綜合勘探方法在過江地鐵隧道穿越斷層破碎帶工程勘察中的應(yīng)用

楊博 馬偉

北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，中國(guó)·北京 100101

過江地鐵隧道；斷裂帶；水上地震反射波法；綜合勘探

1 引言

隨著地鐵建設(shè)進(jìn)程加快，地鐵工程下穿江河的情況逐漸增多，因此查明江底巖土層分布、構(gòu)造地質(zhì)特征、隧道圍巖情況以及地下水等情況對(duì)地鐵的建設(shè)具有重大影響。目前，水域勘察主要采用小型水上平臺(tái)，但其僅在魚塘、小河道、河涌等小型緩流水域適用性好。在大型河道水域，水上施工風(fēng)險(xiǎn)大，其適用性較差，施工難度也更大。若采用水域勘探船進(jìn)行施工，其鉆探成本較高、易受航道通行的限制。因此，在過江地鐵隧道的勘察工作中，常規(guī)水域鉆探易受施工難度、航運(yùn)限制等條件影響，尤其在水域存在斷裂構(gòu)造帶時(shí)，其影響程度更大。同時(shí)，僅進(jìn)行鉆探也無(wú)法完全滿足特殊條件下地鐵隧道工程建設(shè)的設(shè)計(jì)需求。為打破上述條件限制，可引入地球物理勘探方法，它不易受航運(yùn)限制、江上鉆探施工難度高等影響，且具有費(fèi)用較低、施工工期短、提供資料連續(xù)完整等優(yōu)勢(shì)，對(duì)斷裂等不良地質(zhì)問題的探查優(yōu)于地質(zhì)鉆探[1]。

目前，水上物探方法的探測(cè)深度一般為淺層地表，最大夠達(dá)到百米以上，通常能滿足地鐵工程勘察深度要求，且探測(cè)精度高，可有效提升勘察成果準(zhǔn)確性[2]。當(dāng)前采用水域物探方法結(jié)合鉆探進(jìn)行多手段綜合性勘探、對(duì)比驗(yàn)證，越來越受到青睞，也得到各設(shè)計(jì)院及建設(shè)方的認(rèn)可。

2 工程概況

本項(xiàng)目為中國(guó)廣州市黃埔區(qū)在建下穿珠江的地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道工程。隧道沿線下穿洪圣沙島、珠江主航道支流、珠江江心洲、珠江主航道黃埔水道、黃埔港碼頭。根據(jù)前期工程地質(zhì)調(diào)查及區(qū)域地質(zhì)資料收集，擬建區(qū)間隧道工程場(chǎng)地附近場(chǎng)地存在隱伏斷裂，推測(cè)與擬建地鐵隧道相交。同時(shí)，根據(jù)工程地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告，隧道過江段為活動(dòng)斷裂地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性中等區(qū)。因此，根據(jù)地鐵建設(shè)設(shè)計(jì)需要，需查明該斷裂的具體位置、范圍及斷裂要素，并對(duì)該斷裂對(duì)擬建過江隧道的影響進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)。

3 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造與工程地質(zhì)條件

3.1 地形地貌

根據(jù)《廣州城市地質(zhì)》，擬建過江地鐵隧道沿線地處珠江河口盆地沉積區(qū)及河谷區(qū)，主要為三角洲沖積河谷平原地貌[3]。地勢(shì)較平坦、開闊，地面高程約為5.30～10.75m。地表水系較發(fā)育，為珠江水體。珠江兩岸在黃埔港碼頭及洪圣沙碼頭均筑有漿砌片石河堤，河床斷面總體呈西低東高型。江面寬度約 0.8～1.0km，河道較為順直，河床地形起伏，河床標(biāo)高變化范圍為-8.16～7.98m，最大水深約12m，總體上西淺東深。珠江水流流向由北向南，水面坡降不大。珠江水深隨著漲落潮不斷變化，水位會(huì)隨潮汐水位漲落出現(xiàn)明顯升降。

