廣州市軌道交通穿越房屋密集區(qū)物探方法的選擇與應(yīng)用

摘 要：隨著廣州市城市軌道交通迅速發(fā)展，多處軌道交通設(shè)計線路穿越下穿住宅區(qū)、工業(yè)園區(qū)、城中村等房屋密集區(qū)。對于勘察實施中受場地協(xié)調(diào)或建筑物、構(gòu)筑物影響等限制鉆孔稀疏區(qū)域，開展物探探測來彌補無法利用鉆探獲取的局部地層信息，這對后期城市軌道交通設(shè)計、安全施工具有重要意義。選擇廣州市城中村3個實例，采用微動勘探法、彈性波CT法獲取不同房屋密集區(qū)地下淺層信息，分析不同物探方法適用條件及應(yīng)用環(huán)境。結(jié)果表明：1）地面微動探測法在房屋密集區(qū)施工方便，在地層分層、軟硬夾層、溶蝕發(fā)育區(qū)、斷裂破碎帶等地質(zhì)條件下探測效果良好。2）跨孔彈性波CT在對溶洞以及孤石的劃分，有較高的精度；在探測結(jié)果上，可與微動探測法相互印證，提高解釋準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：廣州軌道交通；房屋密集區(qū)；微動勘探法；彈性波CT

Selection and application of geophysical prospecting methods in dense housing area along Guangzhou metro lines

LI Kailang， LIU Hongbing

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

Abstract： With the rapid development of urban rail transit in Guangzhou， many subway lines pass through under residential areas， industrial parks， urban villages and other dense housing areas. For areas where sparse drilling is restricted by site coordination or building and structure conditions， geophysical exploration can complete the formation information that otherwise cannot be obtained by drilling. This is of great significance to the safety of urban rail transit design and construction. In this paper， three geophysical examples of urban villages in Guangzhou were selected， where the micro-motion exploration method and elastic wave CT method were used to obtain the underground shallow information in the dense housing area. By analyzing the applicable conditions and application environments of different geophysical methods， the following conclusions are obtained： 1） The microtremor exploration is convenient to operate in dense housing areas， and has good detection effect under geological conditions such as strata stratification， soft and hard interlayer， dissolution development area， fault fracture zone and so on; 2） Cross-hole elastic wave CT has high accuracy in the division of caves and solitary stones. It can verify the detected results by the micro-motion detection method and improve the interpretation accuracy.

Keywords： Guangzhou Metro; dense housing area; microtremor exploration; elastic wave CT

近年來，隨著深化粵港澳大灣區(qū)一體化協(xié)同發(fā)展的有序推進（李建平，2017），廣州市城市軌道交通迎來快速發(fā)展期。根據(jù)《廣州市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃（2018—2035年）》，廣州市將構(gòu)建高速地鐵、快速地鐵、普速地鐵組成的城市軌道交通系統(tǒng)，總規(guī)模達(dá)到53條，總長約2 029 km，這將進一步鞏固提升廣州國際綜合交通樞紐能級（葉樹峰等，2022）。越來越密集的地鐵線路網(wǎng)將包圍天河、海珠、越秀等交通最頻繁的中心城區(qū)。軌道交通穿越廣州中心城區(qū)，不僅加密了對中心城區(qū)大客流走廊的覆蓋，而且解決了現(xiàn)有線路客流瓶頸問題（王俊，2022）。但軌道交通工程建設(shè)面臨諸多問題，特別是中心城區(qū)“城中村”等房屋密集區(qū)（萬小樂，2022）。不僅需要考慮軌道交通線路和建（構(gòu)）筑物之間的影響，還需要評價所在區(qū)域地質(zhì)條件以及對設(shè)計線路的影響。這些工程難題對城市軌道交通勘察工作提出了更高的要求。

城市軌道交通設(shè)計線路往往下穿住宅區(qū)、工業(yè)園區(qū)等建筑密集區(qū)域，勘察鉆孔實施中受場地協(xié)調(diào)或建筑物、構(gòu)筑物影響等限制，部分設(shè)計鉆孔未能實施，這將導(dǎo)致鉆孔間距偏大或鉆孔偏移量較大，缺少局部地層信息，從而對工程設(shè)計、施工帶來一定的不確定性和地質(zhì)風(fēng)險。為降低工程施工過程中的地質(zhì)風(fēng)險，完善沿線地層信息，根據(jù)場地條件，需要對鉆孔稀疏的區(qū)域開展物探探測工作，為詳細(xì)勘察中缺失地層信息段提供物探補充成果。

