綜合物探技術在城市軌道交通勘察中的應用

王其合

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070)

0 引言

隨著我國一線、二線城市的高速發(fā)展，城市軌道交通工程不斷涌現(xiàn)，面臨的工程條件也愈加復雜。破碎帶和巖溶作為常見的不良地質現(xiàn)象，對城市軌道交通工程設計和施工有著嚴重的影響。更加深入地了解物探方法在城市軌道交通工程中運用，是工程師們針對不同工程選擇相應物探方法所必須面對的問題。任杰等[1]通過高密度電法探測破碎帶，為工程提供了一種較為可靠的方法；楊金山等[2]針對干擾區(qū)進行了研究分析，驗證了其工程使用的可靠性；何國全等[3-4]研究了高密度電法在巖溶探測中的應用，驗證了高密度電法的可行性；鄭江波等[5-8]采用地震法或聯(lián)合高密度電法針對巖溶區(qū)進行綜合探測，得到較好的應用效果；章飛亮等[9-13]還通過了3種以上的物探方法進行了對比分析，表明了物探方法在不同工程中的精確性并不一致；楊建明等[14-15]通過瞬變電磁法探測巖溶，彌補了高密度電法探測深度的不足。

筆者以徐州市城市軌道交通6號某車站工程場地為例，采用高密度電法和瞬變電磁法來探測巖溶和破碎帶。高密度電法作為常見的物探方法，作為本文探測對比的依據。淺層瞬變電磁法目前在城市軌道交通中的應用較少，因此具備一定的研究意義。筆者通過鉆探來驗證高密度電法在破碎帶探測中可靠性，再以淺層瞬變電磁法[16]和高密度電法進行對比驗證，給工程提供一種切實可行的物探選擇方法。

圖1 地貌單元圖Fig.1 Geomorphic unit map

1 工程地質條件概況

1.1 地形地貌

徐州市區(qū)位于魯南山區(qū)向黃淮海平原過渡的部位，以平原為主，廣袤的沖積平原上分布一系列NE-NEE向展布的低山殘丘及崗地徐州市區(qū)內的地貌形態(tài)，主要有剝蝕～溶蝕丘陵(殘丘)和堆積平原兩大類。本場地自南向北穿越廢黃河高漫灘、沖積平原、溶蝕丘陵(殘丘)三個地貌單元，見圖1。

1.2 地層巖性

本工程發(fā)育有第四系全新統(tǒng)(Q4)、上更新統(tǒng)(Q3)地層，覆蓋層總厚度為0.1 m～30.7 m，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)王氏組碎屑沉積巖、震旦系城山組砂質灰?guī)r、趙圩組石灰?guī)r、倪園組白云巖、九頂山組石灰?guī)r。

1.3 場地地質構造

本標段場區(qū)大部分屬賈汪復式向斜東側翼部邊緣。本工程內發(fā)育有次級斷裂F60邵樓斷裂，該斷裂從線路右線AK35+640里程附近穿過(D6C5Q14Z42孔揭示)，上覆第四系覆蓋層約8.4 m，屬隱伏式斷裂，斷層寬度為10 m～20 m，斷層破碎帶巖石破碎，巖溶發(fā)育，局部呈砂土狀、土狀，對場地穩(wěn)定性影響較大，該斷層非活動性斷層(圖2)。

圖2 場地地質構造圖Fig.2 Geological structure map of the site

2 地球物理參數(shù)特征

根據經驗統(tǒng)計和反演結果分析得出巖土體的反演電阻率值(表1)。由表1可知，不同巖土性之間，巖土體、破碎～較破碎、較完整巖體與破碎帶以及破碎、軟弱或含水巖體之間存在一定的電性差異，因此本工程具備開展高密電法和瞬變電磁法的地球物理勘探前提條件。

表1 物性參數(shù)統(tǒng)計表

圖3 鉆探孔及物探線平面布置圖Fig.3 Simplified ecological map showing borcholes and geophysical survey lines(a)斷層測線布置圖;(b)巖溶區(qū)測線布置圖

圖4 電阻率反演圖Fig.4 Resistivity inversion map

3 方法原理

3.1 高密度電法勘探

高密度電法是一種陣列式電阻率測量方法，它以導電性為基礎，通過觀測分析電場分布變化的規(guī)律為解決地質問題提供依據，其基本原理與傳統(tǒng)的直流電阻率法相同。與常規(guī)電法相比，高密度電法具有抗干擾強、采集速度快、布設快等優(yōu)點。

3.2 瞬變電磁法

基于等值反磁通原理的瞬變電磁法,是一種新的探測地下純二次場的方法。該方法采用上下平行共軸的兩個相同線圈通以反向電流作為發(fā)射源，且在該雙線圈源合成的一次場零磁通平面上，測量對地中心耦合的純二次場。該方法能夠有效消除接收線圈本身的感應電動勢，從而獲得地下純二次場的響應。該方法采用的雙線圈源比傳統(tǒng)瞬變電磁法采用的單線圈源對地中心耦合場能量更集中，有利于減少旁側影響、提高探測的橫向分辨率。