3.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

由《廣州城市地質(zhì)》及《廣州城市地質(zhì)圖集》可知，擬建地鐵工程在大地構(gòu)造上位于華南褶皺系，粵北、粵東北-粵中拗陷帶，粵中拗陷的中部。印支運(yùn)動(dòng)使晚古生代地層發(fā)生過渡型褶皺，并發(fā)育了走向斷裂。中、新生代主要發(fā)育斷陷盆地，產(chǎn)生深、大斷裂帶。中生代的巖漿活動(dòng)頻繁，發(fā)生多次侵入和噴溢，新生代主要為基性偏堿性巖漿噴溢。廣從斷裂和瘦狗嶺斷裂將場(chǎng)區(qū)分層了幾個(gè)構(gòu)造區(qū)。瘦狗嶺斷裂以南的構(gòu)造區(qū)，主體構(gòu)造是東西向，其次是北西向?？辈斓罔F線路主要位于該構(gòu)造區(qū)內(nèi)，位于該構(gòu)造區(qū)的北部[3-4]。

測(cè)區(qū)位于廣州市黃埔區(qū)，根據(jù)區(qū)域構(gòu)造資料《廣州城市地質(zhì)圖集》，該區(qū)域內(nèi)發(fā)育的獅子洋斷裂組，由11 條次級(jí)北西向斷裂組成。斷裂組最后一次活動(dòng)造成的地貌效應(yīng)形成了獅子洋水道[4]。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)及擬建地鐵線路走向，推測(cè)影響本工點(diǎn)的斷裂為北西向的分F228 南崗-虎門斷裂。

3.3 地層巖性

根據(jù)《廣州城市地質(zhì)》[3]及《廣州城市地質(zhì)圖集》[4]，擬建工程場(chǎng)地屬于海陸相及內(nèi)陸湖泊相地層，主要包含新生界第四系（Q）、白堊系（K）。

3.3.1 第四系（Q）

3.3.2 白堊系（K）

其主要包括上統(tǒng)三水組康樂段(K2s1)：棕紅、紫紅、暗紫色，主要為砂巖、含礫粗砂巖、礫巖，泥質(zhì)膠結(jié)為主，粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造；下統(tǒng)白鶴洞組猴崗段（K1b1）：淺紫紅，暗紫紅、紫棕色，主要為砂巖、粉細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，以砂質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，泥質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀構(gòu)造。

3.4 地球物理?xiàng)l件

根據(jù)勘察成果資料及區(qū)域地質(zhì)資料，測(cè)區(qū)內(nèi)存在以下主要巖土層介質(zhì)：第四系覆蓋層、強(qiáng)—中風(fēng)化含礫粗砂巖、砂巖。各種巖土層介質(zhì)的波速及波阻抗如表1所示。

表1 測(cè)區(qū)內(nèi)各巖土層介質(zhì)的物性參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值一覽表

4 綜合物探方法選擇及適用性、有效性試驗(yàn)

