綜合物探方法在地鐵隧道過山段勘察中的應(yīng)用

摘"要：隨著城市軌道交通的發(fā)展，城市山嶺隧道勘察已成巖土工程勘察中熱門課題之一。文章以南沙至珠海（中山）城際工程（萬頃沙—興中段）地鐵工程過山段勘察為例，選用微動探測法、高密度電法和土壤氡濃度測量法進行綜合探測，劃分了該區(qū)域巖土分界面，推斷出2條隱伏斷裂的位置及影響范圍。探測結(jié)果表明，微動探測法在山嶺地區(qū)干擾小的條件下，能夠采集到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，劃分巖土分界面和推斷斷裂的效果較好；高密度電法對于斷裂破碎帶較為敏感，但對于地層結(jié)構(gòu)劃分的能力較弱；土壤氡濃度測量能大致圈定斷裂的位置，但無法確定斷裂的影響深度和傾向。

關(guān)鍵詞：山嶺隧道；微動探測法；高密度電法；土壤氡濃度測量

Application of integrated geophysical prospecting methods in investigation of metro tunnel mountain-crossing sections

SUN Siliang

（Guangzhou Metro Design amp; Research Institute Co.， Ltd.， Guangzhou 510010， Guangdong， China）

Abstract： With the development of urban rail transit， the survey of urban mountain tunnels has become one of the hot topics in geotechnical engineering survey. This paper takes the survey of the mountain crossing section of Nansha to Zhuhai intercity subway project as an example. Three methods are selected for comprehensive detection including microtremor survey method， high-density electrical method， and soil radon measurement method. The rock soil interface in the area is divided and the locations and impact ranges of two hidden faults are inferred with good detection results. The research indicates that the microtremor survey method can obtain high-quality data in mountainous areas with minimal interference， and is effective in dividing rock soil interfaces and inferring faults. The high-density electrical method is more sensitive to fracture zones， but less ideal for classifying geological structures. The soil radon concentration measurement can roughly delineate the location of faults， but cannot determine the fault tendency and depth of influence.

Keywords： mountain tunnel; microtremor survey method; high-density electrical method; soil radon measurement

目前城市軌道交通工程逐步由城市中心走向近郊區(qū)，隨著城市山嶺隧道的不斷增多，巖土工程勘察越來越受到重點關(guān)注。在地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、地形起伏劇烈和隧道埋深大的區(qū)域，傳統(tǒng)單一的物探勘察方法各有優(yōu)劣，無法取得理想的探測效果，而綜合物探技術(shù)優(yōu)勢互補，可快速、高效獲取多源、多尺度的地下空間數(shù)據(jù)（Mohamed Metwaly et al.，2014；Martin et al.，2015；賴劉保等，2016；胡程亮，2022；王軍成等，2023；徐琳等，2023；劉衡秋，2016），已被廣泛地應(yīng)用到山嶺隧道勘察中。閆強剛等（2019）采用可控源電磁法、淺層折射波法、高密度電法和地質(zhì)雷達法對山嶺隧道進行工程勘察，為設(shè)計、施工的順利開展奠定基礎(chǔ)；李軍等（2009）利用高密度電法與高頻大地電磁法對湘桂鐵路石山嶺隧道進行探測研究，查明了斷層構(gòu)造的發(fā)育情況；袁偉等（2022）結(jié)合音頻大地電磁法、綜合測井法和高密度電法對鐵山坪隧道進行勘察，探測效果較好。每種物探方法都有其特定的適用范圍，綜合物探方法可以相互驗證，減少物探多解性，提高探測的準(zhǔn)確性，可以有效解決工程勘察中遇到的地質(zhì)難題。

本文以南沙至珠海（中山）城際工程（萬頃沙—興中段）里程段為WAK47+000 m—WAK47+540 m（明角山）的過山段巖土工程勘察為例，根據(jù)場地的環(huán)境條件和地球物理特征，選用微動勘探法、高密度電法、土壤氡濃度測量法3種物探方法對該區(qū)段隧道沿線進行勘察，綜合3種物探結(jié)果來確定覆蓋層的厚度、基巖面的起伏形態(tài)和埋深，圈定斷裂的位置和影響范圍，以驗證綜合3種物探方法在城市地鐵隧道過山段勘察中的有效性和適用性。

1 "測區(qū)地質(zhì)及地球物理特征

測區(qū)位于南沙至珠海（中山）城際工程（萬頃沙—興中段）里程段為WAK47+000 m——WAK47+540 m（明角山）的過山段，長度約為540 m，地面高程為5～72 m，該段設(shè)計隧道埋深為18～85 m。測區(qū)地貌單元為低山，地形起伏相對較小，局部為山間溝谷地貌單元，植被茂盛。

