綜合物探技術(shù)在地鐵路基病害探測中的應(yīng)用

劉文伍，田慶福，余森林

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019)

1 引 言

地下鐵道運輸具有速度快、運量大、污染輕、噪音小、能耗低等諸多優(yōu)點。城市地鐵的建成能極大地緩解城市交通擁擠、堵塞狀況，給廣大市民的出行提供方便，對改善城市風(fēng)貌，提高環(huán)境質(zhì)量，促進地方經(jīng)濟發(fā)展有著重要意義。但是，同其他城市地下公共設(shè)施一樣，地鐵隧道多建在較軟弱的第四系沉(沖)積層中，路基所處地質(zhì)條件較差，且往往會跨越巖溶發(fā)育區(qū)、裂隙發(fā)育帶等，而且長期受地鐵運營震動的影響，路基土體容易液化流失，造成松散層的進一步發(fā)育[1-2]。另外，城市地鐵往往都無法避免與城市管道發(fā)生交匯或者并行排列，管道液體滲漏，沖刷淋濾帶走路基土體形成地下空洞。地下空洞、土體不密實等路基病害會隨著時間的推移不斷發(fā)育擴大，若不及時發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的治理措施，會給地鐵安全運營帶來極大威脅，甚至引發(fā)難以想象的安全事故，造成不可估量的經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響。

路基病害的發(fā)育具有隱蔽性和不確定性，勘查難度較大。鉆探方法具有探測結(jié)果準(zhǔn)確的優(yōu)點，但由于單個鉆孔僅可了解一個點的地質(zhì)情況，是“一孔之見”，若要了解路基橫向上地層不均勻變化，發(fā)現(xiàn)隱伏病害，則需布置大量密集鉆孔，便會造成勘察成本和周期的極大增加。物探方法作為一種間接的、面積性勘察手段，具有快速、無損的特點，目前常用于地鐵路基勘察的物探方法主要有地震波法、直流電法、地質(zhì)雷達法、瞬變電磁法等[3～5]。各種方法根據(jù)現(xiàn)場探測條件和病害體特征差異，具有各自的特點和優(yōu)勢，同時單一方法自身都存在一定的局限性和多解性。協(xié)同觀測多種地球物理場可以減少或避免單一物探方法多解性造成的解釋誤差[1，6，7]，本文通過對多種地球物理勘探方法特點的分析，結(jié)合地鐵探測現(xiàn)場環(huán)境，提出了地震繞射波法與瞬變電磁法探測地鐵路基病害的綜合物探技術(shù)，通過現(xiàn)場探測實例及鉆孔驗證，證明了該綜合物探技術(shù)探查地鐵路基病害的適應(yīng)性及探測結(jié)果的可靠性。

2 地球物理方法分析與選擇

地鐵路基病害的存在，不論是溶洞(包括富水與不含水)、疏松土質(zhì)、裂隙發(fā)育等均與其周圍介質(zhì)之間不同程度地存在著多種物性差異，如密度差異、波阻抗差異、電阻率差異、介電常數(shù)差異等，這為不同的物探方法應(yīng)用提供了地球物理基礎(chǔ)。

地震波法是通過一定的觀測系統(tǒng)激發(fā)接收地震波，通過接收的震波信息分析探測區(qū)域內(nèi)物質(zhì)間的波阻抗差異或者波速差異，從而反演推斷探測區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)分布情況；地質(zhì)雷達法是通過發(fā)射天線向探測區(qū)域發(fā)射高頻電磁波，高頻電磁波遇到電性差異界面產(chǎn)生的回波被接收天線所接收，通過分析接收到的回波信息判斷探測區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)分布情況；直流電法是通過觀測和分析人工建立電流場或自然電流場在介質(zhì)中的分布規(guī)律，反演推斷探測區(qū)域內(nèi)不同電阻率地質(zhì)體的分布情況；瞬變電磁法是通過發(fā)射線圈發(fā)射脈沖式一次電磁場，分析接收線圈接收該脈沖電磁場感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生二次磁場的強度及衰減情況，反演探測區(qū)域內(nèi)電阻率的變化情況，從而推斷探測區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)分布[8～11]。

