物探方法在寧波軌道交通厚層填土勘察中的應(yīng)用

林乃山

(寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315106)

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物探方法在寧波軌道交通厚層填土勘察中的應(yīng)用

林乃山

(寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315106)

寧波軌道交通工程為了探明厚層填土的分布情況及性質(zhì)，解決因厚層填土而導(dǎo)致的工程變更及安全隱患問題，在4號線工程厚層填土勘察中，引入了微動探測法、瞬態(tài)瑞雷波法、地震散射波法、地震映像法4種物探方法進(jìn)行對比研究，并通過鉆孔取芯驗(yàn)證。實(shí)踐表明：兩種及以上物探方法組合應(yīng)用可較好地探明厚層填土的底界和邊界，從探測效果和精度考量，優(yōu)先選用的兩種物探方法為微動探測法和瞬態(tài)瑞雷波法，同時，該方法為后續(xù)寧波軌道交通工程厚層填土勘察提供了可靠的解決方案，并可為其他類似工程勘察提供借鑒。

物探方法；地質(zhì)；厚層填土；勘探

1　概　述

厚層填土主要因原有河、塘及低洼地段由于各種原因(如城市道路建設(shè)等人類活動)被填埋或填高而形成的，工程中稱其為特殊性巖土。寧波城市位于我國東部沿海地區(qū)，水系發(fā)達(dá)，河網(wǎng)密布，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，大量的河、塘或低洼地段被人類活動填埋或填高，形成了分布無規(guī)律及厚度不一的厚填土區(qū)。2008年8月，寧波市軌道交通發(fā)展規(guī)劃獲國家審批，成為全國第二批首個獲批城市。在寧波軌道交通第一輪和第二輪的幾條線路地下車站建設(shè)過程中，由于勘察期間未探明厚層填土分布情況及性質(zhì)而導(dǎo)致的工程變更及安全隱患問題，一直困擾著巖土工程勘察工程師們。因此，勘察期間探明厚層填土的分布情況及性質(zhì)顯得十分必要。

厚層填土勘察方法較多，具體應(yīng)根據(jù)填土性質(zhì)確定，對于由細(xì)粒土(如粉土或黏性土等)組成且成分較均勻的填土可采用鉆探取樣、輕型鉆具與螺紋鉆等原位測試相結(jié)合的方法；對于含較多粗顆粒(粒徑小于0.2 m)成分的填土，一般宜采用動力觸探、鉆探取芯及探坑或探井方法[1]，但對于成分雜且含有較多碎石、塊石的厚層填土，采用單一的勘察方法將無法查清厚層填土的分布情況及性質(zhì)。本文基于填土與基底或周邊土存在明顯的物性差異，引入了4種探查厚層填土的物探方法進(jìn)行比對研究。

2　厚層填土物性特征

2.1物性參數(shù)

根據(jù)填土性質(zhì)，寧波地區(qū)厚層填土可分為雜填土、素填土、浜填土和浜泥。決定地下介質(zhì)物性參數(shù)的主要因素為巖土體、回填物成分、結(jié)構(gòu)、孔隙度、組成形式以及空隙中流體的物理性質(zhì)和飽和度等[2]。在前人工作成果基礎(chǔ)上，對寧波市軌道交通2號線、4號線、寧波至奉化城際鐵路工程鉆孔波速和電阻率測試成果進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)和整理，以及對本次探查相關(guān)的目標(biāo)物、巖土體等主要介質(zhì)的物性特征進(jìn)行描述，見表1。

表1　主要介質(zhì)物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由表1可見，厚層填土回填物與周邊或基底粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土存在較為明顯的物性差異，這些差異為利用物探技術(shù)進(jìn)行厚層填土探查提供了地球物理前提。

2.2厚層填土模型建立及異常特征

根據(jù)寧波市區(qū)水系發(fā)育特點(diǎn)及地層分布情況，一般厚層填土斷面呈“碗”狀，其模型示意圖見圖1。

圖1　厚層填土模型示意圖

根據(jù)前人工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合寧波地區(qū)巖土體物性參數(shù)，依據(jù)填土的密實(shí)程度不同，填土較之周邊或基底淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土等土性，具有明顯的地震波速度、電磁波速度和電阻率差異，其異常特征描述見表2。

表2　厚層填土在各方法中的異常特征表

3　物探方法及應(yīng)用實(shí)例

3.1探測方法及原理

3.1.1微動探測法

微動探測法是以(視)S波速度差異來劃分地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造，并根據(jù)其數(shù)值大小以及展布形態(tài)來判斷地下地質(zhì)體空間分布的物探方法[3]。微動探測視勘探目的不同，分為單點(diǎn)微動探測(測深)和二維微動剖面探測。