本文通過廣州軌道交通線路3個案例，分析了房屋密集區(qū)的場地環(huán)境，描述了微動勘探和彈性波CT的應(yīng)用效果，說明2種方法在房屋密集區(qū)的有效性及其優(yōu)勢特點。

1" 場地環(huán)境現(xiàn)狀

廣州城市軌道交通所涉及的建筑房屋密集區(qū)，一般包括工業(yè)廠區(qū)、住宅區(qū)以及本文著重討論的“城中村”等。城中村是中國城市化進程的產(chǎn)物之一（崔成等，2022），具有建筑密度高、內(nèi)部空間混亂等特點。廣州有138個城中村，城市規(guī)劃滯后，私搭亂建現(xiàn)象嚴(yán)重，“一線天”“握手樓”“貼面樓”大量存在（圖1）。管線雜亂無章、街巷狹窄擁擠，普遍寬度不足2.5 m，鉆機不具備施工作業(yè)條件。

目前多條規(guī)劃線路需下穿城中村區(qū)域，如在建的廣州地鐵18號線北延段（廣州東—花都天貴城際）白云東平—白云城市中心區(qū)間下穿東平村、東平農(nóng)貿(mào)市場、八一科技園等房屋密集區(qū)；在建的廣州地鐵22號線北延段（芳村—白云機場）白云站—夏茅站區(qū)間下穿夏茅村；在建的廣州市中心城區(qū)地下綜合管廊（沿軌道交通十一號線）下穿大坦沙島坦尾村房屋密集區(qū)。這些場地的工程勘察受條件限制，相應(yīng)地段設(shè)計鉆孔往往無法施工，需及時進行物探補充勘察，以完善相關(guān)地質(zhì)信息。

2" 物探方法特點與選擇

2.1" 城市工程物探方法簡介

在城市工程地質(zhì)勘察中，工程物探是一種重要的勘察手段（李初志，2023），具有探測速度快，數(shù)據(jù)豐富等特點。城市工程物探方法的應(yīng)用提高了工程地質(zhì)勘察的準(zhǔn)確度和精確度，解決了鉆探方法中存在的諸多不足之處（熊恒康，2022）。然而，在城市復(fù)雜的環(huán)境背景下，不同物探方法的使用條件和適用范圍各不相同（李文杰，2020），其特點如表1。

2.2" 方法選擇

選擇合適的物探方法解決工程建設(shè)中的實際問題，要遵循3點原則：1）適宜開展探測工作的地形與環(huán)境；2）被探測對象與其周圍介質(zhì)間存在明顯的物性差異；3）被探測對象的幾何尺寸相對于埋藏深度或探測距離應(yīng)具有一定的規(guī)模。

房屋密集區(qū)物探工作面臨的場地環(huán)境包括：建筑密集、空間狹窄，道路硬化且曲折（接地類電法不適用），淺地表干擾源多且復(fù)雜，地下、地上金屬管線、人文電磁干擾（電磁法、雷達(dá)不適用）。

復(fù)雜的城市噪聲干擾、安全隱患以及施工場地的條件等因素，導(dǎo)致常規(guī)傳統(tǒng)的物探方法較難發(fā)揮作用（何繼善等，2022；李永明等，2022；易隆科，2022）。綜合分析城市工程物探方法的適用范圍，結(jié)合地質(zhì)條件，本類物探方法的選擇需要減少對場地空間的要求，能靈活布置，抗電磁干擾且不接地，縮短施工時間，盡量降低施工中對周圍環(huán)境、生活居民影響，探測深度超過40 m。微動探測方法，采用天然源，綠色環(huán)保，儀器設(shè)備輕便施工方便，儀器布置靈活，特別適用于城區(qū)強干擾環(huán)境下的地質(zhì)勘察；同時在點位布設(shè)上，為提高解釋準(zhǔn)確性，從已知到未知，微動測點緊緊結(jié)合已施工鉆孔位置，便于微動波速成果和地層對照解釋。在場地條件允許下，有時為提高物探成果淺部地層分辨率，對25 m以淺范圍內(nèi)地段天然場微動法加以人工源瞬態(tài)面波法輔助。