各種物探方法根據(jù)現(xiàn)場探測條件和病害體的特征差異，具有各自的優(yōu)勢，同時單一方法自身都存在一定的局限性，比如直流電法、瞬變電磁法具有體積效應(yīng)且受現(xiàn)場環(huán)境干擾較大；地震波法對病害體富水性反應(yīng)不靈敏；地質(zhì)雷達法探測深度淺且易受現(xiàn)場環(huán)境干擾。從多角度、不同物性差異產(chǎn)生的多信息數(shù)據(jù)來綜合分析和判斷路基病害的存在及影響范圍，能有效減少或避免單一物探方法帶來的局限性和多解性，有助于提高物探資料解釋成果的可靠性和準(zhǔn)確率[1]。本文選用地震繞射波法與瞬變電磁法綜合探查地鐵路基病害主要有以下考慮：①地震繞射波法屬于地震波法的一種，且通過繞射偏移成像歸位，具有分辨率高的特點，能對病害異常范圍進行較準(zhǔn)確圈定，瞬變電磁法具有體積效應(yīng)，但能準(zhǔn)確地反映病害異常的電阻率情況，從而便于判斷病害的富水情況；②直流電法也能準(zhǔn)確反映病害異常的電阻率情況，但由于路基堅硬，現(xiàn)場探測時電極接地耦合困難，若采用布袋電極耦合則極大地增加了現(xiàn)場工作量；③地質(zhì)雷達法也具有高分辨率的特點，同樣反映的是異常體的分布范圍，但探測深度淺且容易受現(xiàn)場電磁環(huán)境的干擾。

3 探測原理

3.1 地震繞射波法探測原理

地震學(xué)的基本觀點認(rèn)為繞射是最基本的，反射波是反射界面上所有小面積元產(chǎn)生的繞射波的總和，繞射偏移技術(shù)是基于射線偏移基礎(chǔ)上使反射波自動歸位到真實成像點上的一種成像方法，具有壓制干擾、提高探測精度的作用[12]。地震繞射波法通過多次覆蓋系統(tǒng)獲取大量地震數(shù)據(jù)，然后通過繞射偏移成像歸位實現(xiàn)地下異常體的準(zhǔn)確定位。

圖1 繞射偏移網(wǎng)格剖分示意圖

繞射偏移成像方法首先將研究區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，如圖1所示，形成一系列網(wǎng)格單元并給定慢度參數(shù)，然后假設(shè)研究區(qū)域內(nèi)某個網(wǎng)格單元(第m個網(wǎng)格單元)為異常點，計算任一炮檢對(第k炮，i檢波點)以該點為繞射點的繞射波旅行時tki，把對應(yīng)道對應(yīng)時刻的振幅值或振幅絕對值疊加后所得振幅值A(chǔ)m放置在該網(wǎng)格。

(1)

其中值A(chǔ)ki表示第k炮，第i檢波點記錄上對應(yīng)旅行時刻的振幅值，M表示共M炮，N表示共N個檢波點。

同理，遍歷所有網(wǎng)格單元，只要網(wǎng)格足夠精細，就能得到滿足精度要求的成像。在繞射偏移疊加過程中，若某網(wǎng)格單元為異常點位置，則不同地震記錄道對應(yīng)時刻的記錄點具有相關(guān)振幅，疊加能量強；反之，若某網(wǎng)格單元非異常點位置，則不同地震記錄道對應(yīng)時刻的記錄點相關(guān)性差，疊加能量弱。即真正異常點所在位置的網(wǎng)格單元疊加后的總振幅增大，非異常點所在位置的網(wǎng)格單元疊加后的總振幅相對減弱，該方法方便、快捷，能將異常體輪廓自動偏移到真實的空間位置上。實際運用過程中，通常使用橫波繞射波進行偏移成像，可以有效避免高能直達橫波對成像結(jié)果的干擾。

3.2 瞬變電磁法探測原理

瞬變電磁法屬時間域電磁感應(yīng)方法，是通過發(fā)射線圈發(fā)射脈沖式一次電磁場，分析接收線圈接收脈沖電磁場感應(yīng)的地下渦流所產(chǎn)生二次磁場的強度及衰減情況，反演探測區(qū)域內(nèi)電阻率的變化分布情況。當(dāng)向發(fā)射線圈供一階躍脈沖電流時，會產(chǎn)生一個沿線圈法線方向傳播的一次磁場，在一次磁場的激勵下，地下地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流，渦流大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電性能，在一次場消失后，該渦流不會立即消失，而是有一個過渡(衰減)過程。該衰減過程又產(chǎn)生一個衰減的二次電磁場向地面?zhèn)鞑?，且被地面接收線圈線所接收，通過探測二次電磁場隨時間的變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征，從而反演推斷探測區(qū)域內(nèi)地質(zhì)信息及水文分布情況[13]。

圖2 瞬變電磁全空間“煙圈效應(yīng)”

任一時刻地下渦旋電流產(chǎn)生的磁場可以等效為一個水平環(huán)狀線電流的磁場，該電流環(huán)隨時間推移向外擴散，其向外擴散的過程稱為“煙圈效應(yīng)”，如圖2所示?！盁熑Α睂⒀仨斀菫?4°的圓錐體向雙向擴散，即瞬變電磁的探測范圍為頂角94°的雙向椎體范圍[14]，具有較明顯的體積效應(yīng)。

