物探在城市軌道交通勘察中的應(yīng)用及發(fā)展

潘瑞林

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

The Application and Development of the Geophysical Exploration in the Urban Rail Transit Geotechnical Investigation

PAN Ruilin

物探在城市軌道交通勘察中的應(yīng)用及發(fā)展

潘瑞林

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

The Application and Development of the Geophysical Exploration in the Urban Rail Transit Geotechnical Investigation

PAN Ruilin

摘要以近幾年的工程實(shí)例，介紹物探在城市軌道交通勘察中的主要應(yīng)用，結(jié)合城市軌道交通巖土工程勘察的目的與任務(wù)，討論物探的發(fā)展和待解決的主要技術(shù)問題。

關(guān)鍵詞物探城市軌道交通勘察測(cè)試

隨著各城市大力發(fā)展城市軌道交通，城市軌道交通勘察中遇到和需要勘探的地質(zhì)問題呈現(xiàn)出多樣性和復(fù)雜性的新特點(diǎn)，物探在城市軌道交通勘察中的應(yīng)用也逐漸增多。以近幾年的工程實(shí)例，介紹物探在城市軌道交通勘察中的主要應(yīng)用，結(jié)合城市軌道交通巖土工程勘察的目的與任務(wù)，討論物探的發(fā)展和待解決的主要技術(shù)問題。

1探測(cè)斷層構(gòu)造

某地鐵初勘階段，據(jù)地質(zhì)資料有一條區(qū)域性隱伏斷層與線路相交，需準(zhǔn)確查明斷層位置、斷層帶寬度及延伸。該段線路處于城郊區(qū)，丘間谷地地貌，地形起伏不大，地表大部分區(qū)域?yàn)榛牡?，無建筑物。上部地層為第四系粉質(zhì)黏土，厚約5～7 m，下伏基巖為白堊系下統(tǒng)-侏羅系上統(tǒng)砂巖、泥巖，地下水埋深約2～3 m。采用高密度電法進(jìn)行探測(cè)(成果如圖1)，斷層低阻帶異常明顯，物探效果較好。

圖1　高密度電法探測(cè)成果

2探測(cè)采空區(qū)、洞穴不良地質(zhì)

2.1　探測(cè)采空區(qū)

某擬建城市軌道交通線路在AK17+500.00～AK19+900.00段穿越采空區(qū)。該區(qū)位于城郊結(jié)合部礦區(qū)，地面為城市道路，道路兩側(cè)設(shè)有綠化帶，北側(cè)沿道路有架空線路。區(qū)內(nèi)地層主要為第四系黏性土(厚度約10～30 m左右)、二疊系砂巖含煤層、石炭系灰?guī)r、奧陶系灰?guī)r?？刹擅簩?3～19層，總厚度25～36 m。巖層總體走向?yàn)镹20°～40°W，傾向NE，地層平均傾角23°。區(qū)段內(nèi)斷層較發(fā)育，約4～6條，以逆斷層為主。地下水位較淺，埋深約3～5 m。采空區(qū)由多個(gè)礦井于上世紀(jì)五六十年代開始開采形成，埋深約50～600 m，向東呈傾斜狀，至今線路附近少量煤礦仍在開采，僅局部煤層未開采。通過資料收集和現(xiàn)場調(diào)查，初步掌握了采空區(qū)的平面及深度范圍。需采用物探方法進(jìn)一步核查采空區(qū)范圍及特征。

根據(jù)探測(cè)目的，結(jié)合地球物理?xiàng)l件，采用可控源音頻大地電磁法(CSAMT)進(jìn)行勘探。沿線路在道路兩側(cè)綠化帶中布置2條測(cè)線，采用加拿大Phoenix公司生產(chǎn)的V8多功能電法儀。

①發(fā)射源設(shè)置：接地供電偶極距AB選擇1.1 km左右向地下供電，AB方向誤差小于2°，供電電極A、B兩端使用鋁板，組合電極方式布極，入地深度0.5 m～1.0 m，澆灌鹽水，保持接地條件良好，本次探測(cè)供電電流為5.5～16 A之間。