不同物探方法的勘查成果存在多解性和不確定性。針對勘察中發(fā)現(xiàn)的巖溶發(fā)育區(qū)，為了詳細(xì)查明巖溶發(fā)育范圍和洞體大小，在房屋密集區(qū)，利用經(jīng)后期協(xié)調(diào)而具備開展施工條件的詳勘鉆孔，實施跨孔彈性波CT探測，達(dá)到和地面微動成果以及瞬態(tài)面波相互印證的目的。

3" 方法原理簡介

3.1" 面波勘探法

微動法也稱天然源面波法，工作原理是使用一定數(shù)量地震檢波器，按固定或者非固定排列方式（內(nèi)嵌三角型、十字型、圓形、直線型或任意形式），拾取一段連續(xù)時間內(nèi)由人文活動、海浪等非地震引起的微弱震動信號（駱東德等，2021）。這些微動信號頻譜特性反映了微動在時間和空間上的變化，其攜帶有豐富的地球內(nèi)部信息。從微動信號中提取瑞利面波的頻散特性，通過對頻散曲線反演推測地下的橫波速度分布（程逢，2018；季進，2022）。其數(shù)據(jù)采集與處理流程見圖2。

瞬態(tài)面波法是人工源面波勘探的一種，在一個共炮點直線排列下，震源瞬態(tài)沖擊力作為激發(fā)面波，通過地震檢波器采集短時間內(nèi)震源震動信號，獲得一定深度范圍內(nèi)的面波頻散特性，由頻散曲線的反演計算，得到不同深度地層的橫波速度值。

3.2" 跨孔彈性波CT

跨孔彈性波CT是利用2個鉆孔（圖3），其中1個孔為發(fā)射孔，利用震源發(fā)射器激發(fā)彈性波，另1個孔為接收孔，使用水聽器接收彈性波傳輸?shù)降卣饍x并記錄。通過分析拾取直達(dá)波時間（又稱初至）進行孔間彈性波場重建（周浩，2017）。波場重建又分為基于射線方程的層析成像技術(shù)和基于波動方程的層析成像技術(shù)。基于射線理論的彈性波CT反演具有信號穩(wěn)定、信噪比高、受激發(fā)條件影響小，且無論是球面波或柱面波，其走時規(guī)律均相同等優(yōu)點，相對于其他層析成像方法發(fā)展較早，也較為成熟，是目前商業(yè)軟件使用的主要方法，利用彈性波CT在探查巖溶的分布、形態(tài)及連通性方面，具有分辨率高、效率高、空間位置準(zhǔn)確的特點（牛建軍等，2004；李世安等，2020）。

４" 應(yīng)用實例分析

4.1" 實例1

以廣州地鐵線路某區(qū)間為例，場地因產(chǎn)權(quán)單位經(jīng)營活動繁忙，車輛來往密切，勘察鉆探無施工作業(yè)條件。依照地鐵勘察設(shè)計方案，計劃鉆孔間距沿設(shè)計線路控制在30 m范圍以內(nèi)。鉆孔缺失地段長度85 m，按10 m點距布置微動測點9個。選取夜晚車輛活動較少的時間段作業(yè)，使用節(jié)點式檢波器，采集時長20 min。

既有鉆孔ZK-22已揭露地層從上到下主要包括第四系土層、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（高程gt;-3～12 m）、強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（高程gt;-10～-3 m）、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（高程-10 m以深）（圖4）。根據(jù)兩側(cè)鉆孔成果標(biāo)定微動成果，微動剖面地層劃分依據(jù)：視橫波速度170～430 m·s-1，劃分為土層、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖；視橫波速度" "gt;430～600m·s-1，劃分為強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖；視橫波速度gt;600～1000 m·s-1劃分為中—微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。對于波速異常變化區(qū)域界定波速值gt;430～700 m·s-1劃分為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖夾強風(fēng)化。

微動剖面數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，整體形態(tài)較為簡單：上部高程-3 m以上土層及全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖；微動剖面中部中低波速值向下延展，劃分為強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖；兩側(cè)深部波速值較大，且未有明顯低速異常，分析為巖層風(fēng)化情況較為穩(wěn)定單一，推斷為中—微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。剖面中部出現(xiàn)低速中夾高速特征，推斷為風(fēng)化不均，中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖夾強風(fēng)化表現(xiàn)。對于設(shè)計隧道穿過此次圈定的風(fēng)化凹槽，需要引起注意。微動剖面完善了該區(qū)段地質(zhì)剖面圖信息，發(fā)現(xiàn)新的不良地質(zhì)發(fā)育區(qū)。

