面波測試技術(shù)應(yīng)用在工程勘察中的探討

姚海鵬

深圳市勘察研究院有限公司

摘要：工程建設(shè)在設(shè)計(jì)、施工前，往往需查明擬建場地是否地埋管線或其他構(gòu)筑物等，勘測技術(shù)的介入能夠很好地解決這一問題。本文將根據(jù)工程案例，對某管道穿越工程場地內(nèi)的填土的分布及厚度進(jìn)行勘察分析。

關(guān)鍵詞：管道穿越；工程勘察；瞬態(tài)面波

一、工程概況

某工程為天然氣管道穿越建設(shè)所需要鋪設(shè)鋼管壓力為1.6MPa，穿越段全長約200m。計(jì)劃穿越深度為地下 4m 左右，根據(jù)有限鉆孔資料揭示，穿越段地表以下存在最大 5 ～ 6m左右人工填土，成分主要為粉質(zhì)黏土含碎石、磚塊等（具體地層分布見表 1）。

根據(jù)現(xiàn)場情況，擬采用瞬態(tài)面波測試技術(shù)結(jié)合鉆孔資料來查明填土的分布。

表1 場地主要土層分布及工程性質(zhì)

時(shí)代成因 土層編號 土層名稱 層厚（m） 層底標(biāo)高（m） 土質(zhì)特征

人工填土（Qml） ①

①1 素填土

碎石土 0 ～4.5

0.3 ～0.45 0.9 ～2.58

3.5 ～3.6 褐色為主，可塑—軟塑，夾磚渣、碎石等雜色，小粒徑

碎石夾有粉質(zhì)黏土

古河道洼淀沉積（Q43Nal） ② 粉質(zhì)黏土 約 1.0 約 1.58 褐 色—褐 黃色，可塑—軟塑狀，無層理

淺海相沉積（Q42m） ③ 粉質(zhì)黏土 > 6 未揭穿 灰色，軟塑—流塑，含云

母、碎貝殼

二、測試方案

（一）測試方案

根據(jù)場地的地形地貌條件結(jié)合工程特點(diǎn)，測試共布置了四條測線：分別是平行擬建燃?xì)夤芫€方向兩條，垂直燃?xì)夤芫€方向兩條；布置測點(diǎn) 21 個(gè)，測線分布狀況如表 2 及圖 1 所示。

面波測線情況一覽表 表 2

類型 編號 測點(diǎn)數(shù)目 側(cè)線長度（m）

MB1 6 50

瑞雷 MB2 4 30

面波 MB3 5 40

MB4 6 50

圖1 面波點(diǎn)及測線布置示意圖

（二）采集參數(shù)

瞬態(tài)瑞雷面波測試所獲得的結(jié)果是整個(gè)排列下方地質(zhì)體信息的綜合反映，為了保證震源所激發(fā)出的波動頻率成分能夠滿足特定勘察深度范圍的需要，即滿足最佳面波接收窗口和探測深度的要求，就必須選擇適當(dāng)?shù)呐帕蟹绞?，主要包括道間距和偏移距兩個(gè)控制性因素。

根據(jù)“瑞雷波半波長理論”，當(dāng)檢波器數(shù)量一定時(shí)，小道間距（即小排列）主要反映淺部地層的信息，大道間距（即大排列）主要反映深部地質(zhì)體的信息，且排列長度與測試深度相當(dāng)，故此在淺層地震勘探時(shí)除滿足勘探深度的同時(shí)應(yīng)盡量采用較小的道間距。

通過現(xiàn)場選排試驗(yàn)，確定瞬態(tài)瑞雷面波測試的參數(shù)如表 3。

瞬態(tài)瑞雷面波現(xiàn)場測試參數(shù)

接收道數(shù)目（道） 偏移距（m） 道間距（m） 炮點(diǎn)間距（m） 激發(fā)錘重（lb） 采樣間隔（ms） 采樣點(diǎn)數(shù) 檢波器頻率（Hz）

12 10 1 10 28 0.05 8192 4

三、測試數(shù)據(jù)分析

（一）求取頻散曲線

根據(jù)現(xiàn)場采集到的瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)（如圖2），通過面波在 “時(shí)間—空間”域中的分布特征，確定面波“時(shí)間—空間”窗口，來選取有用的基階面波。然后從“X-T”域轉(zhuǎn)到 “F-K”域進(jìn)行能量譜密度分析（見圖 3），提取瑞雷面波在不同深度處的速度曲線———頻散曲線（見圖4）。提取頻散曲線時(shí)應(yīng)注意高階面波的干擾，當(dāng)“F-K”域存在多個(gè)能量集中區(qū)域時(shí)可以回到“X-T”域檢查基階面波的選取是否合理，以及信號采集的質(zhì)量情況。

圖2 “X-T”域選取基階瑞雷面波

圖3 “F-K”域能量譜密度分析

圖4 瑞雷面波頻散曲線

圖4為勘察場地的典型頻散曲線，從頻散曲線可以發(fā)現(xiàn)，從上至下地基土的波速總體呈不斷增加趨勢，在淺部存在多次‘之字型轉(zhuǎn)折。

（二）繪制波速分布圖

通過將測線上各個(gè)面波測點(diǎn)的頻散曲線集合起來，可以繪制各條測線范圍內(nèi)地面以下各地層的二維波速分布色譜圖，詳見圖 5。由于本場地人工填土成分基本為可塑—軟塑狀粉質(zhì)黏土夾碎石且成分不均勻，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)其波速值應(yīng)該比下部古河道、洼淀沉積和海相沉積的軟黏土高且不均勻。從圖5 可以看出 MB1 測線面波測線淺部填土層較薄，土質(zhì)較均勻。MB2-MB4 測線三條面波測線地下 4～5m 深度內(nèi)波速變化較大，4～5m 深度波速有明顯變化，下部土層波速均勻增加，因此認(rèn)為淺部 4～5m 深度范圍內(nèi)為填土。

（三）確定人工填土分布范圍

為對面波測試結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，沿管道穿越線路布置了少量鉆孔（具體鉆孔位置詳見圖1），圖6為根據(jù)鉆探結(jié)果繪制的工程地質(zhì)剖面圖。根據(jù)對比面波測試結(jié)果與鉆探測試結(jié)果，兩種測試方法取得的結(jié)論較為一致。說明面波測試在調(diào)查本工程填土的精度與準(zhǔn)確度較高。

圖6 鉆探工程地質(zhì)剖面圖

四、結(jié)束語

（1）針對管道穿越工程勘察中的填土厚度調(diào)查問題，運(yùn)用瞬態(tài)瑞雷面波測試技術(shù)，通過布置科學(xué)合理的測線與測點(diǎn)，對勘察場地內(nèi)填土層的分布及厚度進(jìn)行了全面的調(diào)查，為設(shè)計(jì)方案的最終確定提供了有力的參考依據(jù)。

（2）在面波測試完成后進(jìn)行了少量的鉆探，通過對比兩種勘探方法的結(jié)果，證實(shí)了面波測試結(jié)論的準(zhǔn)確性與可信度。瞬態(tài)面波測試在勘察中的合理運(yùn)用可以提高測試效率與效果，減少鉆孔數(shù)目，節(jié)約勘察成本，縮短工期。

（3）面波測試屬于物探范疇，運(yùn)用時(shí)要講究地球物理?xiàng)l件與前提，切不可盲目濫用，由于物探測試結(jié)果受各種因素影響較大，測試結(jié)果宜與其他勘探手段進(jìn)行對比分析，提高準(zhǔn)確性。

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