本次研究工作采用MTKV-1C型微動勘察儀系統(tǒng)進(jìn)行微動數(shù)據(jù)采集，該系統(tǒng)由2 Hz拾震儀(速度型、垂直分量)和Datamark LS-8800型記錄儀兩部分組成，各觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)獨(dú)立采集，測點(diǎn)之間的同步和時間校正通過接收GPS衛(wèi)星信號自動實(shí)現(xiàn)，微動數(shù)據(jù)的采樣率為100 Hz。

3.1.2瞬態(tài)瑞雷波法

瞬態(tài)瑞雷波法是利用人工瞬態(tài)震源激發(fā)產(chǎn)生多種頻率成分的瑞雷波，由于近地表介質(zhì)的不均勻性導(dǎo)致瑞雷波產(chǎn)生頻散，通過地震記錄得到的瑞雷波信息來計(jì)算出瑞雷波波速隨頻率的變化關(guān)系，最終確定瑞雷波波速在地下空間的分布特征,以了解淺層工程地質(zhì)分層和速度分布的地震勘查方法[3]。

3.1.3地震映像法

地震映像法即為高密度地震映像，是基于反射波法中的最佳偏移距技術(shù)發(fā)展起來的一種淺層地震勘探方法。

為節(jié)約資源，將同桌兩人分為一組，分發(fā)一份實(shí)物樣品，樣品量以夠用為度，樣品種類盡量滿足常用需求。以班級為單位購買塑料封口袋，學(xué)期初組織課代表和班干部統(tǒng)一發(fā)放中藥樣品，學(xué)生自行裝袋，建立口袋標(biāo)本。

在開展工作時，每次激發(fā)，在接收點(diǎn)采用單個檢波器接收，儀器記錄后，激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)同時向前移動一定距離，記錄點(diǎn)位于激發(fā)和接收距離的中點(diǎn)，反映中點(diǎn)兩側(cè)射線傳播范圍內(nèi)地下的巖層、巖性的變化，重復(fù)上述過程可獲得測線上的一條或多條地震映像時間剖面。

地震映像法試驗(yàn)所使用儀器為NZXP地震儀，檢波器為CDJ-Z38型以及CDJ-Z100型檢波器。

3.1.4地震散射波法

地震散射波法即利用地表激震所獲取的地層波速之間的差異來判斷地下地質(zhì)體空間分布的物探方法。地震散射波法的探測設(shè)備為SSP地震散射系統(tǒng)，該系統(tǒng)由RDscan采集主機(jī)，拖曳式檢波器串、震源及實(shí)時處理軟件和后處理軟件組成。

3.2應(yīng)用實(shí)例

3.2.1試驗(yàn)區(qū)選擇

通過新舊地形圖比對、調(diào)查及前期勘察資料，以及考慮不同環(huán)境影響因素、不同位置、不同表層介質(zhì)差異，本次研究共選擇了4號線工程公交錦江年華站、柏樹花園、柳西新村站及三支街4個試驗(yàn)區(qū)作為物探探測方法的對比研究對象，并在干擾強(qiáng)度不同的試驗(yàn)區(qū)開展各種物探方法試驗(yàn)，其主要目的是通過試驗(yàn)取得對厚層填土探測有效的且精度可靠的技術(shù)參數(shù)。本文選干擾強(qiáng)度較小的公交錦江年華站為例進(jìn)行介紹。

3.2.2方法及試驗(yàn)成果

公交錦江年華站試驗(yàn)區(qū)(圖2)位于寧波軌道交通4號線里程AK14+500附近，根據(jù)新舊地形圖比對、現(xiàn)場調(diào)查及已有鉆孔資料，公交錦江年華站及附件分布有一大片厚層填土區(qū)，該區(qū)域原來為養(yǎng)殖池塘，后被碎石土、建筑垃圾等填埋。本次試驗(yàn)引用了

4號線工程Q9CZ6、Q9CZ7號孔兩個鉆孔資料，具體淺部巖性分層見表3，同時，通過現(xiàn)場踏勘，本區(qū)布置了三條測線，分別為1線、2線、3線，每條長度均為60 m，投入的探測方法有地震映像法、瞬態(tài)瑞雷波法、地震散射波法、微動探測法，試驗(yàn)方法及工作量表見表4。

圖2　公交錦江年華站工作布置圖

孔號孔位(1)孔位(2)巖性層厚/mQ9CZ6AK14+465、左8m1線22.5m附近雜填土0～3.0粉質(zhì)黏土 3.0～4.7淤泥質(zhì)黏土 4.7～18.7Q9CZ7AK14+576、左17m3線19.5m附近雜填土 0～3.1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土 3.1～5.1粉質(zhì)黏土 5.1～6.0淤泥質(zhì)黏土 6.0～14.5