探測范圍在大地構(gòu)造上位于華南褶皺系（一級構(gòu)造單元），粵北、粵東北-粵中坳陷帶（二級構(gòu)造單元），粵中坳陷（三級構(gòu)造單元），增城-臺山隆斷束（四級構(gòu)造單元）的西南段，該區(qū)域整體上發(fā)育有3組斷裂，走向分別為NE向、近EW向和NW向，這些斷裂多形成于白堊紀(jì)的燕山運動，規(guī)模較大，見圖1。距本次測區(qū)最近的是五桂山北斷裂，該斷裂位于中山市張家邊、石岐、大涌西延至新會市睦洲，再往西可能伸展到臺山，長度超過50 km。

根據(jù)廣東省地質(zhì)調(diào)查院（2000）《1∶25萬中華人民共和國地質(zhì)圖（江門市幅）》可知，測區(qū)第四系主要由人工填土層和殘積層組成，基巖為早奧陶紀(jì)侵入的片麻狀細(xì)粒、細(xì)粒斑狀（含斑）黑云母二長花崗巖。根據(jù)收集到的資料，結(jié)合以往工作經(jīng)驗，歸納得到測區(qū)巖土層的物理特性參數(shù)（表1）。

在地質(zhì)解釋中，通常將中風(fēng)化巖層上界面定義為巖土分界面。從表1可明顯得到覆蓋土層與下伏基巖之間和斷裂破碎巖與中風(fēng)化基巖之間存在明顯的橫波波速和電阻率差異。因此，根據(jù)這些物性差異可區(qū)分巖土層分界面和圈定斷裂破碎帶。

2 "方法原理

2.1 "微動探測法

微動探測法是以平穩(wěn)隨機過程理論為基礎(chǔ)（Aki，1957），采用數(shù)據(jù)處理技術(shù)從地表的微動信號中提取瑞雷波相速度頻散曲線（楊振濤等，2019；Capon，1970；Ling et al.，1993），經(jīng)過反演以獲取地下介質(zhì)的橫波速度結(jié)構(gòu)的一種地球物理探測方法。

獲取面波頻散曲線后，用式（1）計算視S波速度V_x（Xu Peifen et al.，"2013），可將相速度頻散曲線（V_"r"－f曲線）轉(zhuǎn)換成視S波速度V_x隨深度的變化曲線（V_x－H曲線），再通過插值、光滑計算，最終得到視S波速度彩色剖面。

（1）

式中，V_r為瑞雷波速度，t _i為周期。

視S波速度V_x為既不同于相速度（V_r）也不同于S波速度（V_s）的面波物性參數(shù)，具有速度量綱。由于避免了反演過程中設(shè)置初始模型、選取反演結(jié)果等人為因素的影響，微動剖面結(jié)果能更客觀、直觀地反映地層巖性及構(gòu)造變化。

2.2 "高密度電法

高密度電法以巖、土導(dǎo)電性的差異為理論基礎(chǔ)，地下電場的分布規(guī)律與地下巖土介質(zhì)的電阻率分布密切相關(guān)，采用電極向地下供電形成人工電場，通過測量這種人工電場即可得到地下介質(zhì)的視電阻率分布規(guī)律，并推斷出地層巖性與地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

2.3 "土壤氡濃度測量

土壤氡濃度測量是指通過測量氡及其衰變子體產(chǎn)生的粒子的數(shù)量來圈定斷裂發(fā)育范圍的一種放射性方法（陳希泉等，2011；馮軍等，2011；李巧靈等，2024）。由于含有放射性元素的地下水從深部以地質(zhì)構(gòu)造為通道向地表運動，或者放射性氣體沿斷裂和裂隙向地表擴散遷移，從而在斷裂帶附近地表土壤中相對富集，斷裂破碎帶往往成為地下水或氣體運移的良好通道和儲存場所（劉偉等，2021）。放射性氣體主要為氡氣及其子體，都能逸散，其中以氡的半衰期最長，因此在地質(zhì)構(gòu)造及不同巖層的接觸帶上土壤中形成放射性（氡）的異常。斷裂帶中的氡氣向上遷移，常常會在上方土壤中形成線狀氡氣異常，通過這種氡氣異常推斷斷裂的位置及大致范圍。

3 "數(shù)據(jù)采集及處理

3.1 "測線的布置及采集參數(shù)的選取

結(jié)合測區(qū)地形地貌及地鐵隧道工程埋深等情況，本次物探工作主要采用微動法、土壤氡濃度測量和高密度電法進行探測，沿兩隧道內(nèi)側(cè)中間線布置測線，微動法和土壤氡濃度測量法實施過程中測點布置相同，間距為20 m；高密度電法電極距為5 m。

