物探在城市軌道交通勘察中的應用及發展

潘瑞林

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

The Application and Development of the Geophysical Exploration in the Urban Rail Transit Geotechnical Investigation

PAN Ruilin

物探在城市軌道交通勘察中的應用及發展

潘瑞林

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

The Application and Development of the Geophysical Exploration in the Urban Rail Transit Geotechnical Investigation

PAN Ruilin

摘要以近幾年的工程實例，介紹物探在城市軌道交通勘察中的主要應用，結合城市軌道交通巖土工程勘察的目的與任務，討論物探的發展和待解決的主要技術問題。

關鍵詞物探城市軌道交通勘察測試

隨著各城市大力發展城市軌道交通，城市軌道交通勘察中遇到和需要勘探的地質問題呈現出多樣性和復雜性的新特點，物探在城市軌道交通勘察中的應用也逐漸增多。以近幾年的工程實例，介紹物探在城市軌道交通勘察中的主要應用，結合城市軌道交通巖土工程勘察的目的與任務，討論物探的發展和待解決的主要技術問題。

1探測斷層構造

某地鐵初勘階段，據地質資料有一條區域性隱伏斷層與線路相交，需準確查明斷層位置、斷層帶寬度及延伸。該段線路處于城郊區，丘間谷地地貌，地形起伏不大，地表大部分區域為荒地，無建筑物。上部地層為第四系粉質黏土，厚約5～7 m，下伏基巖為白堊系下統-侏羅系上統砂巖、泥巖，地下水埋深約2～3 m。采用高密度電法進行探測(成果如圖1)，斷層低阻帶異常明顯，物探效果較好。

圖1　高密度電法探測成果

2探測采空區、洞穴不良地質

2.1　探測采空區

某擬建城市軌道交通線路在AK17+500.00～AK19+900.00段穿越采空區。該區位于城郊結合部礦區，地面為城市道路，道路兩側設有綠化帶，北側沿道路有架空線路。區內地層主要為第四系黏性土(厚度約10～30 m左右)、二疊系砂巖含煤層、石炭系灰巖、奧陶系灰巖?？刹擅簩?3～19層，總厚度25～36 m。巖層總體走向為N20°～40°W，傾向NE，地層平均傾角23°。區段內斷層較發育，約4～6條，以逆斷層為主。地下水位較淺，埋深約3～5 m。采空區由多個礦井于上世紀五六十年代開始開采形成，埋深約50～600 m，向東呈傾斜狀，至今線路附近少量煤礦仍在開采，僅局部煤層未開采。通過資料收集和現場調查，初步掌握了采空區的平面及深度范圍。需采用物探方法進一步核查采空區范圍及特征。

根據探測目的，結合地球物理條件，采用可控源音頻大地電磁法(CSAMT)進行勘探。沿線路在道路兩側綠化帶中布置2條測線，采用加拿大Phoenix公司生產的V8多功能電法儀。

①發射源設置：接地供電偶極距AB選擇1.1 km左右向地下供電，AB方向誤差小于2°，供電電極A、B兩端使用鋁板，組合電極方式布極，入地深度0.5 m～1.0 m，澆灌鹽水，保持接地條件良好，本次探測供電電流為5.5～16 A之間。

圖2　CSAMT探測成果

②觀測裝置：布極方式為赤道偶極裝置，采用CSAMT方法的標量測量方式，測量電場分量的電極MN平行于供電電極AB，水平磁場垂直于場源布設。AB和MN間的距離(收發距)為5.5～6.0 km，測點距25 m和50 m。接收采集頻率1.67～9 600 Hz，共39個頻點。1測線物探成果見圖2。