表4　公交錦江年華站試驗(yàn)區(qū)試驗(yàn)方法及工作量

3.2.2.1地震映像探查成果

對試驗(yàn)區(qū)分別進(jìn)行了噪音調(diào)查試驗(yàn)、偏移距試驗(yàn)、檢波器試驗(yàn)、點(diǎn)距試驗(yàn)及探查效果分析，探查結(jié)果表明：點(diǎn)距為0.5 m和1 m同相軸趨勢一致，整體形態(tài)沒有太大變化，異常明顯，基本能反應(yīng)出整個厚層填土的邊界位置，但在細(xì)部異常位置確定上，1 m點(diǎn)距沒有0.5 m點(diǎn)距精確。

3.2.2.2瞬態(tài)瑞雷波探查成果

對試驗(yàn)區(qū)分別進(jìn)行了噪音調(diào)查試驗(yàn)、點(diǎn)距試驗(yàn)、單炮接地條件試驗(yàn)，通過上述試驗(yàn)分析得到：(1)瞬態(tài)瑞雷波勘探方法可以有效地探明厚層填土底邊界位置；(2)采用2 m點(diǎn)距比采用4 m點(diǎn)距所采集的數(shù)據(jù)解釋異常效果明顯，界面更加清晰；(3)2線中瞬態(tài)瑞雷波法異常結(jié)果與地震映像相差較大，可能為表層介質(zhì)為松散碎石引起。

3.2.2.3微動探測法

3線微動探測法的探測效果見圖3。

圖3　3線微動探測視S波速度剖面圖

3.2.2.4地震散射波法

3線地震散射波法的探測效果見圖4。

圖4　3線地震散射地層波速圖

3.2.2.53線探查效果對比

本測線鉆孔Q9CZ7揭露雜填土底界埋深為3.1 m，調(diào)查邊界位置為30/3。方法試驗(yàn)結(jié)果與鉆孔資料比對見表5。

3.2.2.6探查成果

通過在寧波軌道交通4號線工程公交錦江年華站采用多種物探方法對3條測線進(jìn)行不同試驗(yàn)，并使物探方法試驗(yàn)取得的成果與已知鉆孔資料進(jìn)行比對，結(jié)果表明：

表5　厚層填土探查效果對比一覽表

1)運(yùn)用綜合物探方法能探測厚層填土的邊界和底界；瞬態(tài)瑞雷波法、微動探測法探查效果最佳，其次為地震映像法和地震散射波法；縱向分辨率以瞬態(tài)瑞雷波法、微動探測法較好，其次為地震映像法和地震散射波法；橫向分辨率以地震映像法效果最佳，其次為微動探測法；方法組合以瞬態(tài)瑞雷波法、地震映像法和微動探測法組合最佳。

2)通過與鉆孔資料比對，可以得出：瞬態(tài)瑞雷波法探測埋深精度最高，誤差為0.2 m；其次為微動探測法，誤差為0.4 m；之后為地震映像法，誤差為0.7～1.1 m。

3)通過試驗(yàn)，得出各種物探方法在本試驗(yàn)區(qū)呈現(xiàn)出局限性。

①微動探測法，根據(jù)本場地厚層填土埋深在地下3 m，探測深度達(dá)到10～20 m，臺陣最大半徑為5 m進(jìn)行布置，3線布置工作尚可，1線、2線因場地不平整微動探測法受限制。

②瞬態(tài)瑞雷波法，在表層介質(zhì)為碎石時，檢波器與地面耦合差，能量損失嚴(yán)重，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集質(zhì)量差。

③地震映像法，解釋時主要采用波形、振幅、相位、頻率等顯示特征來判斷目標(biāo)體，縱向分辨率較低，探測目標(biāo)體埋深誤差較大；如探查目標(biāo)物尺寸小、埋深較大、與周圍介質(zhì)波阻抗差別小時，該方法不宜使用[4]。

④地震散射波法，淺部(5 m以內(nèi))信息量較少，可作定性解釋，增大了對厚層填土底界、邊界判斷的難度。

3.3進(jìn)一步探查與驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述4種方法探查的有效性及精度，選擇寧波軌道交通4號線兒童公園站—寧波東站區(qū)間、潘火站兩個未知區(qū)域開展了試驗(yàn)，下面以潘火站為例進(jìn)行介紹。

