新統前地層，活動最明顯的地段主要在長沙市伍家嶺至榮灣鎮一段，北西盤岳麓山向斜南東翼已基本破壞，斷裂產狀 295°∠ 60°。

2.2.2 葫蘆坡—金盆嶺—炮臺子斷裂（F101）

葫蘆坡—金盆嶺—炮臺子斷裂（F101）斜貫探測區東南側，由湘江猴子石大橋西—南門口—松桂園沿北東向延伸穿越市區，走向北東30°，全長約60km，北東段為長沙洼凹西緣的邊界斷裂，截切了冷家溪群泥盆—石炭紀及白堊紀地層等，擠壓破碎帶沿線可見，在水渡河附近見冷家溪群逆掩在神皇山組之上，斷面傾向南東；在松桂園地段經鉆孔揭露該斷層為擠壓破碎帶。

3.物探方法的選擇

本次物探工作的任務要求為探測工作范圍內基巖面起伏形態及風化層厚度的變化、主要隱伏斷裂構造的空間展布特征，構造破碎帶寬度、不同巖性接觸帶位置及形態。

根據物探任務要求，結合測區地層的物性參數物征、地形條件以及測區試驗效果情況，確定采用電測深法同地震反射波法相結合的綜合物探方法作為該項目的物探方法進行勘探。

電測深法：4號線過江段沿線場地的限制（全線基本在湘江河水中），故采用A極放置到無窮遠處進行勘探的三極電測深方法，施測時在同一測點上逐次擴大B極供電極距，使探測深度逐漸加大，這樣便可以得到觀測點處沿垂直方向由淺至深的視電阻率變化情況。通過分析各個點位的電測深曲線形態并進行電阻率反演解釋分層，通過對單條曲線的分析以及地層各層電阻率的橫、縱向變化情況判斷基巖斷層構造、巖溶異常反應。

地震反射波法：工程中常用的是淺層地震反射法，它是通過由激發點、接收點和射線構成的平面內的信息反映出相應地層信息，具有較高的分辨率，具有勘探深度大、精度高和反演獲取物性參數等優點。按工作環境可分為陸地、水上地震反射法。陸地布置觀測時，為壓制汽車等振動干擾，通常采用單邊激發多次覆蓋方式，即只在接收檢波電纜的某一邊激發； 水上地震反射通常采用電火花震源激發彈性波，利用多道檢波器的漂浮電纜接收地下反射信號組成自動數據采集系統。

根據長沙軌道交通4號線湘江隧道過江段物探任務要求，沿4號線湘江隧道左線、右線共布置三極電測深測線2條（左測線、右測線）如表1所示，在左線、右線的中間布置地震反射測線1條（中間測線）如表2所示。

表1 湘江隧道電測深工作布置及測點編號表

表2 湘江隧道地震反射工作布置及測點編號表

4.物探方法原理

電測深法勘探是以巖土體之間電學性質（電阻率）的差異為基礎，通過觀測和研究與這些差異有關的電場在空間上的分布特點和變化規律查明地下地質構造、巖土體分界面、巖溶發育情況等地下電性不均勻體（巖溶、風化層、斷層、滑坡體等）的一種工程物探方法[2]。

電測深方法通過供電電極向地下供入直流電流，建立人工電場，通過改變供電（A、B極）、測量（M、N極）裝置的排列、極距大小和相對位置改變電流在地下的分布情況，在地面測量電場的變化，由此解釋探測出地層電阻率深度的變化，達到測深的目的。

地震反射法是利用人工在地面或水中激發的彈性波在彈性介質中傳播時，遇到物性分界面（波阻抗=ρ×v）差異將發生反射、繞射和產生頻散的特性[3]，通過儀器和檢波器接收其反射波信號，記錄分析各種波的旅行時間并根據波的運動學和動力學特征，反演地層的物性參數，獲取物性分界面位置和埋深，從而達到工程地質勘察的目的[4]。

5.應用效果

針對長沙地鐵4號線過湘江段勘察探測工作范圍內基巖面起伏形態及風化層厚度的變化、主要隱伏斷裂構造的空間展布特征，構造破碎帶寬度、不同巖性接觸帶位置及形態，采用多種物探方法查明了該段區域構造特征以及不良地質體分布，為施工提供可靠依據[5]。

5.1 電測深法成果解釋

從電性上分析地下為3層電性層：表層電阻率20Ω·m～150Ω·m推斷為粘土、砂、卵石土(含水深)；中間層電阻率50Ω·m～80Ω·m推斷為強風化礫巖；下層100Ω·m～150Ω·m推斷為中風化礫巖及深部的白云巖（ZCK31+975～ZCK32+050、ZCK32+180～ZCK32+380段推斷在60m～65m以下為白云巖）。