通過探測得到的主要結果為：①第四系覆蓋層(黏性土)厚度約10～30 m左右；②探測范圍內均存在采空區，采空區及影響帶(冒落帶、裂隙帶)頂板埋深約30～500 m，采空區底板埋深約110～800 m，向東傾，傾角21°左右，采空區及影響帶(冒落帶、裂隙帶)垂向厚度約300 m；③測線1里程AK19+050～AK19+080段有一處未采區，寬度約30 m；里程K19+205～K19+805段淺部存在采空塌陷區；④探測范圍內斷層較發育，共發育5條斷層破碎帶(F13-5、F13-6、f、F16-2、F17)。物探結果進一步印證了采空區的范圍及特征，為線路方案研究提供了較為可靠的資料。

2.2　探測土洞

某擬建城市軌道交通車站附近，初勘階段鉆探揭露了一處土洞(深度15.0～22.0 m)，土洞內充水、少量粉土，粉土松散、飽和。該土洞西側為一居民集中供水站，站內地下水抽水井距土洞處僅40 m，抽水井深300 m，井徑300 mm，地下水年開采量約110 000～120 000 m3。該場地處于城郊區，地形開闊平坦，地表多為土路、耕地，局部為供水站建筑。地表30 m深度范圍內地層為：上部人工填土層、粉質黏土和黏質粉土，厚度約15.0 m；中部為中密粉細砂，厚度約2.4 m；下部為黏質粉土夾粉質黏土透鏡體，厚度大于12.0 m；底部地層為密實粉細砂，厚度約3.0 m。場區地下水埋深約2.0 m。詳勘階段，為查明土洞分布范圍，主要土洞位置、埋深，采用地震反射法進行探測。

在推測土洞發育范圍布置網格測線，測線間距20～30 m，垂直線路方向布設6條，平行線路方向布設6條，共12條測線，剖面總長度1 606 m，測線覆蓋推測的土洞發育區及無土洞區域。地質反射法采用單邊激發6次迭加、24道接收、60 Hz縱波檢波器接收，道間距2.0 m，CDP點距1 m，炮間距4 m，偏移距4.0 m，采樣率為0.5 ms，采樣長度為2 048，敲擊激發，50 Hz陷波濾波。為保證數據的信噪比，采用了3～4次垂直迭加。圖3是跨已知土洞的DZ9測線地震迭加剖面，其中，距離93 m附近、深度約15～22 m的異常D1為鉆孔已揭露的土洞。

結合場地的地質條件，中部的中密粉細砂層頂面為較強的穩定連續反射層T1(反射時間60～70 ms，相應的深度約為13～15 m)，若存在土洞，則在淺層地震反射剖面圖上，反射層T1的反射波同相軸錯斷、消失、不連續、雜亂或出現雙曲線繞射波。據此解釋原則，共提出需要進一步在7處位置進行鉆探探測(如圖3，DZ9測線在距離79 m附近、深度約15～20 m處D2異常同相軸錯斷不連續，需要進一步在該處進行鉆探探測)。布置7孔鉆探，均沒有揭露存在土洞，得出勘探結論：該車站發育的土洞，僅局部個別存在(最初分析土洞形成可能與供水站抽取地下水有關，土洞可能很發育、分布范圍也較大)，土洞對主體結構影響較小，但對車站附屬結構出入口有影響，需采取處理措施進行處理。該實例中物探雖然沒有再發現新的土洞，但通過物探指導鉆探，快速、經濟、有效地查清了場地的土洞發育情況。

圖3　DZ9測線地震迭加剖面及推測解釋

3巖土及環境參數測試

3.1　波速測試

測試車站、區間、車輛段、停車場等場地巖土層縱橫波速，可采用單孔法、地面敲擊激發、井中三分量檢波器接收，測定巖土層縱波波速(Vp)和橫波波速(Vs)。

根據實測土層橫波波速，按《城市軌道交通結構抗震設計規范》(GB50909—2014)計算土層等效剪切波速Vse，評定建筑場地類別。

此外，根據實測巖土層縱橫波波速，可按下式計算巖土層動泊松比μd、動彈模Ed、動剪切模量Gd。

(1)

(2)

(3)