圖2　CSAMT探測(cè)成果

②觀測(cè)裝置：布極方式為赤道偶極裝置，采用CSAMT方法的標(biāo)量測(cè)量方式，測(cè)量電場分量的電極MN平行于供電電極AB，水平磁場垂直于場源布設(shè)。AB和MN間的距離(收發(fā)距)為5.5～6.0 km，測(cè)點(diǎn)距25 m和50 m。接收采集頻率1.67～9 600 Hz，共39個(gè)頻點(diǎn)。1測(cè)線物探成果見圖2。

通過探測(cè)得到的主要結(jié)果為：①第四系覆蓋層(黏性土)厚度約10～30 m左右；②探測(cè)范圍內(nèi)均存在采空區(qū)，采空區(qū)及影響帶(冒落帶、裂隙帶)頂板埋深約30～500 m，采空區(qū)底板埋深約110～800 m，向東傾，傾角21°左右，采空區(qū)及影響帶(冒落帶、裂隙帶)垂向厚度約300 m；③測(cè)線1里程AK19+050～AK19+080段有一處未采區(qū)，寬度約30 m；里程K19+205～K19+805段淺部存在采空塌陷區(qū)；④探測(cè)范圍內(nèi)斷層較發(fā)育，共發(fā)育5條斷層破碎帶(F13-5、F13-6、f、F16-2、F17)。物探結(jié)果進(jìn)一步印證了采空區(qū)的范圍及特征，為線路方案研究提供了較為可靠的資料。

2.2　探測(cè)土洞

某擬建城市軌道交通車站附近，初勘階段鉆探揭露了一處土洞(深度15.0～22.0 m)，土洞內(nèi)充水、少量粉土，粉土松散、飽和。該土洞西側(cè)為一居民集中供水站，站內(nèi)地下水抽水井距土洞處僅40 m，抽水井深300 m，井徑300 mm，地下水年開采量約110 000～120 000 m3。該場地處于城郊區(qū)，地形開闊平坦，地表多為土路、耕地，局部為供水站建筑。地表30 m深度范圍內(nèi)地層為：上部人工填土層、粉質(zhì)黏土和黏質(zhì)粉土，厚度約15.0 m；中部為中密粉細(xì)砂，厚度約2.4 m；下部為黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土透鏡體，厚度大于12.0 m；底部地層為密實(shí)粉細(xì)砂，厚度約3.0 m。場區(qū)地下水埋深約2.0 m。詳勘階段，為查明土洞分布范圍，主要土洞位置、埋深，采用地震反射法進(jìn)行探測(cè)。

在推測(cè)土洞發(fā)育范圍布置網(wǎng)格測(cè)線，測(cè)線間距20～30 m，垂直線路方向布設(shè)6條，平行線路方向布設(shè)6條，共12條測(cè)線，剖面總長度1 606 m，測(cè)線覆蓋推測(cè)的土洞發(fā)育區(qū)及無土洞區(qū)域。地質(zhì)反射法采用單邊激發(fā)6次迭加、24道接收、60 Hz縱波檢波器接收，道間距2.0 m，CDP點(diǎn)距1 m，炮間距4 m，偏移距4.0 m，采樣率為0.5 ms，采樣長度為2 048，敲擊激發(fā)，50 Hz陷波濾波。為保證數(shù)據(jù)的信噪比，采用了3～4次垂直迭加。圖3是跨已知土洞的DZ9測(cè)線地震迭加剖面，其中，距離93 m附近、深度約15～22 m的異常D1為鉆孔已揭露的土洞。

