綜合物探手段在巖溶區地鐵勘察中的應用

吳建偉，袁亞坤

（江蘇省地質環境勘查院，南京 210012）

1 引言

地鐵建設工程是影響重大的民生工程，勘察階段應詳細查明場地地質條件，為地鐵建設提供準確的地質依據。灰巖為可溶性碳酸鹽巖，溶蝕現象及溶洞發育是灰巖地層區較為突出的特點，作為一種典型且廣泛分布的不良地質條件容易引起地基變形、不均勻沉降、滑動和地面塌陷，對地鐵工程建設有嚴重影響，是工程勘察階段的重難點。為保證地鐵建設施工安全，前期勘察工作應仔細研究確定勘察工作方案，巖溶區地鐵勘察除常規地質鉆探外，近年來綜合物探手段的應用愈發廣泛，包括地質雷達、高密度電法、瞬變電磁、橫波地震反射法等，均在巖溶區地鐵勘察中有廣泛應用。本文通過對某城市巖溶區地鐵勘察項目案例進行分析，對工程物探手段在巖溶區勘察項目的應用效果進行分析評價。

2 物探方法

2.1 工程概況

某城市地鐵工程場地位于灰巖區，地貌屬山前沖坡積地貌單元，覆蓋層以下為奧陶系灰巖、泥質灰巖，巖溶強烈發育，初步勘察階段，除常規地質鉆探外，結合場地地形地貌條件及周邊環境條件，采用地質雷達、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 地質雷達

1）原理。地質雷達實現勘探的關鍵在于電磁波，通過天線向勘探區域發射電磁波，電磁波發射頻率范圍10～1 000 MHz。電磁波遇到不同地質將反映為反射時間的差異，反射波由天線接收，此時可根據發射波雙程旅行時間及電磁波傳輸速度判斷地質類型，而地質深度則可通過式（1）算出：

式中，D為探測深度，m；V為電磁波傳播速度，m/s；Δt為發射波雙程旅行時間，s。

地質雷達的應用原理為：高頻電磁波通過地層介質時，其電導率、磁導率、介電常數等參數會隨著地層介質的幾何形態變化產生差異，故導致反射波回波數據出現不同，因此，可通過分析雷達波的幾何形態、強度及波形判斷地質狀態及性質[1]。

2）應用情況。地質雷達技術在本次巖溶地區勘察作業中的應用情況具體如下：（1）儀器設備。本次應用的地質雷達型號為SIR-20，天線發射頻率為16～80 MHz，屬于低頻組天線，通過該儀器設備可精準地得出地質高密度成像。為便于數據分析，應用RADAN 6.6數據處理軟件。（2）勘察方式。在正式勘察之前組織參數試驗，以試驗結果為依據選擇最終天線發射頻率。在本次試驗中，選擇20 MHz和40 MHz低頻組合天線及100 MHz屏蔽天線進行對比，最終發現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性較好，且可滿足勘察精度及深度要求。

3）效果。通過地質雷達技術應用前的參數試驗，最終將地質雷達設定為點測模式，點距0.5 m。具體參數情況如下：（1）選擇40 MHz低頻組合天線；（2）采樣點數與采樣數分別為512個、16位，時窗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，發射率為25 kHz；（4）通過自動增益實現了128次疊加。對地質雷達的勘察效果進行總結，具體如下：實現了2 235 m的地質勘察，檢查剖面為130 m，最終發現原始剖面波形與檢查剖面的波形形態基本吻合，勘察效果優異，滿足勘察作業要求。

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之間存在的導電性差異，依托供電電極向目標區域進行電流I的供應，測量電極間的電位差ΔV，最后對該測量點的視電阻率值進行計算。作為一種陣列勘探方法，在開展野外測量工作時，只需在測點上放置全部電極，然后利用程控電極轉換開關和微機工程電測儀便可實現數據的快速和自動采集。之后，使用微機對數據進行分析，以此得到關于地電斷面分布的各種圖示結果。其中，在增加測量深度時，主要是調大供電電極距離，通過測量電位差和電流強度，對視電阻率值進行計算。高密度電法兼備電測深法和電剖面法的優點，勘察作業可以同時得到橫向和縱向的電阻率值數據。

2.3.2 應用情況

本次工程中主要使用GD-10分布式高密度電法系統，勘察工作正式開展前需要落實裝置參數選擇試驗，綜合考慮設備的抗干擾能力和分辨率，本次工作選擇溫施裝置測量。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，最小隔離系數和最大隔離系數分別為1和30，溫施系數為3。在該情況下，將野外采集的相關數據傳入電腦，將其轉換為適應高密度電法處理軟件要求的數據格式，之后開展數據反演，最終得到高密度電阻率剖面反演解釋圖。在該裝置和參數的試用下，在電極距為3 m時，隔離系數為30時，反演深度＞35 m，工作參數滿足要求[2]。