式中，ρ為巖土層質量密度/(g/cm3)。

某地鐵車站縱橫波速測試及計算結果見表1。按《城市軌道交通結構抗震設計規范》(GB50909—2014)，該場地覆蓋層厚度大于50 m，土層等效剪切波速Vse為162.1～191.7 m/s，平均值為173.4 m/s，評定該場地類別為Ⅲ類。

表1　地鐵某車站波速測試及計算結果

注：土層質量密度為室內土工試驗結果數據；動彈性模量Ed(MPa) 建議值為計算值乘以0.6～1.0的折減系數。

3.2　巖土電阻率測試

測試車站、變電所、停車場等場地各巖土層的電阻率：車站一般要求測試深度至結構底板下10 m，變電所、停車場一般要求測試深度為地面下10 m。

如果用于電氣設備的接地設計，應提出各土層電阻率，可采用直流電測深法、溫納測深裝置在地面測試。最小AB/2宜為0.6 m，最大AB/2應滿足測試深度要求，當電阻率平均值大于1 000 Ω·m時，應加大測區范圍和探測深度。為取得各層巖土的電阻率，需要對電測深曲線進行定量解釋，定量解釋時地層結構和各層厚度應結合鉆孔資料分層，給出測試深度范圍內的各層電阻率值。各巖土層的電阻率應采用多個測點的平均電阻率值。

如果只用于土對鋼結構的腐蝕性評價，應提出地下水位以上鋼結構深度范圍土層的視電阻率?？刹捎弥绷麟姕y深法、溫納測深裝置(最小AB/2宜為0.6 m，最大AB/2應滿足測試深度要求)在地面測試或采用在鉆孔中的普通電阻率測井法進行測試。因只需要視電阻率，可不進行定量解釋，視電阻率應采用鋼結構深度范圍各測點的平均視電阻率值。

采用直流電測深法、溫納測深裝置在地面測試是一般常規方法。但軌道交通勘察往往受地表場地條件限制，地表測試一般均有困難。此時，應利用鉆孔進行測試。實際工作中，直接采用普通電阻率測井法的測試結果(視電阻率)作為地層電阻率是一種近似，而在鉆孔中測試巖土層的電阻率可采用橫向電阻率測井或三側向電阻率測井。橫向電阻率測井就是采用一套探測深度不同(即電極距不同)的電極系，在同一鉆孔的各地層段進行視電阻率測量，在雙對數坐標紙上作出視電阻率與電極距的關系曲線(稱為電探曲線)，將每一層的電探曲線與條件相當的橫向電阻率測井理論圖版進行對比，求出各層的電阻率。三側向電阻率測井是通過深、淺三側向進行組合測井，利用組合圖版求得地層電阻率。采用橫向電阻率測井或三側向電阻率測井測試巖土層電阻率目前應用還較少，有待今后試驗應用。

3.3　大地導電率測試

測試地面線路段、車輛段、停車場等大地導電率，主要用于通訊和電氣化線路的抗干擾設計。宜采用直流電測深法、溫納測深裝置。最大AB/2應達到50 Hz電流的影響深度，并大于電測深曲線與解釋曲線交點所對應的裝置長度，一般最大AB/2宜大于等于750 m或連續3個測點在45°直線上。根據現場地形條件和地層條件，也可只測與解釋曲線交點附近3～4個電極距的視電阻率?？刹捎貌榻忉屒€的方法或查拉德列曲線的方法解釋，列表計算給出50 Hz和800 Hz頻率的大地導電率，并注明工點名稱、測點里程位置、測區地層巖性等。表2是某地鐵地面線段的測試結果。

表2　大地電導率測量結果表

3.4　地溫測試

測試地下車站、區間的地溫，測試深度至隧底一倍洞徑，可在鉆孔中進行溫度測井，通過測量鉆孔水溫近似代替土體溫度。圖4是某地鐵車站地溫測試結果曲線，測試時地面溫度為-10 ℃，受其影響，孔口為冰水混合物。隨著深度的增加，0～10 m內溫度慢慢變高，為變溫層；從10 m開始向下，地溫基本無變化，為相對恒溫層，恒溫溫度為10.7 ℃。