結(jié)合場地的地質(zhì)條件，中部的中密粉細(xì)砂層頂面為較強(qiáng)的穩(wěn)定連續(xù)反射層T1(反射時(shí)間60～70 ms，相應(yīng)的深度約為13～15 m)，若存在土洞，則在淺層地震反射剖面圖上，反射層T1的反射波同相軸錯(cuò)斷、消失、不連續(xù)、雜亂或出現(xiàn)雙曲線繞射波。據(jù)此解釋原則，共提出需要進(jìn)一步在7處位置進(jìn)行鉆探探測(cè)(如圖3，DZ9測(cè)線在距離79 m附近、深度約15～20 m處D2異常同相軸錯(cuò)斷不連續(xù)，需要進(jìn)一步在該處進(jìn)行鉆探探測(cè))。布置7孔鉆探，均沒有揭露存在土洞，得出勘探結(jié)論：該車站發(fā)育的土洞，僅局部個(gè)別存在(最初分析土洞形成可能與供水站抽取地下水有關(guān)，土洞可能很發(fā)育、分布范圍也較大)，土洞對(duì)主體結(jié)構(gòu)影響較小，但對(duì)車站附屬結(jié)構(gòu)出入口有影響，需采取處理措施進(jìn)行處理。該實(shí)例中物探雖然沒有再發(fā)現(xiàn)新的土洞，但通過物探指導(dǎo)鉆探，快速、經(jīng)濟(jì)、有效地查清了場地的土洞發(fā)育情況。

圖3　DZ9測(cè)線地震迭加剖面及推測(cè)解釋

3巖土及環(huán)境參數(shù)測(cè)試

3.1　波速測(cè)試

測(cè)試車站、區(qū)間、車輛段、停車場等場地巖土層縱橫波速，可采用單孔法、地面敲擊激發(fā)、井中三分量檢波器接收，測(cè)定巖土層縱波波速(Vp)和橫波波速(Vs)。

根據(jù)實(shí)測(cè)土層橫波波速，按《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50909—2014)計(jì)算土層等效剪切波速Vse，評(píng)定建筑場地類別。

此外，根據(jù)實(shí)測(cè)巖土層縱橫波波速，可按下式計(jì)算巖土層動(dòng)泊松比μd、動(dòng)彈模Ed、動(dòng)剪切模量Gd。

(1)

(2)

(3)

式中，ρ為巖土層質(zhì)量密度/(g/cm3)。

某地鐵車站縱橫波速測(cè)試及計(jì)算結(jié)果見表1。按《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50909—2014)，該場地覆蓋層厚度大于50 m，土層等效剪切波速Vse為162.1～191.7 m/s，平均值為173.4 m/s，評(píng)定該場地類別為Ⅲ類。

表1　地鐵某車站波速測(cè)試及計(jì)算結(jié)果

注：土層質(zhì)量密度為室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)；動(dòng)彈性模量Ed(MPa) 建議值為計(jì)算值乘以0.6～1.0的折減系數(shù)。

3.2　巖土電阻率測(cè)試

測(cè)試車站、變電所、停車場等場地各巖土層的電阻率：車站一般要求測(cè)試深度至結(jié)構(gòu)底板下10 m，變電所、停車場一般要求測(cè)試深度為地面下10 m。

如果用于電氣設(shè)備的接地設(shè)計(jì)，應(yīng)提出各土層電阻率，可采用直流電測(cè)深法、溫納測(cè)深裝置在地面測(cè)試。最小AB/2宜為0.6 m，最大AB/2應(yīng)滿足測(cè)試深度要求，當(dāng)電阻率平均值大于1 000 Ω·m時(shí)，應(yīng)加大測(cè)區(qū)范圍和探測(cè)深度。為取得各層巖土的電阻率，需要對(duì)電測(cè)深曲線進(jìn)行定量解釋，定量解釋時(shí)地層結(jié)構(gòu)和各層厚度應(yīng)結(jié)合鉆孔資料分層，給出測(cè)試深度范圍內(nèi)的各層電阻率值。各巖土層的電阻率應(yīng)采用多個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均電阻率值。

如果只用于土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性評(píng)價(jià)，應(yīng)提出地下水位以上鋼結(jié)構(gòu)深度范圍土層的視電阻率?？刹捎弥绷麟姕y(cè)深法、溫納測(cè)深裝置(最小AB/2宜為0.6 m，最大AB/2應(yīng)滿足測(cè)試深度要求)在地面測(cè)試或采用在鉆孔中的普通電阻率測(cè)井法進(jìn)行測(cè)試。因只需要視電阻率，可不進(jìn)行定量解釋，視電阻率應(yīng)采用鋼結(jié)構(gòu)深度范圍各測(cè)點(diǎn)的平均視電阻率值。