2.3.3 效果

通過反演結果和地質資料可知，視電阻率值與儀器、電極、接地條件、淺部干擾等都有密切關聯，一旦某環節存在問題，這一異常將會在反演過程中被放大，進而容易造成誤判。因此，即使高密度電法滿足巖溶區地鐵工程勘察需要，但在數據處理環節，還需要對數據的可靠性進行判斷，對局部異常可用反演剖面進行范圍圈定，因而要對勘察人員有較高的要求。

2.4 瞬變電磁

2.4.1 原理

本次項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，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生的等值反向磁通的電磁場時空分布規律，采用上下平行共軸的兩組相同線圈為發射源，且在該雙線圈源合成的一次場零磁通平面上，測量對地中心耦合的純二次場，根據地表接收的渦流場信號隨時間的衰減規律即可獲得地下電導率信息判斷地層結構與地界介質，具體如圖1所示。

圖1 瞬變電磁原理

2.4.2 應用情況

瞬變電磁在本次巖溶地區勘察作業中的應用情況具體如下：（1）儀器設備。本次采用HPTEM-18型高精度等值反磁通瞬變電磁系統，測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，分別進行參數選擇試驗和有效性試驗。在本次試驗中，選擇20 MHz、40 MHz低頻組合天線及100 MHz屏蔽天線進行對比，最終發現發送頻率25 Hz，采樣時間窗口最大為10 ms，發射電流10 A，重復次數為2。

2.4.3 效果

通過瞬變電磁技術，能夠通過兩個電性層的劃分掌握目標區域為巖層風化破碎或巖溶發育，瞬變電磁的異常特征與鉆孔資料基本吻合，這說明在工區開展瞬變電磁法探測是可行的。

2.5 橫波地震反射法

2.5.1 原理

橫波地震反射法主要發射地震波（彈性波），分析其傳播形態與數據掌握目標區域的地層結構。在使用該物探方法開展勘察作業時，地震波主要通過人工發射，沿著設置好的測線合理布置檢波器，之后激發地震波并檢測，由于組成地層的各種巖石或介質有不同的彈性，可掌握其傳播路徑、旅行時間、波形、振幅等信息要素，之后根據具體參數掌握地層界面的介質和幾何形態，以此查明地質情況。

2.5.2 應用情況

本次勘察作業中主要使用德國產的SummitⅡ數字地震儀和28 Hz橫波檢波器，震源選用錘擊扣板。在勘察作業正式開展前，落實了地震映像法和淺層橫波反射地震法有效性選擇試驗，且分別進行觀測系統試驗。

地震映像法的信噪比較低，所以，為獲得更為準確的信息，本次勘察作業選用橫波反射地震法，勘探前還需要在每條測線施工前進行觀測系統參數試驗。除此之外，在橫波反射地震法實施過程中，為獲取最佳有效地震記錄，還要通過零偏擴展進行試驗工作，通過識別和分析有效反射相位及干擾相位確定最佳觀測系統和偏移距[3]。而且，排列范圍內基巖有效反射波組最早出現在零偏230 ms附近，存在相對嚴重的遠道干擾，而且，將激發位置選在中間位置時，記錄淺、中、深部反射相位，確保反射相位被順利接收，且能夠對遠端干擾形成有效壓制，保證作業人員對淺、中、深層反射信號信噪比的掌握。因而，采用中間激發方式，減少外界干擾。本次工程中，外業數據采集流程如圖2所示。

圖2 地震外業數據采集流程

2.5.3 效果

在各項參數實驗下，該勘探作業中采用中間激發、多道接收，多次覆蓋、連續滾動的橫波地震施工方式，需要注意的是，由于該區域位于城區，車流量較大，為有效提高單炮數據采集質量，采用夜間施工方式。技術參數為：道間距2 m，48道接收，炮間距6 m，8次覆蓋，采樣率1 ms，記錄時間1 024 ms。在該技術參數下，需要開展以下工作：（1）處理地震數據。為突出有效波、壓制干擾波，要求相關工作人員開展預測反褶積、多次速度分析、剩余靜校正、去噪等特殊處理作業，這樣才能獲得最終反射地震時間剖面。（2）速度求取及圖件編制工作。地震波速度作為該物探技術中時間-深度換算的重要參數，作業人員需要以本次反射參數求取的疊加速度為基礎換算平均速度和層速度。根據地震資料處理結果，各層時深轉換速度取為230～270 m/s，較為精準。

3 結語

地鐵工程勘察有其特殊性，通過對某城市巖溶區地鐵項目勘察手段的分析，可以發現地質雷達、高密度電法、瞬變電磁及橫波地質反射法等地面物探手段均能有效對巖溶發育情況進行勘察，探測成果均能滿足要求。本文案例中，根據不同的地質和周邊環境條件，采用一種或者多種手段進行探測，同時結合鉆探成果進行驗證，有效查明了場地巖溶的發育條件，驗證了物探勘察手段的適宜性和有效性，既滿足了勘察要求，又節約了資金，在巖溶區地鐵勘察項目中是好的探索和積累。