城軌交通地質隱患多地球物理場診斷技術研究與應用

王小安

(中鐵第一勘察設計院陜西鐵道工程勘察有限公司， 陜西 西安 710000)

0 引言

在我國的城軌交通建設中，地鐵的施工方式主要采用成本低廉、效率高的盾構法(周陽宗，2016)。該方法會導致局部地層或地質結構的損壞，易造成巖土層及地下水的運移變化。采用該施工方式的城軌在國內已經發生了多起地面塌陷事故(周杰等，2018)，形成了土洞塌陷地質災害，對人民群眾的生命財產安全構成了威脅，并造成了巨大的經濟損失。造成地面塌陷的誘發因素較多，主要是不良的地層條件和不良地質體(周明科等，2019)。在城軌交通中另一大地質災害就是地下孤石(袁穎等，2019)，其構成是花崗巖風化球(牛海威等，2017)。由于硬度較大，其主要風險在于損壞盾構機的刀具和刀盤，對施工造成極大的影響。對于地下空洞的主要診斷探測技術依賴于高密度電阻率法、瞬變電磁法等(朱向陽等，2021)。而對于孤石的探測方法則包括電阻率跨孔CT法、地震波跨孔CT法以及探地雷達法等(董耀等，2019)。通過開展多地球物理場的診斷技術對城軌交通的地質災害進行分析，可以有效地探查地質隱患，指導工程實踐。

1 多地球物理場探測基本理論

1.1 關鍵信號技術特征

利用地震波的運動學特征對地質的界面位置和特性進行探查，形成了地面地震波探測技術。根據地震波的發射偏移成像原理(李啟航等，2020)，通過觀測系統的多次激發，得到地質的地震波剖面。本文選取的觀測系統采用的是共中心點激發雙邊排列系統(圖1)(周陽宗，2016)。P1、P2為反射點。采用一定規則的移動步距，選取多道順移前進，在測線范圍內進行多次掃描疊加，相當于在同一個反射點進行重復觀測。依據反射偏移成像勘探原理，采用偏移成像技術，通過多次激發，得到地震剖面，在給定速度等參數后將地震時間剖面轉換成空間剖面，可達到壓制干擾波、增強有效波的效果。系統工作時是一對電極依次朝大地供電，而其他所有電極同步開展電位測量，能同時采集地下自然電場信號、一次場信號和二次場信號，采集數據效率比傳統高密度電法顯著提高(張新，2020)。為了高效地穿透高阻覆蓋層，可以采用地面瞬變電磁法(黃毓銘等，2017)，該方法是以不接地回線發射脈沖電磁場，讓電磁場感應的地下渦流生成空間分布信息(俞仁泉等，2019)。

1.2 快速診斷模式的技術特征

在地質的快速診斷技術中，地震波跨孔CT探測技術和電阻率跨孔CT探測技術是應用十分廣泛的無損探測技術(吳斌等，2019)。

地震波跨孔CT探測技術的核心是采用向目標物發射信號穿過物體后，對信號進行接收(高宇豪和蔡永豐，2020)。穿過物體的信號已經攜帶了物體頻率、電阻率等信息(吳鋒波等，2013)，用以刻畫目標物的地震波傳播參數，主要包含垂向分辨率、水平分辨率和廣義空間分辨率(施有志等，2017)。垂向分辨率可以表征地震剖面上的最小地層厚度，而水平分辨率則表示水平疊加面上的相鄰地質體的最小寬度。地震波跨孔CT設計示意圖如圖2所示。

電阻率跨孔CT探測技術是對目標物體內或表面的電流和電壓進行離散式的測量，從而得到電阻率的方法(丁賀權，2021)。其通常在野外現場采用地面鉆孔將電法測線從鉆孔口連接到鉆孔底部，獲取到的鉆孔間電性分布情況對空間的三位電阻率進行推演，得到立體的電性分布圖，在實際地質解釋判斷過程中需充分了解現場地質資料，再根據電法探測結果進行異常體的解釋。電阻率跨孔CT探測技術的高采集效率和低廉的施工成本在工程探測中受到廣泛應用。電阻率跨孔CT技術獲得的結果十分依賴于相對圍巖背景的電阻率差異(雷凱和鄭江波，2017)，為了提高勘探靈敏度，可以使用并行電法跨孔CT探測技術，并行電法CT探測的側向投影示意圖如圖3所示。

在快速診斷技術中，以地面觀測系統和跨孔觀測系統相結合的方式進行。利用淺層地震、瞬變電磁等多地球物理場技術進行粗略勘察(唐睿等，2021)，然后輔以跨孔CT技術對目標物進行精細勘察，同步地面與隧道內的數據最終形成多地球物理場的隱患診斷分析系統。該專業分析系統的組成如圖4所示。

2 彈性波數值模擬理論

對于各向同性介質的三維彈性波方程如公式(1)和公式(2)所示(謝波等，2016)，用以表征速度v與應力τ的雙曲線方程。

(1)

(2)

式中，vx，vy，vz分別是三個方向的速度分量，ρ表示密度；t表示時間；τxx，τyy，τzz，τxy，τyz，τxz表示各個方向的應力分量；λ和μ表示拉梅系數。