5.1.1 左測線電測深成果解釋

從等視電阻率斷面圖結合視電阻率曲線分析看，該段有幾處向下凹型的低電阻率異常：ZCK31+813～+840，ZCK31+927～+975，ZCK32+055～+130，ZCK32+140～+165，ZCK32+415～ +445，ZCK32+580～ +615，ZCK32+655～+670，ZCK32+705～+725其中ZCK31+813～+840、ZCK32+655～+670段內的鉆孔揭示沒有地質異常；ZCK31+970處的鉆孔揭示6.3m～45m為礫巖的強風化層，比正常強風化層6m～32m要厚，CK31+927～+975異常為裂隙發育、巖性破碎所致；ZCK32+055～+130段低電阻率異常不是很明顯， ZCK32+067～+134鉆探揭示下部為構造角礫巖，該段異常為巖性變化所致；ZCK32+140～+165、ZCK32+580～+615、ZCK32+705～+730 3段異常內的鉆孔揭示強風化層明顯變厚所致，為巖性破碎異常；其他地段無明顯的異常，如圖2所示。

圖2 左測線ZCK31+755～ZCK32+775等視電阻率斷面圖

5.1.2 右測線電測深成果解釋

從右測線等視電阻率斷面圖結合電阻率等曲線分析看，該段有幾處向下凹型的低電阻率異常：YCK31+827～+855、YCK31+943～ +990、YCK32+070～ +140、YCK32+145～ +175、YCK32+285～ +310、YCK32+420～ +450、YCK32+565～ +630、YCK32+670～ +682、YCK32+710～+725，其中CK31+827～+855、YCK32+670～+682異常鉆孔揭示無明顯的地質異常，YCK31+943～+990、YCK32+145～+175、YCK32+285～+310、YCK32+420～+450、YCK32+565～+630、YCK32+710～+725內鉆孔揭示，強風化層變厚，為裂隙發育、巖性破碎所致；YCK32+070～+140鉆探揭示下部為構造角礫巖，該段異常為巖性變化所致；其他地段無明顯的地質異常，如圖3所示。

圖3 右測線 AK31+700～AK32+715等視電阻率斷面圖

5.2 地震反射法成果解釋

水域部分完成里程為YCK31+950～YCK32+755段，根據地震反射勘探時間剖面圖，YCK31+950～YCK32+755段圖中從上往下分為3層：第一層為水、粉砂、圓礫土、卵石,地震縱波速度VP=1.4km/s～2.1km/s；中間層推斷為強風化礫巖、砂巖，地震縱波速度VP=2.0km/s～2.5km/s；底層推斷為中風化礫巖、砂巖，與弱風化礫巖、砂巖難以區分，地震縱波速度VP=2.5km/s～3.2km/s。

根據水域基巖面附近地震波場特征并結合區域地質資料、鉆探資料綜合分析該段不良地質情況如下：YCK32+040～YCK32+067、YCK32+155～YCK32+185、YCK32+652～YCK32+677 3段范圍內及YCK32+732處地震波同相軸連續性較差，振幅強弱變化，頻率變低，推測下部巖性破碎，裂隙發育。YCK32+067～YCK32+134的地震反射異常經鉆探揭示下部為構造角礫巖，如圖4所示。

圖4 水上地震資料處理剖面成果圖

6.結語

（1）針對長沙地鐵4號線過湘江段物探任務，有針對性地選擇合適的物探方法以及測線布置方式進行綜合勘探。查明了該段區域構造特征以及不良地質體分布，為施工提供可靠依據。

（2）物探探測出ZCK32+055～+130或YCK32+070～+140段為巖性分界異常（存在斷層的可能），后經鉆探驗證為構造角礫巖，其他地段未發現明顯的斷層構造異常。

（3）物探探測出區內裂隙或巖性破碎發育，經鉆孔驗證的巖性破碎或裂隙發育，這些裂隙或巖性破碎影響著基巖的風化程度，導致巖層完整性及穩定性都較差。

（4）經鉆探驗證分析物探異常為斷層破碎帶，二里半壓性斷裂（F35）次級隱伏斷裂（F35-1）：根據資料分析，該隱伏斷裂在本區間里程ZCK32+028～ZCK32+098間與線路交匯，其中M4Z3-XJ24～XJ28鉆孔內揭露角礫巖，埋深大于33m，為隱伏老斷裂，未切穿上覆白堊系地層，白堊紀以來無活動。