4 成果分析和地質解釋

4.1 測線布置

根據工程實際條件，共布置物探測線3條，其中D1、D2為高密度電法測線和S1為瞬變電磁法，D2和S1測線位置相同，具體位置見圖3。

4.2 破碎帶探測成果解譯

根據高密度電法D1測線電阻率反演得出，其場地覆蓋層以填土和粉質黏土為主，電阻率值ρ=2 Ω·m ～40 Ω·m，全風化/強風化粉砂巖，電阻率值ρ= 40 Ω·m ～65 Ω·m，巖體破碎～較破碎，中風化粉砂巖，電阻率值ρ=68 Ω·m ～1 870 Ω·m，完整～較完整。結合已有鉆孔資料，覆蓋層厚度約為10 m～15 m，基巖面起伏總體較為平緩。圖4電阻率反演圖中橫坐標270 m～300 m位置出現(xiàn)明顯的低阻異常，推測為F60斷裂，傾角約50°～60°，走向WE向，斷距約30 m。

圖5 工程地質剖面圖Fig.5 Engineering geological section

圖6 高密度電法電阻率反演圖Fig.6 Resistivity inversion map of high density resistivity method

根據勘探孔的揭露情況(剖面圖見圖5)，采用高密度電法對斷裂破碎帶的探測結果顯示，其成果與勘探孔和調繪結果的吻合度較高。但是本次探測對巖溶的特性反演效果未能達到工程要求，鉆探揭露的溶洞因物性與破碎帶物性接近且靠近破碎帶，因此巖溶的電阻率反演未能準確顯示。

4.3 巖溶探測成果解譯

4.3.1 高密度電法

根據高密度電法D2測線電阻率反演結果得出，覆蓋層主要以填土和粉質黏土為主，電阻率值ρ=1 Ω·m～29 Ω·m；全風化、強風化灰?guī)r和頁巖互層，電阻率值ρ= 29 Ω·m ～215 Ω·m，巖體破碎～較破碎；中風化灰?guī)r，電阻率值ρ=215 Ω·m ～6 097 Ω·m，完整～較完整。結合已有的鉆孔資料，覆蓋層厚度約為16 m～23 m，基巖面起伏總體較為平緩。從反演剖面圖6中，橫向坐標為135 m～143 m、埋深高程為0 m～8 m和橫向坐標為220 m～232 m、埋深高程為-3 m～-7 m及橫向坐標為266 m～273 m、埋深高程為3 m～9 m出現(xiàn)明顯的低阻異常體，推測為溶洞。

圖7 瞬變電磁法電阻率反演斷面圖Fig.7 Transient electromagnetic resistivity inversion section

圖8 工程地質剖面圖Fig.8 Engineering geological profile of high speed railway parking lot

表2 鉆探驗證結果

4.3.2 瞬變電磁法

由圖7得出，圖中劃定9個異常區(qū)域，該區(qū)域高阻中出現(xiàn)明顯的低阻體且等值線封閉性好，電阻率值范圍不一，應與巖溶填充物有關。根據瞬變電磁法測線反演斷面圖，根據劃定異常區(qū)域的大小和電阻率等值線錯斷情況，推測該區(qū)域溶洞發(fā)育不規(guī)則，且溶洞大小不一，該區(qū)域巖溶發(fā)育中等。

4.3.3 探測成果對比驗證

根據《城市軌道交通規(guī)范》，本場地鉆孔間距40 m～100 m，局部受場地影響未能在測線上布置鉆孔，僅有鉆孔D6C5T2Z20、D6C5T2Z25(圖8)具備驗證條件。根據驗證結果，發(fā)現(xiàn)本工程高密度電法在巖溶探測中存在一定的缺失，巖溶深度較小時無法準確反演。高密度電法受裝置(溫納四極)影響，測線兩側反演深度不足。瞬變電磁法的反演結果與鉆探驗證孔結果吻合度相對較高，具體對比情況見表2。

5 結語

綜上所述，在城市軌道工程中高密度電法對探測破碎帶具有良好的效果，但探測巖溶發(fā)育情況存在一定的缺失?；诘戎捣创磐ㄔ淼乃沧冸姶欧ň哂懈玫姆直媛剩軌驈浹a高密度電法在探測巖溶時的不足。由于地質鉆孔空間上不連續(xù)，這決定了破碎帶和巖溶發(fā)育情況不能完全探測清楚，因此在實際工程中，應根據實際情況選擇切實可行的物探方法，也可綜合采用取長補短、對比驗證，提高物探探測的準確性，減少單一方法的局限性。