物探方法在寧波軌道交通厚層填土勘察中的應用

林乃山

(寧波市軌道交通集團有限公司，浙江 寧波 315106)

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物探方法在寧波軌道交通厚層填土勘察中的應用

林乃山

(寧波市軌道交通集團有限公司，浙江 寧波 315106)

寧波軌道交通工程為了探明厚層填土的分布情況及性質，解決因厚層填土而導致的工程變更及安全隱患問題，在4號線工程厚層填土勘察中，引入了微動探測法、瞬態瑞雷波法、地震散射波法、地震映像法4種物探方法進行對比研究，并通過鉆孔取芯驗證。實踐表明：兩種及以上物探方法組合應用可較好地探明厚層填土的底界和邊界，從探測效果和精度考量，優先選用的兩種物探方法為微動探測法和瞬態瑞雷波法，同時，該方法為后續寧波軌道交通工程厚層填土勘察提供了可靠的解決方案，并可為其他類似工程勘察提供借鑒。

物探方法；地質；厚層填土；勘探

1　概　述

厚層填土主要因原有河、塘及低洼地段由于各種原因(如城市道路建設等人類活動)被填埋或填高而形成的，工程中稱其為特殊性巖土。寧波城市位于我國東部沿海地區，水系發達，河網密布，隨著城市建設的發展，大量的河、塘或低洼地段被人類活動填埋或填高，形成了分布無規律及厚度不一的厚填土區。2008年8月，寧波市軌道交通發展規劃獲國家審批，成為全國第二批首個獲批城市。在寧波軌道交通第一輪和第二輪的幾條線路地下車站建設過程中，由于勘察期間未探明厚層填土分布情況及性質而導致的工程變更及安全隱患問題，一直困擾著巖土工程勘察工程師們。因此，勘察期間探明厚層填土的分布情況及性質顯得十分必要。

厚層填土勘察方法較多，具體應根據填土性質確定，對于由細粒土(如粉土或黏性土等)組成且成分較均勻的填土可采用鉆探取樣、輕型鉆具與螺紋鉆等原位測試相結合的方法；對于含較多粗顆粒(粒徑小于0.2 m)成分的填土，一般宜采用動力觸探、鉆探取芯及探坑或探井方法[1]，但對于成分雜且含有較多碎石、塊石的厚層填土，采用單一的勘察方法將無法查清厚層填土的分布情況及性質。本文基于填土與基底或周邊土存在明顯的物性差異，引入了4種探查厚層填土的物探方法進行比對研究。

2　厚層填土物性特征

2.1物性參數

根據填土性質，寧波地區厚層填土可分為雜填土、素填土、浜填土和浜泥。決定地下介質物性參數的主要因素為巖土體、回填物成分、結構、孔隙度、組成形式以及空隙中流體的物理性質和飽和度等[2]。在前人工作成果基礎上，對寧波市軌道交通2號線、4號線、寧波至奉化城際鐵路工程鉆孔波速和電阻率測試成果進行分類統計和整理，以及對本次探查相關的目標物、巖土體等主要介質的物性特征進行描述，見表1。

表1　主要介質物性參數統計表

由表1可見，厚層填土回填物與周邊或基底粉質黏土、淤泥質黏土存在較為明顯的物性差異，這些差異為利用物探技術進行厚層填土探查提供了地球物理前提。

2.2厚層填土模型建立及異常特征

根據寧波市區水系發育特點及地層分布情況，一般厚層填土斷面呈“碗”狀，其模型示意圖見圖1。

圖1　厚層填土模型示意圖

根據前人工作經驗，結合寧波地區巖土體物性參數，依據填土的密實程度不同，填土較之周邊或基底淤泥質黏土、粉質黏土等土性，具有明顯的地震波速度、電磁波速度和電阻率差異，其異常特征描述見表2。