4.1 水域地球物理勘探方法

目前水域綜合物探的方法根據(jù)其應(yīng)用目的不同，可分為剖面法和測(cè)深法，可細(xì)分為淺地層剖面法、旁側(cè)聲納法、磁探測(cè)法、水上地震法和水上電法等[5]。目前，常采用的水域物探方法有高密度電阻率法、高頻大地電磁法、瞬變電磁法及地震反射波法等[6]。其中，地震反射波法是比較成熟、常用的方法，利用波的動(dòng)力學(xué)特性來研究工程地質(zhì)問題，可探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造、基巖面、覆蓋層分層、水下地形等情況，是目前水域探測(cè)物探中首選方法[7]。例如，劉建軍、馬文亮、盧秋芽等采用淺層地震查明了水面下50m 范圍內(nèi)的地層分布、不良地質(zhì)滑坡及水下障礙物情況[8]。羅國(guó)煜研究發(fā)現(xiàn)地震法適合于探查隱伏富水優(yōu)勢(shì)斷裂，對(duì)水下隱伏斷裂探測(cè)效果和探測(cè)精度精度更優(yōu)于電法[9]。唐大榮、方松耕采用淺層高分辨反射波法提高了對(duì)小斷距斷層的分辨，查明了過江隧道基巖埋深、斷層位置及基巖破碎帶范圍[10]。同時(shí)，地震反射波法可以查清地表淺層各地層分層厚度及其連續(xù)變化形態(tài)、地層間接觸關(guān)系、地質(zhì)構(gòu)造、地層內(nèi)部空洞及松散軟弱地層的規(guī)模及形狀。相對(duì)于常規(guī)鉆探，在連續(xù)追蹤第四紀(jì)至基巖的巖土層界面、內(nèi)部構(gòu)造變化形態(tài)等具有不可替代的優(yōu)勢(shì)[11]。

4.2 物探方法選擇

根據(jù)過江地鐵隧道工程的斷裂專題勘察要求及目的，結(jié)合測(cè)區(qū)內(nèi)巖土層的地球物理?xiàng)l件，擬采用物探結(jié)合鉆探的綜合勘探方法。由于巖土層間存在較大的地震波速及波阻抗差異，滿足進(jìn)行地震反射波法的條件。因此物探方法選擇對(duì)地質(zhì)風(fēng)化分層、構(gòu)造破碎帶探測(cè)效果明顯的淺層地震反射波法。

4.3 物探方法適用性及有效性試驗(yàn)

本工程穿越珠江水域段水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，僅采用單一物探方法得到的測(cè)試成果，難以滿足過江隧道勘察精度要求。因此，需通過在主測(cè)區(qū)旁珠江主航道支流進(jìn)行小型現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定該方法在測(cè)區(qū)內(nèi)的適用性及有效性。同時(shí)，進(jìn)一步驗(yàn)證并獲取不同巖土層的物性參數(shù)，將測(cè)試結(jié)果與鉆探成果進(jìn)行對(duì)比分析，便于后續(xù)正式水上探測(cè)進(jìn)行綜合解釋推斷。

4.3.1 儀器設(shè)備

物探測(cè)試采用的記錄設(shè)備為美國(guó)Geometrics 公司生產(chǎn)的Geode 數(shù)字化信號(hào)增強(qiáng)型淺層地震儀，整機(jī)內(nèi)置工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)控制。水上地震電纜采用低頻多道（12 道×2）漂浮電纜，工作時(shí)的沉放深度采用水鳥控制。

根據(jù)試驗(yàn)物探測(cè)線布置，采用中海達(dá)V9 型RTK 進(jìn)行測(cè)量。工作時(shí)，通過GPS 信號(hào)采集3 個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)、解算坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，最后用第4 個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)來進(jìn)行校對(duì)，通過反復(fù)校對(duì)保證測(cè)放精度誤差在2cm 內(nèi)。

測(cè)量工作采用水上導(dǎo)航方式，將測(cè)量工具固定于船體，連接至地震儀及電腦。采用電腦導(dǎo)航定位。通過導(dǎo)航軟件不斷修正測(cè)量船體航向，保證實(shí)際測(cè)線沿設(shè)計(jì)測(cè)線航行。導(dǎo)航系統(tǒng)和地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)記錄定位數(shù)據(jù)、導(dǎo)航參數(shù)、炮點(diǎn)坐標(biāo)、對(duì)應(yīng)地震數(shù)據(jù)坐標(biāo)以及其它測(cè)量信息。

4.3.3 多道反射波收集及處理

多道地震數(shù)據(jù)在探測(cè)時(shí)采用《Geogiga Seismic 地震數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)》及《HOLEWIN 彈性波處理系統(tǒng)（水域增強(qiáng)版）V13.0》軟件進(jìn)行自動(dòng)收集處理。