1）微動探測法：采用深圳面元智能科技有限公司的SmartSolo IGU-16HR 3C型三分量智能地震傳感器進行微動數(shù)據(jù)采集。探測點距20 m，異常段適當(dāng)加密。數(shù)據(jù)采集觀測方式采用直線型臺陣，臺陣半徑為30 m，臺陣中地震傳感器的個數(shù)為13個，間距為5 m，臺陣記錄時間為20 min。微動探測法數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場工作照見圖2。

2）高密度電法：采用測控主機為中地裝（重慶）地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的DUK-4高密度電法測量系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集；采用溫納α排列和單極-偶極排列（AMN排列和MNB）進行探測，電極距為5 m，93道電極測量，供電時間0.7 s，斷電時間0.3 s，記錄2個波形數(shù)據(jù)，單極-偶極裝置中MN的間隔為2。高密度電法數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場工作照見圖3。

3）土壤氡濃度測量法：采用HS-01測氡儀進行土壤氡濃度測量。探測點距20 m，異常段適當(dāng)加密。土壤氡濃度測量法數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場工作照見圖4。

3.2 "數(shù)據(jù)處理

1）微動數(shù)據(jù)處理方法：首先將原始數(shù)據(jù)按記錄時間進行切割，格式轉(zhuǎn)換成SG2，并導(dǎo)入驕佳面波軟件Surface plus；然后設(shè)置合適的參數(shù)計算頻譜，提取頻散曲線，將每個測點的頻散曲線通過公式（1）轉(zhuǎn)化為視V_s－深度關(guān)系；最后利用Surfer軟件將上述斷面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Surfer網(wǎng)格化文件，繪制成視橫波速度等值線剖面圖，進行成果解釋。數(shù)據(jù)處理流程見圖5。

2）高密度電法數(shù)據(jù)處理方法：野外采集完數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)傳輸，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Surfer格式和RES2DINV格式。利用Surfer制作探測斷面的電阻率擬斷面圖，并進行初步解譯，然后對RES2DINV格式數(shù)據(jù)進行處理，主要有剔除畸變點、平滑處理、地形校正等，再進行反演，得到視電阻率成果剖面圖。

3）氡氣數(shù)據(jù)處理方法：對采集到的氡氣數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，將氡氣異常下限值設(shè)為測區(qū)測量背景值的1.5倍，測區(qū)氡氣背景值為去掉樣本中的一個最大值和一個最小值之后得到的平均值。

4 "結(jié)果與分析

1）微動法探測結(jié)果

圖6為二維微動法探測結(jié)果圖（微動測線里程段為WAK47+010 m—WAK47+530 m）。根據(jù)測區(qū)地層視橫波速度特征，可將視橫波速度結(jié)構(gòu)剖面劃分為2個地質(zhì)界面：覆蓋層（土層及強全風(fēng)化花崗巖地層）和基巖層（中微風(fēng)化花崗巖層）。根據(jù)表1測區(qū)巖土層物理特性參數(shù)表，將視橫波速度600 m·s^-1的界面定義為測區(qū)巖土分界面，視橫波速度在200～600 m·s^-1的地層為土層及強全風(fēng)化花崗巖，視橫波速度在600～2 000 m·s^-1的地層為中微風(fēng)化花崗巖。從微動成果剖面圖可以發(fā)現(xiàn)：①里程段WAK47+010 m—WAK47+444 m覆蓋層的平均厚度約為16 m，橫向分布均勻；里程段WAK47+444 m—WAK47+520 m，由于中微風(fēng)化巖石出露地面，視橫波速度整體表現(xiàn)為高速，無覆蓋層。②里程段WAK47+189 m—WAK47+248 m（微動點WD010—WD013）存在1個向下貫穿低速異常區(qū)（編號1-1），與前后兩側(cè)的視橫波速度存在明顯的差異，速度值為430～780"m·s^-1，影響深度約65 m，影響深度和范圍較廣，設(shè)計隧道穿過該異常區(qū)。③里程段WAK47+270 m—WAK47+351 m（微動點WD015—WD018）存在1個低速異常帶（編號1-2），視橫波速度值為500～800 m·s^-1，影響深度約為18 m，影響范圍較小。初步推斷上述2個異常區(qū)為裂隙發(fā)育帶，巖石較為破碎。

2）土壤氡濃度探測結(jié)果

表2為明角山土壤氡濃度測量統(tǒng)計結(jié)果，該場地土壤氡濃度背景值為6 000 Bq·m^-3，異常閾值為8 000 Bq·m^-3，將氡氣濃度值大于8 000 Bq·m^-3的區(qū)域定義為氡氣異常段。