表2　厚層填土在各方法中的異常特征表

3　物探方法及應用實例

3.1探測方法及原理

3.1.1微動探測法

微動探測法是以(視)S波速度差異來劃分地層巖性和地質構造，并根據其數值大小以及展布形態來判斷地下地質體空間分布的物探方法[3]。微動探測視勘探目的不同，分為單點微動探測(測深)和二維微動剖面探測。

本次研究工作采用MTKV-1C型微動勘察儀系統進行微動數據采集，該系統由2 Hz拾震儀(速度型、垂直分量)和Datamark LS-8800型記錄儀兩部分組成，各觀測點的數據獨立采集，測點之間的同步和時間校正通過接收GPS衛星信號自動實現，微動數據的采樣率為100 Hz。

3.1.2瞬態瑞雷波法

瞬態瑞雷波法是利用人工瞬態震源激發產生多種頻率成分的瑞雷波，由于近地表介質的不均勻性導致瑞雷波產生頻散，通過地震記錄得到的瑞雷波信息來計算出瑞雷波波速隨頻率的變化關系，最終確定瑞雷波波速在地下空間的分布特征,以了解淺層工程地質分層和速度分布的地震勘查方法[3]。

3.1.3地震映像法

地震映像法即為高密度地震映像，是基于反射波法中的最佳偏移距技術發展起來的一種淺層地震勘探方法。

為節約資源，將同桌兩人分為一組，分發一份實物樣品，樣品量以夠用為度，樣品種類盡量滿足常用需求。以班級為單位購買塑料封口袋，學期初組織課代表和班干部統一發放中藥樣品，學生自行裝袋，建立口袋標本。

在開展工作時，每次激發，在接收點采用單個檢波器接收，儀器記錄后，激發點和接收點同時向前移動一定距離，記錄點位于激發和接收距離的中點，反映中點兩側射線傳播范圍內地下的巖層、巖性的變化，重復上述過程可獲得測線上的一條或多條地震映像時間剖面。

地震映像法試驗所使用儀器為NZXP地震儀，檢波器為CDJ-Z38型以及CDJ-Z100型檢波器。

3.1.4地震散射波法

地震散射波法即利用地表激震所獲取的地層波速之間的差異來判斷地下地質體空間分布的物探方法。地震散射波法的探測設備為SSP地震散射系統，該系統由RDscan采集主機，拖曳式檢波器串、震源及實時處理軟件和后處理軟件組成。

3.2應用實例

3.2.1試驗區選擇

通過新舊地形圖比對、調查及前期勘察資料，以及考慮不同環境影響因素、不同位置、不同表層介質差異，本次研究共選擇了4號線工程公交錦江年華站、柏樹花園、柳西新村站及三支街4個試驗區作為物探探測方法的對比研究對象，并在干擾強度不同的試驗區開展各種物探方法試驗，其主要目的是通過試驗取得對厚層填土探測有效的且精度可靠的技術參數。本文選干擾強度較小的公交錦江年華站為例進行介紹。

3.2.2方法及試驗成果

公交錦江年華站試驗區(圖2)位于寧波軌道交通4號線里程AK14+500附近，根據新舊地形圖比對、現場調查及已有鉆孔資料，公交錦江年華站及附件分布有一大片厚層填土區，該區域原來為養殖池塘，后被碎石土、建筑垃圾等填埋。本次試驗引用了

4號線工程Q9CZ6、Q9CZ7號孔兩個鉆孔資料，具體淺部巖性分層見表3，同時，通過現場踏勘，本區布置了三條測線，分別為1線、2線、3線，每條長度均為60 m，投入的探測方法有地震映像法、瞬態瑞雷波法、地震散射波法、微動探測法，試驗方法及工作量表見表4。

圖2　公交錦江年華站工作布置圖

孔號孔位(1)孔位(2)巖性層厚/mQ9CZ6AK14+465、左8m1線22.5m附近雜填土0～3.0粉質黏土 3.0～4.7淤泥質黏土 4.7～18.7Q9CZ7AK14+576、左17m3線19.5m附近雜填土 0～3.1淤泥質粉質黏土 3.1～5.1粉質黏土 5.1～6.0淤泥質黏土 6.0～14.5