4.3.4 多道地震反射資料分析與解釋原則

測(cè)試完成后，在地震時(shí)間剖面上找出標(biāo)準(zhǔn)層，其選定原則為測(cè)區(qū)內(nèi)具有較強(qiáng)振幅、同相軸連續(xù)性好、測(cè)區(qū)內(nèi)可追蹤性好。然后通過標(biāo)準(zhǔn)層對(duì)時(shí)間剖面進(jìn)行解釋、對(duì)比，解釋過程需將全部測(cè)試交點(diǎn)閉合，閉合差控制在5%t0 以內(nèi)。

4.3.5 測(cè)試試驗(yàn)測(cè)試及解釋結(jié)果

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)，珠江水域支流水上地震波反射得到的地震時(shí)間剖面上識(shí)別出T1～T4 共4 個(gè)地震波強(qiáng)反射波組。根據(jù)其地震相推斷，T1 面為以上為珠江水體，其反射波組以水平層狀連續(xù)反射為主；T2 為淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)砂層的底界，其反射波組能量強(qiáng)、連續(xù)性較好。T3 為強(qiáng)風(fēng)化巖層頂界反射波組能量強(qiáng)，連續(xù)性較好。T4 為中風(fēng)化層頂，部分反射能力較強(qiáng)、連續(xù)性較好，部分測(cè)段存在較多繞射波、回轉(zhuǎn)波等。得到地震時(shí)間剖面如圖1所示。并進(jìn)行地震層位劃分，識(shí)別出4 個(gè)地震波強(qiáng)反射界面，其中T1 為水底反射界面；T1 和T2 反射界面之間為淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)砂等軟弱土層；T2 和T3 反射界面之間為粉細(xì)砂-中粗砂、粉質(zhì)黏土等；T3 和T4 反射界面之間為強(qiáng)風(fēng)化的碎屑巖；T4 界面以下為中-微風(fēng)化碎屑巖。最終得出綜合地質(zhì)解釋剖面如圖2所示。

1）雨污分流：作業(yè)區(qū)基本實(shí)現(xiàn)沒有大型設(shè)備干擾，可以分區(qū)分層分單元攤鋪，為雨污分流創(chuàng)造了良好的作業(yè)環(huán)境。輔以圍堰等作業(yè)設(shè)施，可進(jìn)一步控制作業(yè)面。

圖1 地震時(shí)間剖面

圖2 綜合地質(zhì)解釋剖面

為驗(yàn)證物探成果的適用性及有效性，對(duì)其進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，對(duì)比工程地質(zhì)鉆探剖面，兩者吻合性較好。水上地震波反射法能較好解釋巖土層變化及基巖風(fēng)化層位變化，地層劃分、層位深度及反映基巖特征探測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確，同時(shí)成果直觀清晰。因此，該方法在本場(chǎng)地適用性較好、測(cè)試結(jié)果較好，選擇該物探方法有效可行。根據(jù)本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)對(duì)工作參數(shù)進(jìn)行確定，采集參數(shù)如表2所示。

表2 水上淺層地震反射法數(shù)據(jù)采集工作參數(shù)

采用上述參數(shù)采集的原始地震記錄波組清晰連續(xù)、層位分明、信噪比高。后續(xù)處理得出的時(shí)間剖面波組清晰、層位分明，可取得很好的勘探效果。

5 物探成果綜合解釋及對(duì)比驗(yàn)證

5.1 物探成果解釋原則

由于物探成果的多解性和易受干擾的特性，不同人員對(duì)于物探測(cè)試結(jié)果的解讀易產(chǎn)生差異，無(wú)法與實(shí)際地層對(duì)應(yīng)。為了讓物探成果更符合實(shí)際情況，確定本次探測(cè)成果綜合地質(zhì)解釋原則如下：①通過地震反射波測(cè)試成果追蹤大致層位，參考工程地質(zhì)鉆探及土工試驗(yàn)對(duì)巖土層界面的劃分為依據(jù)；②構(gòu)造帶及不良地質(zhì)發(fā)育帶的位置以地震反射波測(cè)試進(jìn)行初步探查，最終性質(zhì)判定、分布位置以鉆探驗(yàn)證成果為主。