從圖7可以看到，測區(qū)內(nèi)存在2個氡氣異常區(qū)域為：WAK47+211 m—WAK47+371 m（微動點在WD011—WD014之間）和WAK47+312 m—WAK47+371 m（微動點在WD016—WD019之間）。氡氣異常峰值之間存在1"個低于異常閾值的極小值段，推斷可能是由于復(fù)雜的地表環(huán)境和斷層破碎帶的非均勻性等因素造成的。氡氣異常段的分布范圍和微動法的低速異常范圍存在重疊，推斷氡氣異常段為斷裂的氡氣響應(yīng)帶。

3）高密度電法探測結(jié)果

圖8為高密度電法探測結(jié)果圖（高密度電法測線里程段為WAK47+010 m—WAK47+425 m）。從圖8可見：①電阻率整體上表現(xiàn)為高阻，局部出現(xiàn)低阻異常。②電阻率在縱向上表現(xiàn)為自上而下先減小再增大，分層性較差，難以進行地質(zhì)分層，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因為：a）地表為殘＼坡積土、全風(fēng)化花崗巖，地下水位較深，所以淺地表電阻率值較高；b）受地下水位及強風(fēng)化花崗巖地層影響，電阻率逐漸降低；c）在向下進入中—微風(fēng)化花崗巖，電阻率逐漸增大。③從橫向上看，低阻異常區(qū)主要分布在50～100 m（里程段：WAK47+055 m—WAK47+105 m）、150～200 m（里程段：WAK47+155—WAK47+205）、230～270 m（里程段：WAK47+235 m—WAK47+275 m）、330～360 m（里程段：WAK47+335 m—WAK47+365 m），編號分別為2-1、2-2、2-3、2-4，異常區(qū)的電阻率值與周圍存在明顯差異。

4）綜合解譯結(jié)果

將微動法、土壤氡濃度測量和高密度電法探測結(jié)果進行綜合分析。在地層劃分方面，微動探測法可以劃分巖土分界面，確定覆蓋層的厚度和基巖面的起伏形態(tài)和埋深，而高密度電法難以劃分巖土分界面和確定覆蓋層的厚度，故地質(zhì)分層以微動為主。在斷裂構(gòu)造方面：低阻異常區(qū)（編號2-2、編號2-4）在平面位置上與微動成果低速異常區(qū)（編號1-1、編號2-2）和氡氣異常區(qū)位置重合，影響深度相符，推斷該區(qū)域受斷裂破碎帶影響，為斷裂帶，分別定名為F1和F2；低阻異常區(qū)（編號2-1、編號2-3）影響范圍和深度小，結(jié)合微動法和土壤氡濃度測量成果，推斷為裂隙發(fā)育帶。3種物探方法都能夠識別斷裂，確定斷裂的位置，但土壤氡濃度測量法無法確定斷裂的影響深度。

綜合解譯剖面圖如圖9所示。綜合解譯結(jié)果：測區(qū)覆蓋層平均厚度約16 m。區(qū)內(nèi)分布2條斷裂，斷裂F1影響深度約為60 m，影響寬度約為50 m；斷裂F2影響深度約為40 m，影響寬度約為40 m；走向都為北東向，傾向南偏東，設(shè)計隧道穿過2個斷裂帶區(qū)域，可能對隧道產(chǎn)生影響。

依據(jù)上述解釋成果和前人的研究成果（李廣才等，2023；易隆科，2022），全面總結(jié)了3種物探方法的適用范圍及其優(yōu)缺點，見表3。

5 "結(jié)論

1）采用微動勘探法、高密度電法、土壤氡濃度測量法3種物探方法對南沙至珠海（中山）城際工程（萬頃沙—興中段）地鐵工程過山段隧道沿線進行綜合探測。探測結(jié)果顯示，測區(qū)內(nèi)100 m以淺的地層主要分為2層，即殘積土、坡積土及強全風(fēng)化花崗巖的覆蓋層和中微風(fēng)化花崗巖的基巖層，測區(qū)覆蓋層平均厚度約16 m。

2）本次物探成果推斷測區(qū)存在2處斷裂。F1：位于WAK47+175 m—WAK47+225 m里程段，斷裂走向約北東向，傾向為南偏東，影響寬度約50 m；F2：位于WAK47+324 m—WAK47+364 m里程段，斷裂走向約北東向，傾向為南偏東，影響寬度約40 m。

3）微動探測法在山嶺地區(qū)干擾小的條件下，能夠獲取得到較高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，劃分巖土分界面和推斷斷裂的效果較好；高密度電法對于斷裂破碎帶較為敏感，但對于地層結(jié)構(gòu)劃分的能力較弱；土壤氡濃度測量能大致確定斷裂的位置，但無法確定斷裂影響深度、傾向等。

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