3.3.1工程概況及測線布置

該試驗(yàn)區(qū)位于寧橫路上，嵩江東路路口，寧波軌道交通4號線潘火站附近，根據(jù)調(diào)查及訪問，該處原為周東江一個支流，后因建筑需要被填埋，初步推測厚層填土寬約13 m，厚度不詳。為了探查厚層填土的分布情況及進(jìn)一步驗(yàn)證各種物探方法的有效性及精度，對該區(qū)域開展了綜合物探試驗(yàn)，并用鉆孔對物探成果進(jìn)行驗(yàn)證。在試驗(yàn)區(qū)布置測線兩條，分布為C線、D線，長度均為60 m，物探測線布置位置圖見圖5，主要方法及工作量見表6。

圖5　(潘火站)物探測線布置位置圖

物探方法測線號及測線長度/m地震映像法C線(60)、D線(60)瞬態(tài)瑞雷波法C線(60)、D線(60)地震散射波法C線(60)、D線(60)微動探測法D線(60)

3.3.2綜合物探解析

C線探查成果：推斷橫向邊界以地震映像法為準(zhǔn)，縱向深度以瞬態(tài)瑞雷波法為準(zhǔn)，并結(jié)合微動探測法資料對其綜合推測，最后推測潘火站場地內(nèi)可能存在厚層填土，其寬度約為23 m(21/C～44/C段)，深度最深約為5 m，位于點(diǎn)29/C附近。

D線探查成果：推斷橫向邊界以地震映像為準(zhǔn)，縱向深度以微動探測法和瞬態(tài)瑞雷波法為準(zhǔn)，并結(jié)合地震散射波法資料對其綜合推測，最后推測潘火站場地內(nèi)可能存在厚層填土，其寬度約為40 m(21/D～48/D段)，深度最深約為6.3 m，位于點(diǎn)38/D附近。

3.3.3鉆孔驗(yàn)證

在D線布設(shè)了3個鉆孔對物探成果進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，鉆孔編號及巖性分層表見表7，其中YZK1位于點(diǎn)28.5/D位置，主要為驗(yàn)證D線中間位置探測厚層填土底界位置，YZK2和YZK3分別位于點(diǎn)3/D和55/D兩處，主要為控制兩側(cè)厚層填土邊界。

表7　鉆孔編號及巖性分層表　m

其中鉆孔YZK1揭露填土底界埋深為3.5 m，填土成分以碎石、塊石混黏性土為主。下面將各物探方法探測結(jié)果與鉆孔資料進(jìn)行比對，見表8。

表8　厚層填土探查效果對比一覽表

3.3.4探查與驗(yàn)證成果

通過試驗(yàn)探查及鉆孔驗(yàn)證，結(jié)果表明：綜合物探方法探查結(jié)果與鉆孔驗(yàn)證結(jié)果吻合度較好，探查精度能滿足設(shè)計(jì)要求，也證實(shí)了應(yīng)用綜合物探方法探查寧波地區(qū)厚層填土是有效的，該方法可推廣應(yīng)用到其他有厚層填土存在的地區(qū)。

4　結(jié)　語

1)實(shí)踐表明，兩種及以上物探方法組合應(yīng)用可較好地探明厚層填土的底界和邊界，該方法為后續(xù)寧波軌道交通工程厚層填土勘察提供了可靠的解決方案，并可以在其他類似工程勘察工作中加以推廣和應(yīng)用。

2)瞬態(tài)瑞雷波法和微動探測法對探查厚層填土邊界和底界的效果最佳，其次為地震映像法和地震散射波法。

3)應(yīng)用鉆孔比對及驗(yàn)證，結(jié)果表明：瞬態(tài)瑞雷波法探測埋深精度最高，誤差為0.2 m；其次為微動探測法，誤差為0.4 m；之后為地震映像法，誤差為0.7～1.1 m。

4)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：各種物探方法均具有局限性，比如微動探測法對場地平整度有一定要求，以及地震散射波法試驗(yàn)成果中，淺部(5 m以內(nèi))信息量較少等。

[1]建設(shè)部綜合勘察研究設(shè)計(jì)院.GB 50021—2001巖土工程勘察規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[2]單娜琳,程志平,劉云禎.工程地震勘探[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2006.

[3]徐明才,高景華.城市地震勘探[M].北京:地質(zhì)出版社,2011.

[4]姜賢斌.地震映像在工程探測中的野外工作方法試驗(yàn)及應(yīng)用[J].物探化探計(jì)算技術(shù),2009，31(2)：94-95.

Application of the Geophysical Prospecting Method in theThick-Layer Bankette Prospecting of Rail Transit in Ning bo

LIN Naishan

2016-03-02

林乃山(1978—)，男，浙江平陽人，高級工程師，從事城市軌道交通巖土工程勘察管理與研究工作。

TU195+.2

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1008-3707(2016)06-0021-05