5.2 物探成果分析

根據(jù)勘察任務(wù)要求及目的，本次沿設(shè)計(jì)線地鐵路中心或平行中線共布置了3 條測(cè)線L1-1 線～L1-3 線，測(cè)線橫跨珠江主航道。本次水上地震反射波法L1-1 線～L1-3 線主要位于設(shè)計(jì)線路DK28+600～DK29+550 里程之間，各測(cè)線地震時(shí)間剖面如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 L1-1 線地震時(shí)間剖面

圖4 L1-2 線地震時(shí)間剖面

圖5 L1-3 線地震時(shí)間剖面

本次探測(cè)共發(fā)現(xiàn) 6 處異常，各測(cè)線的異常點(diǎn)位置及異常表征歸納如表3所示。

表3 水上淺層地震反射法探測(cè)異常點(diǎn)

5.3 物探成果異常解釋

（1）L1-1 線點(diǎn)號(hào)28985，L1-2 線點(diǎn)號(hào)29100 和L1-3線點(diǎn)號(hào)28965 附近存在物探異常，表征為地震波組錯(cuò)斷，并且有多次反射波組。根據(jù)前期水上地震反射法在本場(chǎng)地測(cè)試試驗(yàn)積累的經(jīng)驗(yàn)，此情況為江心洲位置水深由淺入深地震波在水面與河床底來回震蕩引起，并不是斷層構(gòu)造引起。

（2）L1-1 線地震時(shí)間剖面同相軸在29279 點(diǎn)號(hào)處出現(xiàn)明顯錯(cuò)斷，L1-2 線29310 點(diǎn)號(hào)處反射波同相軸中斷，L1-3線29305 點(diǎn)號(hào)處反射波同相軸中斷。3 處異常點(diǎn)位均處于同一水平位置附近，且均往小里程方向傾斜，傾角約54°～61°。根據(jù)側(cè)線L1-1 線～L1-3 線異常點(diǎn)位置及異常表征，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)推測(cè)在珠江主航道江底存在斷裂或基巖破碎。

5.4 工程地質(zhì)鉆探驗(yàn)證

根據(jù)測(cè)線L1-1～L1-3 物探結(jié)果，顯示在DK29+240～350 附近存在異常。根據(jù)地鐵勘察相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)技術(shù)要求，沿地鐵隧道外側(cè)各施工一排鉆探孔，鉆探孔間距約30m，異常邊界處勘探孔間距加密至15m。

本次項(xiàng)目在珠江水上鉆探期間，物探顯示異常段附近揭露到具斷裂特征，揭露巖相發(fā)生突變，巖層層序混雜錯(cuò)亂，且?guī)r芯破碎。同時(shí)，揭露含礫粗砂巖、強(qiáng)蝕變花崗巖、花崗質(zhì)碎裂巖。揭示巖層錯(cuò)斷，斷裂面比較明顯，驗(yàn)證了物探異常點(diǎn)存在斷裂的推測(cè)，且說明水上地震波反射法在深部水域探測(cè)效果較好。

本次揭露斷裂破碎寬度約120m，靠近斷裂中部，巖性混雜，其中含礫粗砂巖位于上部，下部為花崗質(zhì)碎裂巖及強(qiáng)蝕變花崗巖。受斷裂構(gòu)作用，靠近斷裂邊緣處，巖芯因斷裂構(gòu)造作用，巖芯可見明顯斷裂擠壓痕跡，局部具有高角度破裂面。根據(jù)鉆探揭示的斷層破碎帶地質(zhì)縱斷面如圖6所示（斷層破碎帶為圖中虛線標(biāo)示部分）。

