物探在城市轨道交通勘察中的应用及发展

2015-03-16潘瑞林

铁道勘察 2015年4期

关键词：土洞物探测井

潘瑞林

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

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

PAN Ruilin

物探在城市轨道交通勘察中的应用及发展

潘瑞林

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

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

PAN Ruilin

摘要以近几年的工程实例，介绍物探在城市轨道交通勘察中的主要应用，结合城市轨道交通岩土工程勘察的目的与任务，讨论物探的发展和待解决的主要技术问题。

关键词物探城市轨道交通勘察测试

随着各城市大力发展城市轨道交通，城市轨道交通勘察中遇到和需要勘探的地质问题呈现出多样性和复杂性的新特点，物探在城市轨道交通勘察中的应用也逐渐增多。以近几年的工程实例，介绍物探在城市轨道交通勘察中的主要应用，结合城市轨道交通岩土工程勘察的目的与任务，讨论物探的发展和待解决的主要技术问题。

1探测断层构造

某地铁初勘阶段，据地质资料有一条区域性隐伏断层与线路相交，需准确查明断层位置、断层带宽度及延伸。该段线路处于城郊区，丘间谷地地貌，地形起伏不大，地表大部分区域为荒地，无建筑物。上部地层为第四系粉质黏土，厚约5～7 m，下伏基岩为白垩系下统-侏罗系上统砂岩、泥岩，地下水埋深约2～3 m。采用高密度电法进行探测(成果如图1)，断层低阻带异常明显，物探效果较好。

图1　高密度电法探测成果

2探测采空区、洞穴不良地质

2.1　探测采空区

某拟建城市轨道交通线路在AK17+500.00～AK19+900.00段穿越采空区。该区位于城郊结合部矿区，地面为城市道路，道路两侧设有绿化带，北侧沿道路有架空线路。区内地层主要为第四系黏性土(厚度约10～30 m左右)、二叠系砂岩含煤层、石炭系灰岩、奥陶系灰岩。可采煤层13～19层，总厚度25～36 m。岩层总体走向为N20°～40°W，倾向NE，地层平均倾角23°。区段内断层较发育，约4～6条，以逆断层为主。地下水位较浅，埋深约3～5 m。采空区由多个矿井于上世纪五六十年代开始开采形成，埋深约50～600 m，向东呈倾斜状，至今线路附近少量煤矿仍在开采，仅局部煤层未开采。通过资料收集和现场调查，初步掌握了采空区的平面及深度范围。需采用物探方法进一步核查采空区范围及特征。

根据探测目的，结合地球物理条件，采用可控源音频大地电磁法(CSAMT)进行勘探。沿线路在道路两侧绿化带中布置2条测线，采用加拿大Phoenix公司生产的V8多功能电法仪。

①发射源设置：接地供电偶极距AB选择1.1 km左右向地下供电，AB方向误差小于2°，供电电极A、B两端使用铝板，组合电极方式布极，入地深度0.5 m～1.0 m，浇灌盐水，保持接地条件良好，本次探测供电电流为5.5～16 A之间。

图2　CSAMT探测成果

②观测装置：布极方式为赤道偶极装置，采用CSAMT方法的标量测量方式，测量电场分量的电极MN平行于供电电极AB，水平磁场垂直于场源布设。AB和MN间的距离(收发距)为5.5～6.0 km，测点距25 m和50 m。接收采集频率1.67～9 600 Hz，共39个频点。1测线物探成果见图2。

通过探测得到的主要结果为：①第四系覆盖层(黏性土)厚度约10～30 m左右；②探测范围内均存在采空区，采空区及影响带(冒落带、裂隙带)顶板埋深约30～500 m，采空区底板埋深约110～800 m，向东倾，倾角21°左右，采空区及影响带(冒落带、裂隙带)垂向厚度约300 m；③测线1里程AK19+050～AK19+080段有一处未采区，宽度约30 m；里程K19+205～K19+805段浅部存在采空塌陷区；④探测范围内断层较发育，共发育5条断层破碎带(F13-5、F13-6、f、F16-2、F17)。物探结果进一步印证了采空区的范围及特征，为线路方案研究提供了较为可靠的资料。