表4　公交錦江年華站試驗區試驗方法及工作量

3.2.2.1地震映像探查成果

對試驗區分別進行了噪音調查試驗、偏移距試驗、檢波器試驗、點距試驗及探查效果分析，探查結果表明：點距為0.5 m和1 m同相軸趨勢一致，整體形態沒有太大變化，異常明顯，基本能反應出整個厚層填土的邊界位置，但在細部異常位置確定上，1 m點距沒有0.5 m點距精確。

3.2.2.2瞬態瑞雷波探查成果

對試驗區分別進行了噪音調查試驗、點距試驗、單炮接地條件試驗，通過上述試驗分析得到：(1)瞬態瑞雷波勘探方法可以有效地探明厚層填土底邊界位置；(2)采用2 m點距比采用4 m點距所采集的數據解釋異常效果明顯，界面更加清晰；(3)2線中瞬態瑞雷波法異常結果與地震映像相差較大，可能為表層介質為松散碎石引起。

3.2.2.3微動探測法

3線微動探測法的探測效果見圖3。

圖3　3線微動探測視S波速度剖面圖

3.2.2.4地震散射波法

3線地震散射波法的探測效果見圖4。

圖4　3線地震散射地層波速圖

3.2.2.53線探查效果對比

本測線鉆孔Q9CZ7揭露雜填土底界埋深為3.1 m，調查邊界位置為30/3。方法試驗結果與鉆孔資料比對見表5。

3.2.2.6探查成果

通過在寧波軌道交通4號線工程公交錦江年華站采用多種物探方法對3條測線進行不同試驗，并使物探方法試驗取得的成果與已知鉆孔資料進行比對，結果表明：

表5　厚層填土探查效果對比一覽表

1)運用綜合物探方法能探測厚層填土的邊界和底界；瞬態瑞雷波法、微動探測法探查效果最佳，其次為地震映像法和地震散射波法；縱向分辨率以瞬態瑞雷波法、微動探測法較好，其次為地震映像法和地震散射波法；橫向分辨率以地震映像法效果最佳，其次為微動探測法；方法組合以瞬態瑞雷波法、地震映像法和微動探測法組合最佳。

2)通過與鉆孔資料比對，可以得出：瞬態瑞雷波法探測埋深精度最高，誤差為0.2 m；其次為微動探測法，誤差為0.4 m；之后為地震映像法，誤差為0.7～1.1 m。

3)通過試驗，得出各種物探方法在本試驗區呈現出局限性。

①微動探測法，根據本場地厚層填土埋深在地下3 m，探測深度達到10～20 m，臺陣最大半徑為5 m進行布置，3線布置工作尚可，1線、2線因場地不平整微動探測法受限制。

②瞬態瑞雷波法，在表層介質為碎石時，檢波器與地面耦合差，能量損失嚴重，導致數據采集質量差。

③地震映像法，解釋時主要采用波形、振幅、相位、頻率等顯示特征來判斷目標體，縱向分辨率較低，探測目標體埋深誤差較大；如探查目標物尺寸小、埋深較大、與周圍介質波阻抗差別小時，該方法不宜使用[4]。

④地震散射波法，淺部(5 m以內)信息量較少，可作定性解釋，增大了對厚層填土底界、邊界判斷的難度。

3.3進一步探查與驗證

為了進一步驗證上述4種方法探查的有效性及精度，選擇寧波軌道交通4號線兒童公園站—寧波東站區間、潘火站兩個未知區域開展了試驗，下面以潘火站為例進行介紹。

3.3.1工程概況及測線布置

該試驗區位于寧橫路上，嵩江東路路口，寧波軌道交通4號線潘火站附近，根據調查及訪問，該處原為周東江一個支流，后因建筑需要被填埋，初步推測厚層填土寬約13 m，厚度不詳。為了探查厚層填土的分布情況及進一步驗證各種物探方法的有效性及精度，對該區域開展了綜合物探試驗，并用鉆孔對物探成果進行驗證。在試驗區布置測線兩條，分布為C線、D線，長度均為60 m，物探測線布置位置圖見圖5，主要方法及工作量見表6。