圖4　地溫測井成果曲線

圖5　放射性測井成果曲線

3.5　放射性測試

測試地下車站、區間的放射性，評價放射性物質濃度是否符合國家有關強制性防護標準的規定，可在鉆孔中進行自然γ測井，實測環境γ輻射空氣吸收劑量率，采用《鐵路工程不良地質勘察規程》(TB10027—2012)公式計算環境γ輻射照射對居民產生的年有效劑量當量，按《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》(GB18871—2002)和《鐵路工程不良地質勘察規程》(TB10027—2012)評價放射性物質濃度是否符合國家有關強制性防護標準。

環境γ輻射照射對居民產生的年有效劑量當量可用下式進行估算

(4)

式中：He為年有效劑量當量(nSv)；Dγ為實測環境γ輻射空氣吸收劑量率(nGy/h)；K為有效劑量當量率與空氣吸收劑量率比值( 0.7Sv/Gy)；T為環境中停留時間(h)。

圖5是某地鐵車站放射性測井成果曲線，實測該鉆孔內無異常，γ輻射處于正常水平，實測平均吸收劑量率為90.85nGy/h，與當地城市環境γ輻射吸收劑量率(室內108.77nGy/h，室外99.20nGy/h)相比較，略低于室內、外平均水平。按公式(4)計算，該段地表下公眾人群人均年有效劑量當量為0.645 mSv(公眾人群按每天乘地鐵時間4.8 h計算，其余時間居室內計算)，該車站內職業工作人員人均年有效劑量當量為0.630 mSv(職業工作人群按每天地鐵工作時間8.0 h計算，其余時間居室內計算)，均滿足《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》(GB18871—2002)規定的公眾人群年有效劑量當量不超過1 mSv的規定，按《鐵路工程不良地質勘察規程》(TB10027—2012)該區為非限制區放射場所。

4地下管線探測

金屬管道、電力電纜、電信電纜和照明電纜比較成熟、效果較好，但非金屬管道探測效果往往不太理想?？筛鶕龅貤l件和管道具體情況，采用多種物探方法進行綜合探測。

5今后發展和待解決的主要技術問題

物探在城市軌道交通勘察中探測構造(斷層、破碎帶)、探測不良地質(采空區、巖溶、坑洞等)、測試巖土和環境參數等方面取得了較好效果，在探測隱伏斷層、巖溶洞穴，測試剪切波速和探測地下管線等方面成為了主要手段，今后應進一步加大應用，發揮更大的作用。但是，從城市軌道交通巖土工程勘察的目的與任務中可以看到，城市軌道交通巖土工程勘察中大量勘察工作之一是詳細查明巖土層厚度及分布，勘探深度一般為地面下50 m以內。因此，探測和劃分地層厚度、分布是今后物探的主要發展方向之一。

探測和劃分第四系地層可采用的方法主要有：橫波反射法、縱波反射法、瑞雷面波法等。探測基巖埋深及風化層厚度可采用的方法主要有：瑞雷面波法、地震折射法(包括折射層析)、電測深法等。由于現有物探方法技術本身有一定的條件性，加之城市環境中受各種干擾較強和地表條件較差等不利影響，目前物探方法在地層劃分和定量精度兩方面一般還達不到勘察精度的要求。因此，研制適合城市地表條件，抗干擾強的儀器設備，提高物探地層劃分和定量精度，研究新的物探方法和技術是需要解決的主要問題。

參考文獻

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中圖分類號：P631； U231

文獻標識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)04-0027-05

作者簡介：潘瑞林(1962—)，男，1982年畢業于西南交通大學工程地質專業，工學碩士，高級工程師。

收稿日期：2015-01-07