采用直流電測(cè)深法、溫納測(cè)深裝置在地面測(cè)試是一般常規(guī)方法。但軌道交通勘察往往受地表場地條件限制，地表測(cè)試一般均有困難。此時(shí)，應(yīng)利用鉆孔進(jìn)行測(cè)試。實(shí)際工作中，直接采用普通電阻率測(cè)井法的測(cè)試結(jié)果(視電阻率)作為地層電阻率是一種近似，而在鉆孔中測(cè)試巖土層的電阻率可采用橫向電阻率測(cè)井或三側(cè)向電阻率測(cè)井。橫向電阻率測(cè)井就是采用一套探測(cè)深度不同(即電極距不同)的電極系，在同一鉆孔的各地層段進(jìn)行視電阻率測(cè)量，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上作出視電阻率與電極距的關(guān)系曲線(稱為電探曲線)，將每一層的電探曲線與條件相當(dāng)?shù)臋M向電阻率測(cè)井理論圖版進(jìn)行對(duì)比，求出各層的電阻率。三側(cè)向電阻率測(cè)井是通過深、淺三側(cè)向進(jìn)行組合測(cè)井，利用組合圖版求得地層電阻率。采用橫向電阻率測(cè)井或三側(cè)向電阻率測(cè)井測(cè)試巖土層電阻率目前應(yīng)用還較少，有待今后試驗(yàn)應(yīng)用。

3.3　大地導(dǎo)電率測(cè)試

測(cè)試地面線路段、車輛段、停車場等大地導(dǎo)電率，主要用于通訊和電氣化線路的抗干擾設(shè)計(jì)。宜采用直流電測(cè)深法、溫納測(cè)深裝置。最大AB/2應(yīng)達(dá)到50 Hz電流的影響深度，并大于電測(cè)深曲線與解釋曲線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的裝置長度，一般最大AB/2宜大于等于750 m或連續(xù)3個(gè)測(cè)點(diǎn)在45°直線上。根據(jù)現(xiàn)場地形條件和地層條件，也可只測(cè)與解釋曲線交點(diǎn)附近3～4個(gè)電極距的視電阻率?？刹捎貌榻忉屒€的方法或查拉德列曲線的方法解釋，列表計(jì)算給出50 Hz和800 Hz頻率的大地導(dǎo)電率，并注明工點(diǎn)名稱、測(cè)點(diǎn)里程位置、測(cè)區(qū)地層巖性等。表2是某地鐵地面線段的測(cè)試結(jié)果。

表2　大地電導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果表

3.4　地溫測(cè)試

測(cè)試地下車站、區(qū)間的地溫，測(cè)試深度至隧底一倍洞徑，可在鉆孔中進(jìn)行溫度測(cè)井，通過測(cè)量鉆孔水溫近似代替土體溫度。圖4是某地鐵車站地溫測(cè)試結(jié)果曲線，測(cè)試時(shí)地面溫度為-10 ℃，受其影響，孔口為冰水混合物。隨著深度的增加，0～10 m內(nèi)溫度慢慢變高，為變溫層；從10 m開始向下，地溫基本無變化，為相對(duì)恒溫層，恒溫溫度為10.7 ℃。

圖4　地溫測(cè)井成果曲線

圖5　放射性測(cè)井成果曲線

3.5　放射性測(cè)試

測(cè)試地下車站、區(qū)間的放射性，評(píng)價(jià)放射性物質(zhì)濃度是否符合國家有關(guān)強(qiáng)制性防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，可在鉆孔中進(jìn)行自然γ測(cè)井，實(shí)測(cè)環(huán)境γ輻射空氣吸收劑量率，采用《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB10027—2012)公式計(jì)算環(huán)境γ輻射照射對(duì)居民產(chǎn)生的年有效劑量當(dāng)量，按《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》(GB18871—2002)和《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB10027—2012)評(píng)價(jià)放射性物質(zhì)濃度是否符合國家有關(guān)強(qiáng)制性防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

