瞬態面波法在工程勘察地下障礙物探測中的應用

劉大祥

（上海市地質勘查技術研究院，上海 200072）

1 引言

工程勘察是建筑工程建設前期必不可缺的一個重要工作環節，而地下障礙物探測則是工程勘察任務中的一項重要組成部分[1-2]。在大面積鉆探前期，如何準確快速定位地下障礙物的位置及深度，為項目設計及施工安全提供可靠的基礎依據資料，則成了一個重要的難題。瞬態面波法作為近年來發展較快、應用較廣的一種淺層物探方法[3-7]，利用其散射特征和頻散效應可以確定地下障礙物的平面位置和深度范圍[8]。本文結合場地工程勘察實例進行瞬態面波法在地下障礙物探測中的適用性研究。

2 瞬態面波法原理及工作參數

2.1 原理

瞬態面波法勘探是利用瞬態沖擊力作震源激發面波，地表在脈沖荷載作用下，產生波動（圖1）。在離震源一定距離處，布置傳感器來記錄面波的垂直分量。對紀錄的面波信號作頻譜分析和處理，計算并繪制VR-λ頻散曲線，根據頻散曲線特征分析解決地質問題。

瞬態瑞雷面波法勘探在采集各頻段瑞雷波垂向分量的基礎上，通過波形可以判斷異常體的位置，經數據處理可得到地下各層介質的瑞雷波速度和對應的頻率，通過頻率--深度的轉換就得到了地層的瑞雷波速度剖面，而瑞雷面波速度與橫波速度比較接近，其實也就獲得了地層橫波速度剖面[9-11]。如地下介質有疏松脫空等現象存在，它們的橫波速度相對正常土層會表現出明顯的差別，在橫波速度剖面圖上就會出現局部的速度異常區域，由此通過速度剖面中的異常判斷地下異常區域。

2.2 探測儀器及參數選擇

實際工作采用美國Geode 智能數字地震儀和4.5Hz檢波器，震源為落球。選擇24 道展開排列，道距0.5m，偏移距4m 的采集觀測系統。采樣間隔：0.125ms；記錄長度：1000ms。面波法野外探測布置示意見圖2。數據處理采用Geogiga9.3 版本的面波處理系統，對面波信號進行編輯、頻譜分析、速度拾取、頻散曲線分析、反演等數據處理，通過面波剖面波形形態變化及速度曲線變化來確定地下障礙物情況。

圖2 瞬態面波法野外測試方法示意圖

3 實際案例應用與分析

上海市長寧區某地塊準備新建一高壓電站，因場地東側臨近地鐵線路，為維護地鐵線路結構安全，需在場地內部臨地鐵一側設計六根20m 長鉆孔灌注樁。因地塊內部東南側疑似下穿一根直徑Ф1800mm 雨水管道，具體平面位置及深度不詳，為確保鉆孔灌注樁設計位置避開此段污水管道，需查明其具體情況。場地周圍整體地形為南高北低。圍繞地塊東南側布置L1～L4 四條地震測線，炮點設于測線東側，如圖3 所示。

四條測線瞬態面波數據處理后單炮記錄剖面及頻散曲線如圖4～11 所示。

圖4 L1 測線單炮記錄剖面圖

如圖4 瞬態面波波形剖面圖所示，L1 測線水平位置第10 道左右，存在明顯的繞射波弧形異常，反映了此處雨水管道的存在。圖5 為L1 測線瞬態面波頻散曲線圖，從中可見，埋深約5.0m 處存在 “之”字形回折[12]，波速由450m/s 降為130m/s，這顯然是由在該深度雨水管道與周圍介質存在的波速差異所致，反映了此處雨水管道頂部埋深約5.0m。

圖5 L1 測線頻散曲線圖

如圖6 瞬態面波波形剖面圖所示，L2 測線水平位置第14 道左右，存在明顯的面波反射異常，反映了此處可能為雨水管壁。圖7為L2測線瞬態面波頻散曲線圖，從中可見，埋深約3.0m 處存在 “之”字形回折，波速由350m/s 降為140m/s，這同樣是由在該深度雨水管道與周圍介質存在的波速差異所致，反映了此處雨水管道埋深約3.0m。

圖6 L2 測線單炮記錄剖面圖

圖7 L2 測線頻散曲線圖

如圖8 瞬面波波形剖面圖所示，L3 測線水平位置第1 道及第17 道左右，存在明顯的面波反射異常反映了此處可能為雨水管壁兩側。圖9 為L3 測線瞬態面波頻散曲線圖，從中可見，埋深約3.2m 處存在 “之”字形回折，波速由150m/s 降為100m/s，這同樣是由在該深度雨水管道與周圍介質存在的波速差異所致，反映了此處雨水管道埋深約3.2m。

圖9 L3 測線頻散曲線圖

如圖10 瞬態面波波形剖面圖所示，L4 測線水平位置第16 道左右，存在明顯的繞射波弧形異常，反映了此處雨水管道的存在。圖11 為L4 測線瞬態面波頻散曲線圖，從中可見，埋深約3.4m 處存在 “之”字形回折，波速由220m/s 降為100m/s，這同樣是由在該深度雨水管道與周圍介質存在的波速差異所致，反映了此處雨水管道頂部埋深約3.4m。

圖10 L4 測線單炮記錄剖面圖

圖11 L4 測線頻散曲線圖

綜合上述瞬態面波法探測結果分析，結合異常點所在位置，推測此Ф1800mm 雨水管道位置如圖12 所示。

圖12 瞬態面波法結果及雨水管道推測位置示意圖

為證明瞬態面波法探測結果的可靠性，及對此物探結果的進一步分析，針對雨水管道推測位置進行了鉆孔驗證，共計作業8 孔次，結果如圖13 所示。

圖13 鉆孔位置及成果示意圖

ZK1、ZK2、ZK3：鉆探深度4.1m，未見雨水管道；ZK4：鉆探深度3.1m，見雨水管道；ZK5：鉆探深度3.0m，見雨水管道；ZK6：鉆探深度2.8m，見雨水管道；ZK7：鉆探深度3.0m，見雨水管道；ZK8：鉆探深度6.0m，未見雨水管道。

鉆孔驗證結果顯示：瞬態面波法結果推測雨水管道邊界內的ZK4、ZK5、ZK6、ZK7 孔都探到了此雨水管道本身，且埋深基本位于3.0m 左右；推測邊界外的ZK1、ZK2、ZK3、ZK8 孔則未探到此雨水管道，且鉆孔深度基本達到4m 以上。兩種方法探測結果較為一致。

4 結論

（1）由于雨水管道的存在，面波在傳播過程中遇到不同波阻抗界面時，在界面上產生波的反射，在波形圖中存在明顯的面波的反射波異常，以及會在管道頂部位置產生明顯的繞射波異常。

（2）通過分析面波的剖面形態，可快速定位目標體的平面位置；分析其頻散曲線，可快速確定目標體的深度范圍。此工程中，雨水管道整體下穿于地塊的東南側，走向為SW-NE；西南側地形相對較高，管道地面深度為5.0m，東北側地形相對較低，管道地面深度為3.0m。

（3）瞬態面波法具有簡單、快捷、應用性廣、抗干擾強等優點，可快速判斷出障礙物的位置及深度范圍。此物探工程中瞬態面波法結果推測的雨水管道位置及深度與鉆孔驗證結果保持了高度的一致性，為后續工程的安全設計及施工提供了有效的基礎資料保障，同時也更加說明了瞬態面波法在工程勘察中的重要作用及具備高度的可靠性。