面波测试技术应用在工程勘察中的探讨

姚海鹏

深圳市勘察研究院有限公司

摘要：工程建设在设计、施工前，往往需查明拟建场地是否地埋管线或其他构筑物等，勘测技术的介入能够很好地解决这一问题。本文将根据工程案例，对某管道穿越工程场地内的填土的分布及厚度进行勘察分析。

关键词：管道穿越；工程勘察；瞬态面波

一、工程概况

某工程为天然气管道穿越建设所需要铺设钢管压力为1.6MPa，穿越段全长约200m。计划穿越深度为地下 4m 左右，根据有限钻孔资料揭示，穿越段地表以下存在最大 5 ～ 6m左右人工填土，成分主要为粉质黏土含碎石、砖块等（具体地层分布见表 1）。

根据现场情况，拟采用瞬态面波测试技术结合钻孔资料来查明填土的分布。

表1 场地主要土层分布及工程性质

时代成因 土层编号 土层名称 层厚（m） 层底标高（m） 土質特征

人工填土（Qml） ①

①1 素填土

碎石土 0 ～4.5

0.3 ～0.45 0.9 ～2.58

3.5 ～3.6 褐色为主，可塑—软塑，夹砖渣、碎石等杂色，小粒径

碎石夹有粉质黏土

古河道洼淀沉积（Q43Nal） ② 粉质黏土 约 1.0 约 1.58 褐 色—褐 黄色，可塑—软塑状，无层理

浅海相沉积（Q42m） ③ 粉质黏土 > 6 未揭穿 灰色，软塑—流塑，含云

母、碎贝壳

二、测试方案

（一）测试方案

根据场地的地形地貌条件结合工程特点，测试共布置了四条测线：分别是平行拟建燃气管线方向两条，垂直燃气管线方向两条；布置测点 21 个，测线分布状况如表 2 及图 1 所示。

面波测线情况一览表 表 2

类型 编号 测点数目 侧线长度（m）

MB1 6 50

瑞雷 MB2 4 30

面波 MB3 5 40

MB4 6 50

图1 面波点及测线布置示意图

（二）采集参数

瞬态瑞雷面波测试所获得的结果是整个排列下方地质体信息的综合反映，为了保证震源所激发出的波动频率成分能够满足特定勘察深度范围的需要，即满足最佳面波接收窗口和探测深度的要求，就必须选择适当的排列方式，主要包括道间距和偏移距两个控制性因素。

根据“瑞雷波半波长理论”，当检波器数量一定时，小道间距（即小排列）主要反映浅部地层的信息，大道间距（即大排列）主要反映深部地质体的信息，且排列长度与测试深度相当，故此在浅层地震勘探时除满足勘探深度的同时应尽量采用较小的道间距。

通过现场选排试验，确定瞬态瑞雷面波测试的参数如表 3。

瞬态瑞雷面波现场测试参数

接收道数目（道） 偏移距（m） 道间距（m） 炮点间距（m） 激发锤重（lb） 采样间隔（ms） 采样点数 检波器频率（Hz）

12 10 1 10 28 0.05 8192 4

三、测试数据分析

（一）求取频散曲线

根据现场采集到的瞬态面波数据（如图2），通过面波在 “时间—空间”域中的分布特征，确定面波“时间—空间”窗口，来选取有用的基阶面波。然后从“X-T”域转到 “F-K”域进行能量谱密度分析（见图 3），提取瑞雷面波在不同深度处的速度曲线———频散曲线（见图4）。提取频散曲线时应注意高阶面波的干扰，当“F-K”域存在多个能量集中区域时可以回到“X-T”域检查基阶面波的选取是否合理，以及信号采集的质量情况。

图2 “X-T”域选取基阶瑞雷面波

图3 “F-K”域能量谱密度分析

图4 瑞雷面波频散曲线

图4为勘察场地的典型频散曲线，从频散曲线可以发现，从上至下地基土的波速总体呈不断增加趋势，在浅部存在多次‘之字型转折。

（二）绘制波速分布图

通过将测线上各个面波测点的频散曲线集合起来，可以绘制各条测线范围内地面以下各地层的二维波速分布色谱图，详见图 5。由于本场地人工填土成分基本为可塑—软塑状粉质黏土夹碎石且成分不均匀，根据地区经验其波速值应该比下部古河道、洼淀沉积和海相沉积的软黏土高且不均匀。从图5 可以看出 MB1 测线面波测线浅部填土层较薄，土质较均匀。MB2-MB4 测线三条面波测线地下 4～5m 深度内波速变化较大，4～5m 深度波速有明显变化，下部土层波速均匀增加，因此认为浅部 4～5m 深度范围内为填土。

（三）确定人工填土分布范围

为对面波测试结果进行对比验证，沿管道穿越线路布置了少量钻孔（具体钻孔位置详见图1），图6为根据钻探结果绘制的工程地质剖面图。根据对比面波测试结果与钻探测试结果，两种测试方法取得的结论较为一致。说明面波测试在调查本工程填土的精度与准确度较高。

图6 钻探工程地质剖面图

四、结束语

（1）针对管道穿越工程勘察中的填土厚度调查问题，运用瞬态瑞雷面波测试技术，通过布置科学合理的测线与测点，对勘察场地内填土层的分布及厚度进行了全面的调查，为设计方案的最终确定提供了有力的参考依据。

（2）在面波测试完成后进行了少量的钻探，通过对比两种勘探方法的结果，证实了面波测试结论的准确性与可信度。瞬态面波测试在勘察中的合理运用可以提高测试效率与效果，减少钻孔数目，节约勘察成本，缩短工期。

（3）面波测试属于物探范畴，运用时要讲究地球物理条件与前提，切不可盲目滥用，由于物探测试结果受各种因素影响较大，测试结果宜与其他勘探手段进行对比分析，提高准确性。

参考文献：

[1]陈洪胜.复杂人工填上的岩土工程勘察[J].西部探征工程，2011，（12）：17-18.

[2]黄昌乾张建青，陈昌彦.人工填土的勘察与评价[J].工程勘察，2010.38（S1）：187-191.

[3]赵家福，李朝晖，工周等.复杂介质中瑞雷面波最大模频散特征分析及实验研究[J].工程勘察，2011.39（4）：90-94

[4]中华人民共和国国家标准.岩土工程勘察规范（GB 50002-2009）[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[5]中华人民共和国行业标准.市政工程勘察规范（CJJ 56-2012）[S].北京：中国计划出版社，2012.