環(huán)境γ輻射照射對(duì)居民產(chǎn)生的年有效劑量當(dāng)量可用下式進(jìn)行估算

(4)

式中：He為年有效劑量當(dāng)量(nSv)；Dγ為實(shí)測(cè)環(huán)境γ輻射空氣吸收劑量率(nGy/h)；K為有效劑量當(dāng)量率與空氣吸收劑量率比值( 0.7Sv/Gy)；T為環(huán)境中停留時(shí)間(h)。

圖5是某地鐵車站放射性測(cè)井成果曲線，實(shí)測(cè)該鉆孔內(nèi)無異常，γ輻射處于正常水平，實(shí)測(cè)平均吸收劑量率為90.85nGy/h，與當(dāng)?shù)爻鞘协h(huán)境γ輻射吸收劑量率(室內(nèi)108.77nGy/h，室外99.20nGy/h)相比較，略低于室內(nèi)、外平均水平。按公式(4)計(jì)算，該段地表下公眾人群人均年有效劑量當(dāng)量為0.645 mSv(公眾人群按每天乘地鐵時(shí)間4.8 h計(jì)算，其余時(shí)間居室內(nèi)計(jì)算)，該車站內(nèi)職業(yè)工作人員人均年有效劑量當(dāng)量為0.630 mSv(職業(yè)工作人群按每天地鐵工作時(shí)間8.0 h計(jì)算，其余時(shí)間居室內(nèi)計(jì)算)，均滿足《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》(GB18871—2002)規(guī)定的公眾人群年有效劑量當(dāng)量不超過1 mSv的規(guī)定，按《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB10027—2012)該區(qū)為非限制區(qū)放射場所。

4地下管線探測(cè)

金屬管道、電力電纜、電信電纜和照明電纜比較成熟、效果較好，但非金屬管道探測(cè)效果往往不太理想?？筛鶕?jù)場地條件和管道具體情況，采用多種物探方法進(jìn)行綜合探測(cè)。

5今后發(fā)展和待解決的主要技術(shù)問題

物探在城市軌道交通勘察中探測(cè)構(gòu)造(斷層、破碎帶)、探測(cè)不良地質(zhì)(采空區(qū)、巖溶、坑洞等)、測(cè)試巖土和環(huán)境參數(shù)等方面取得了較好效果，在探測(cè)隱伏斷層、巖溶洞穴，測(cè)試剪切波速和探測(cè)地下管線等方面成為了主要手段，今后應(yīng)進(jìn)一步加大應(yīng)用，發(fā)揮更大的作用。但是，從城市軌道交通巖土工程勘察的目的與任務(wù)中可以看到，城市軌道交通巖土工程勘察中大量勘察工作之一是詳細(xì)查明巖土層厚度及分布，勘探深度一般為地面下50 m以內(nèi)。因此，探測(cè)和劃分地層厚度、分布是今后物探的主要發(fā)展方向之一。

探測(cè)和劃分第四系地層可采用的方法主要有：橫波反射法、縱波反射法、瑞雷面波法等。探測(cè)基巖埋深及風(fēng)化層厚度可采用的方法主要有：瑞雷面波法、地震折射法(包括折射層析)、電測(cè)深法等。由于現(xiàn)有物探方法技術(shù)本身有一定的條件性，加之城市環(huán)境中受各種干擾較強(qiáng)和地表?xiàng)l件較差等不利影響，目前物探方法在地層劃分和定量精度兩方面一般還達(dá)不到勘察精度的要求。因此，研制適合城市地表?xiàng)l件，抗干擾強(qiáng)的儀器設(shè)備，提高物探地層劃分和定量精度，研究新的物探方法和技術(shù)是需要解決的主要問題。

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中圖分類號(hào)：P631； U231

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-7479(2015)04-0027-05

作者簡介：潘瑞林(1962—)，男，1982年畢業(yè)于西南交通大學(xué)工程地質(zhì)專業(yè)，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師。

收稿日期：2015-01-07