4 探測實例

南京地鐵某線路，根據(jù)永久結(jié)構(gòu)監(jiān)測成果，上行K08+550～K08+721 m區(qū)段段在05期(2015年12月)突發(fā)沉降。05期最大沉降-28.12 mm，最大沉降速率 -0.312 mm/d；06期(2016年3月)最大沉降 -49.68 mm，最大沉降速率 -0.552 mm/d。針對該線路上突發(fā)沉降，于4月～6月開展每月一次的加密監(jiān)測，最大沉降速率分別為 -0.566 mm/d、-0.420 mm/d、-0.447 mm/d，沉降仍在繼續(xù)，無減緩趨勢。為查明沉降原因，對該線路上行K08+550～K08+721 m區(qū)段隧道路基 5 m范圍內(nèi)可能存在的不良地質(zhì)體(空洞、不密實區(qū)等)進行地震繞射波法與瞬變電磁法綜合地球物理探查，為后期制定沉降整治方案提供基礎(chǔ)資料與決策依據(jù)。

地震波探測采用具有基站擴展功能的分布式地震儀，沿路基共布置86道檢波器，道間距為 2 m，檢波器采用 100 Hz的速度檢波器；震源采用12磅重錘，激震點位于兩檢波點中心位置，每次激震86道同時接收，共激震85次，觀測系統(tǒng)示意圖如圖3所示；為保證激震能量的一致性，每次激震均將重錘提升至 1 m高處做自由落體，為減小聲波信號的干擾，將重錘四周包裹上吸聲棉?，F(xiàn)場共采集85×86=7310道數(shù)據(jù)，經(jīng)過帶通濾波、道間平衡、AGC預(yù)處理后，通過疊前繞射偏移成像獲得成果圖件，如圖4(a)所示。

利用地震繞射波法的同時，在同一測線剖面上采用瞬變電磁技術(shù)對路基下方電阻率分布情況進行探查，現(xiàn)場采用1.2 m×1.2 m的多匝重疊回線裝置，發(fā)射線框與接收線框為匝數(shù)不等的獨立線框，掃描布置示意圖見圖3，探測結(jié)果經(jīng)過視電阻率計算、時深轉(zhuǎn)化后得到深度-視電阻率斷面成果圖，如圖4(b)所示。

圖3綜合物探觀測系統(tǒng)示意圖

結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況及地鐵軌道結(jié)構(gòu)特征，對比地震繞射波法與瞬變電磁法反演成果，對該線路上行K08+721～K08+550段路基的隱伏病害圈定及解釋如下：①整個探測區(qū)段地鐵路基整體情況較差，綜合圈定出3個隱伏病害區(qū)并標(biāo)記為YC1、YC2、YC3異常區(qū)域，分別對應(yīng)區(qū)段為：K08+661～K08+646、K08+628～K08+618、K08+604～K08+595；②YC1、YC2區(qū)域，淺層地震波出現(xiàn)紊亂，繞射偏移成像結(jié)果顯示振幅相對增強，且瞬變電磁成果顯示高、低阻交替出現(xiàn)，分析為土層松軟及注漿不均勻所致；③YC3區(qū)域，淺層地震波出現(xiàn)紊亂，繞射偏移成像結(jié)果顯示振幅相對增強，且瞬變電磁成果顯示為低阻異常，分析為土層松散區(qū)域且含水量相對較高；④K08+721～K08+694、K08+571～K08+550區(qū)段，路基上部為水泥板、下部為下水道，與地鐵路基正常區(qū)域差異性大，不做異常解釋。

物探工作結(jié)束后，及時對3個隱伏病害異常區(qū)進行了鉆孔驗證工作，發(fā)現(xiàn)YC1、YC2異常區(qū)域在 4 m～6 m深度范圍內(nèi)土層松散，YC3異常區(qū)域 3.5 m～7 m深度范圍內(nèi)土層松散，且含水較高，與前期物探解釋結(jié)果吻合度高。

5 結(jié) 語

采用綜合物探技術(shù)，對多種地球物理場進行協(xié)同觀測，多種方法相互補充、相互驗證，能夠有效克服單一物探方法的局限性、降低其多解性，增加解釋成果的可靠性。文章通過對地鐵路基勘察常規(guī)物探方法特點的分析，結(jié)合地鐵路基現(xiàn)場探測環(huán)境，提出了地震繞射波法與瞬變電磁法探測地鐵路基病害的綜合物探技術(shù)，通過現(xiàn)場探測實例及鉆孔驗證，證明了該綜合物探技術(shù)探查地鐵路基病害的適應(yīng)性及探測結(jié)果的可靠性。

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