4.2" 實例2

同樣以另一廣州地鐵線路某區(qū)間為例，根據(jù)場地既有鉆孔揭露信息：區(qū)域整體下伏石炭系壺天組（C2+3ht）灰?guī)r地層，溶洞發(fā)育強烈。因位于城中村中，街道狹窄，勘察中近140 m長度范圍未有鉆孔。同時因建筑物密集，計劃按5 m點距布設(shè)的測點無法實施，實際作業(yè)中按近10 m點距施工微動測點14個（圖5）。

微動剖面形態(tài)整體表現(xiàn)為層狀分布，在高程-10 m以下為中微風(fēng)化灰?guī)r，局部視橫波速度較正常值偏低，呈現(xiàn)向下凹陷特征。根據(jù)剖面波速形態(tài)特征（圖6），推斷3處溶蝕發(fā)育區(qū)。經(jīng)后期改進鉆機高度、寬度，以適應(yīng)部分狹窄巷道，有條件對溶蝕發(fā)育區(qū)YR4-3進行鉆孔驗證。

驗證鉆孔ZK-276揭露地層：高程gt;-15.78～13.42 m為土層及全風(fēng)化巖；高程gt;-33.58～-15.78 m為串珠狀灰?guī)r溶洞發(fā)育，中間夾強風(fēng)化灰?guī)r，高程-33.58 m以深為微風(fēng)化灰?guī)r；驗證鉆孔ZK-276在深度上揭露的溶蝕發(fā)育區(qū)與微動成果圈定的異常YR4-3吻合。

同時，對于測點WT4-4、WT4-5下部出現(xiàn)低速，經(jīng)現(xiàn)場復(fù)核，微動成果可能受地下污水管道影響，難以判斷其下部真實地質(zhì)信息，已在成果描述中作出說明。

4.3" 實例3

圖7左圖是針對勘察鉆孔揭露的溶洞，使用彈性波CT探明2孔之間溶洞的發(fā)育范圍及連通性。從左圖中可以發(fā)現(xiàn)，在巖面以下，完整灰?guī)r為高速表現(xiàn)，而溶洞充水，表現(xiàn)為明顯低速特征，兩者界限清晰，較易區(qū)分；右圖是彈性波CT在巖性破碎帶中的解釋成果，整體表現(xiàn)為低速，無法有效區(qū)分地層，成果對比也表明對于地層中軟硬夾層交互，彈性波CT效果不佳。施工現(xiàn)場房屋密集區(qū)往往出現(xiàn)鉆孔間距過大，超過30 m，不滿足彈性波CT施工條件，導(dǎo)致彈性波CT的應(yīng)用范圍受到限制。

５" 結(jié)論

1）地面微動探測法在房屋密集區(qū)優(yōu)勢明顯，探測效果良好，特別是在地層分層、軟硬夾層、溶蝕發(fā)育區(qū)、斷裂破碎帶等地質(zhì)條件下。在布設(shè)微動測線時，考慮參考兩側(cè)已有鉆孔信息，對微動成果進行標(biāo)定，提高解譯精度。微動探測圈定的溶蝕發(fā)育區(qū)是區(qū)域性的、綜合性的，目前暫無法做到平面和深度內(nèi)小尺度的區(qū)分單個溶洞的大小范圍。同時，房屋密集區(qū)地下情況復(fù)雜，管線、化糞池、地下室等都會影響成果的判別，需做好地表情況記錄，必要時現(xiàn)場復(fù)核，排除干擾。

2）跨孔彈性波CT在物性差異較大的情況下探測效果較好，對完整巖石中發(fā)育的溶洞以及土層中風(fēng)化殘留孤石的劃分，有較高的精度。但對巖層破碎帶區(qū)域土巖分界不明顯、強風(fēng)化中風(fēng)化巖層互層區(qū)域，使用效果不佳。在現(xiàn)場條件滿足的情況下，使用跨孔彈性波CT和微動探測在探測結(jié)果上可以相互印證，提高解釋準(zhǔn)確度。

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