3 多地球物理場診斷技術應用

3.1 地下孤石、溶洞隱患探測概況

本文研究地點為廈門高崎站，由于廈門地質條件特殊，其軌道交通1號線一期工程高崎站—集美學村站，該盾構區間存在較多的孤石和基巖突起，對盾構掘進造成了較大的困難。因此必須查清孤石的分布情況，在盡可能收集地鐵沿線既有地質資料的情況下，采用物探與鉆探相結合的方法進行地鐵沿線的孤石探測，分析研究孤石發育規律。在廈門地鐵高崎站附近，先采用地面淺層地震掃描法和多通道瞬變電磁快速掃描法進行探測區域的普通調查工作，再針對重點異常區進行跨孔電法CT和跨孔地震CT探測。在已知孤石區域開展地面淺層地震快速掃描孤石探測，地面以鉆孔附近己知孤石區域為探測區間，并加以應用勘探技術。該1號線城軌的探測區域為可溶巖分布區，巖土種類相對復雜。通過鉆孔的勘察顯示，部分相鄰鉆孔基巖面相對高差>5 m，且有串珠狀的溶洞。由于地下溶洞一般都分布于灰巖地層中，往往伴有泥漿等雜質(趙家福，2020)，且具有較為明顯的阻抗區別，導致其內部地震波的傳播速度降低，伴隨著頻率和能量也會相對地發生變化。根據其表現出的低速、低電阻率的特征，可采用地面并行電法進行粗略勘察，對于異常區域再采用電阻率跨孔CT技術，可獲得綜合的多地球物理場參數。

3.2 地面多地球物理場快速普查

采用直流電法確定巖溶的位置和分布范圍，利用并行電法布置測線，設置勘探參數如下：電極間距為4 m，供電電壓為96 V，采樣時間間隔為20 ms。鉆孔剖面圖如圖5所示。高密度直流電阻率法探測結果表明在處于13～20 m的位置顯示低阻異常響應，視電阻率值在50 Ω·m之下，該地段區域內巖溶較發育。

3.3 多地球物理場跨孔CT探測

由于地面探測會受到多種因素的干擾，孔內勘察具備較好的精度，作為主要精細勘探手段，采用彈性波跨孔CT和電阻率跨孔CT相結合的探測技術對城軌線路上的巖溶進行全面的精細勘察。

彈性波跨孔CT現場探測孔的布置示意圖如圖6所示。采用電火花震源設備作為激發震源(陳秀清等，2019)。試驗采用一次激發64道同時接收，炮間距設置為1 m，采樣頻率設置為50 kHz。采樣長度為4K，電火花震源能量為5 kV。采用單孔激發單孔接收的觀測系統。

電阻率跨孔CT試驗現場布置探測示意圖如圖7所示，采集方法為并行電法(AM)，供電電壓為96 V，利用并行電法采集方法，選擇20～200 ms的采樣時間進行試驗。

電磁波跨孔CT試驗使用的儀器為JW6Q電磁波CT儀。電磁波CT試驗主要用以確定工作頻率和下天線長度。在下天線選擇方面，實際探測中由于天線會存在天線效應(喻佑順，2019)，對探測結果造成一定程度的影響，所以在下天線選擇方面要進行試驗，選取長度最合適的下天線。其不同頻率的電磁波信號在地層中的吸收系數不同，會直接影響采集的數據質量。高頻率天線分辨率高，但信號被嚴重吸收；低頻率天線穿透性強，但分辨率低。通過反復試驗驗證，選擇工作頻率為24 MHz、28 MHz、32 MHz，下天線的長度選擇為1 m。其跨孔CT現場探測工作示意圖如圖8所示。

綜合上述的跨孔CT探測技術，對同一剖面同時采用三種探測方法對地下溶洞進行勘探，獲得不同的地球物理參數。歸納不同物理探測結果并進行解釋，進一步提高精度。在該剖面靠近鉆孔處，標高為-23～-27 m處存在低阻異常區，視電阻率值低于100 Ω·m，可以推測為巖溶發育區，而在標高為-15.72 m的位置由于存在低速異常區，其速度在3000 m/s之下，可以推測為小溶洞。有2處高視吸收異常區域分布在標高-15 m左右和標高-23～-27 m的位置，其吸收系數在6 dB/m之上，推測為裂隙發育區軟弱層。

通過對比結果分析，地下溶洞剖面的三種跨孔CT方法結果顯示基本一致，尤其對于較淺底部的基巖面異常區和剖面下部的異常區深度位置獲得的結果基本相同。

4 結論與展望

本文通過分析在城軌交通建設中常見的地面塌陷和孤石等地質隱患問題，利用彈性波數值模擬理論，實現快速診斷模式。本文開發出了一套適合軌道交通沿線地質隱患探查的快速、可靠、智能的多地球物理場診斷分析系統。該系統的診斷方法通過對土洞塌陷的地震波跨孔CT和電阻率跨孔CT進行三維數值模擬，極大地提高施工現場的工作效率。利用地面淺層地震快速掃描系統和跨孔CT多地球物理場勘探診斷技術，在廈門高崎站的城軌交通線路上進行應用，在提高勘探準確度的同時，也會降低施工成本造價。通過工程模擬實踐，采納該快速診斷系統，可以大大減少施工鉆孔的數量，從而達到縮短施工周期的目的，有利于正確地指導工程實踐。在未來的研究中，可以采用對多地球物理場信號實現對城軌交通運營中隧道滲漏等地質災害的實時監測與預警作用，并應用于煤礦采空區的探測、庫(壩)區及電廠的選址等存在地質隱患的診斷。