圖6 鉆探揭露斷裂示意圖

6 綜合地質(zhì)解釋

根據(jù)測(cè)線L1-1～L1-3 物探結(jié)果及水上鉆探驗(yàn)證，在物探顯示異常段附近揭示斷裂破碎帶。由區(qū)域地質(zhì)資料本場(chǎng)地區(qū)域內(nèi)存在獅子洋斷裂組，且揭示斷裂相關(guān)產(chǎn)狀及特征與區(qū)域地質(zhì)資料較為一致，推測(cè)該處為獅子洋斷裂組內(nèi)一組斷裂。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及本次勘察成果，該斷裂呈北西走向約316°，傾向南西，傾角約57°，位于設(shè)計(jì)里程DK29+240～DK29+350 段內(nèi)，斷裂帶寬度約120m，與區(qū)間隧道約近垂直相交，斷裂上盤為碎屑巖，下盤為花崗巖。

同時(shí)，根據(jù)物探及鉆探成果，得到過江段連續(xù)分布的綜合地質(zhì)縱斷面圖如圖7所示。

圖7 綜合地質(zhì)解釋縱斷面圖

7 結(jié)論與討論

在過江地鐵隧道的勘察工作中，常規(guī)水域鉆探易受江河水域施工難度高、航運(yùn)限制等條件影響，尤其在水域存在斷裂構(gòu)造帶時(shí)，其影響程度更大。通過本次工程實(shí)踐，為打破上述條件限制，采用水域物探結(jié)合地質(zhì)鉆探的綜合手段不但揭示了江底斷裂帶的位置、范圍及特征，還發(fā)現(xiàn)過江隧道局部位于斷裂帶內(nèi)，且斷裂帶上部無(wú)穩(wěn)定隔水層，在過江隧道施工時(shí)易引起涌水、涌砂事故。因此，該方法能有效探查過江地鐵隧道的工程地質(zhì)條件、斷裂構(gòu)造等情況，提高過江隧道勘察成果的豐富度、可靠度及可信度。同時(shí)，也能適當(dāng)減少地質(zhì)鉆探的工作量，降低勘察施工難度。為后續(xù)評(píng)價(jià)施工可能存在的風(fēng)險(xiǎn)、專項(xiàng)設(shè)計(jì)、制定專項(xiàng)施工方案等提供詳實(shí)的地質(zhì)成果資料及依據(jù)，對(duì)類似工程有借鑒意義。

根據(jù)在實(shí)踐過程中的經(jīng)驗(yàn)及地鐵設(shè)計(jì)需求，有以下幾個(gè)方面值得注意：

（1）水域地震反射波法作為目前首選水域物探方法，在淺水水域常存在水底多次反射波，易導(dǎo)致下覆地層反射信號(hào)失真，勘探成果不理想。因此在測(cè)試事件中必須進(jìn)行物探方法適用性及有效性試驗(yàn)，并通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)確定最佳工作采集參數(shù)。

（2）目前物探手段和方法成果的解釋存在多解性，因此在使用過程中宜采用多種物探手段進(jìn)行相互驗(yàn)證、對(duì)比分析，從而進(jìn)行綜合地質(zhì)解釋，或者與鉆探相結(jié)合進(jìn)行綜合勘探，這樣才能使到的勘察成果具有較好的可靠度與可信度。

（3）目前在地鐵建設(shè)工程中，在穿越斷層破碎帶等不良地質(zhì)時(shí)，通常需查明其裂隙、孔隙發(fā)育程度及地下水富集情況。地震波反射法能通過P 波傳播速度Vp來查明明裂隙或孔隙度。通過S 波、P 波在傳播過程中的能量損耗差異，得到兩種反射波強(qiáng)弱差異來查明破碎帶是否富水，但由于S 波不能在液體中傳播，因此其在探查水底斷裂破碎帶是否富水存在一定的限制。