圖5　(潘火站)物探測線布置位置圖

物探方法測線號及測線長度/m地震映像法C線(60)、D線(60)瞬態瑞雷波法C線(60)、D線(60)地震散射波法C線(60)、D線(60)微動探測法D線(60)

3.3.2綜合物探解析

C線探查成果：推斷橫向邊界以地震映像法為準，縱向深度以瞬態瑞雷波法為準，并結合微動探測法資料對其綜合推測，最后推測潘火站場地內可能存在厚層填土，其寬度約為23 m(21/C～44/C段)，深度最深約為5 m，位于點29/C附近。

D線探查成果：推斷橫向邊界以地震映像為準，縱向深度以微動探測法和瞬態瑞雷波法為準，并結合地震散射波法資料對其綜合推測，最后推測潘火站場地內可能存在厚層填土，其寬度約為40 m(21/D～48/D段)，深度最深約為6.3 m，位于點38/D附近。

3.3.3鉆孔驗證

在D線布設了3個鉆孔對物探成果進行進一步驗證，鉆孔編號及巖性分層表見表7，其中YZK1位于點28.5/D位置，主要為驗證D線中間位置探測厚層填土底界位置，YZK2和YZK3分別位于點3/D和55/D兩處，主要為控制兩側厚層填土邊界。

表7　鉆孔編號及巖性分層表　m

其中鉆孔YZK1揭露填土底界埋深為3.5 m，填土成分以碎石、塊石混黏性土為主。下面將各物探方法探測結果與鉆孔資料進行比對，見表8。

表8　厚層填土探查效果對比一覽表

3.3.4探查與驗證成果

通過試驗探查及鉆孔驗證，結果表明：綜合物探方法探查結果與鉆孔驗證結果吻合度較好，探查精度能滿足設計要求，也證實了應用綜合物探方法探查寧波地區厚層填土是有效的，該方法可推廣應用到其他有厚層填土存在的地區。

4　結　語

1)實踐表明，兩種及以上物探方法組合應用可較好地探明厚層填土的底界和邊界，該方法為后續寧波軌道交通工程厚層填土勘察提供了可靠的解決方案，并可以在其他類似工程勘察工作中加以推廣和應用。

2)瞬態瑞雷波法和微動探測法對探查厚層填土邊界和底界的效果最佳，其次為地震映像法和地震散射波法。

3)應用鉆孔比對及驗證，結果表明：瞬態瑞雷波法探測埋深精度最高，誤差為0.2 m；其次為微動探測法，誤差為0.4 m；之后為地震映像法，誤差為0.7～1.1 m。

4)試驗發現：各種物探方法均具有局限性，比如微動探測法對場地平整度有一定要求，以及地震散射波法試驗成果中，淺部(5 m以內)信息量較少等。

[1]建設部綜合勘察研究設計院.GB 50021—2001巖土工程勘察規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[2]單娜琳,程志平,劉云禎.工程地震勘探[M].北京:冶金工業出版社,2006.

[3]徐明才,高景華.城市地震勘探[M].北京:地質出版社,2011.

[4]姜賢斌.地震映像在工程探測中的野外工作方法試驗及應用[J].物探化探計算技術,2009，31(2)：94-95.

Application of the Geophysical Prospecting Method in theThick-Layer Bankette Prospecting of Rail Transit in Ning bo

LIN Naishan

2016-03-02

林乃山(1978—)，男，浙江平陽人，高級工程師，從事城市軌道交通巖土工程勘察管理與研究工作。

TU195+.2

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1008-3707(2016)06-0021-05