2.2　探测土洞

某拟建城市轨道交通车站附近，初勘阶段钻探揭露了一处土洞(深度15.0～22.0 m)，土洞内充水、少量粉土，粉土松散、饱和。该土洞西侧为一居民集中供水站，站内地下水抽水井距土洞处仅40 m，抽水井深300 m，井径300 mm，地下水年开采量约110 000～120 000 m3。该场地处于城郊区，地形开阔平坦，地表多为土路、耕地，局部为供水站建筑。地表30 m深度范围内地层为：上部人工填土层、粉质黏土和黏质粉土，厚度约15.0 m；中部为中密粉细砂，厚度约2.4 m；下部为黏质粉土夹粉质黏土透镜体，厚度大于12.0 m；底部地层为密实粉细砂，厚度约3.0 m。场区地下水埋深约2.0 m。详勘阶段，为查明土洞分布范围，主要土洞位置、埋深，采用地震反射法进行探测。

在推测土洞发育范围布置网格测线，测线间距20～30 m，垂直线路方向布设6条，平行线路方向布设6条，共12条测线，剖面总长度1 606 m，测线覆盖推测的土洞发育区及无土洞区域。地质反射法采用单边激发6次迭加、24道接收、60 Hz纵波检波器接收，道间距2.0 m，CDP点距1 m，炮间距4 m，偏移距4.0 m，采样率为0.5 ms，采样长度为2 048，敲击激发，50 Hz陷波滤波。为保证数据的信噪比，采用了3～4次垂直迭加。图3是跨已知土洞的DZ9测线地震迭加剖面，其中，距离93 m附近、深度约15～22 m的异常D1为钻孔已揭露的土洞。

结合场地的地质条件，中部的中密粉细砂层顶面为较强的稳定连续反射层T1(反射时间60～70 ms，相应的深度约为13～15 m)，若存在土洞，则在浅层地震反射剖面图上，反射层T1的反射波同相轴错断、消失、不连续、杂乱或出现双曲线绕射波。据此解释原则，共提出需要进一步在7处位置进行钻探探测(如图3，DZ9测线在距离79 m附近、深度约15～20 m处D2异常同相轴错断不连续，需要进一步在该处进行钻探探测)。布置7孔钻探，均没有揭露存在土洞，得出勘探结论：该车站发育的土洞，仅局部个别存在(最初分析土洞形成可能与供水站抽取地下水有关，土洞可能很发育、分布范围也较大)，土洞对主体结构影响较小，但对车站附属结构出入口有影响，需采取处理措施进行处理。该实例中物探虽然没有再发现新的土洞，但通过物探指导钻探，快速、经济、有效地查清了场地的土洞发育情况。

图3　DZ9测线地震迭加剖面及推测解释

3岩土及环境参数测试

3.1　波速测试

测试车站、区间、车辆段、停车场等场地岩土层纵横波速，可采用单孔法、地面敲击激发、井中三分量检波器接收，测定岩土层纵波波速(Vp)和横波波速(Vs)。

根据实测土层横波波速，按《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB50909—2014)计算土层等效剪切波速Vse，评定建筑场地类别。

此外，根据实测岩土层纵横波波速，可按下式计算岩土层动泊松比μd、动弹模Ed、动剪切模量Gd。

(1)

(2)

(3)

式中，ρ为岩土层质量密度/(g/cm3)。

某地铁车站纵横波速测试及计算结果见表1。按《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB50909—2014)，该场地覆盖层厚度大于50 m，土层等效剪切波速Vse为162.1～191.7 m/s，平均值为173.4 m/s，评定该场地类别为Ⅲ类。

表1　地铁某车站波速测试及计算结果

注：土层质量密度为室内土工试验结果数据；动弹性模量Ed(MPa) 建议值为计算值乘以0.6～1.0的折减系数。

3.2　岩土电阻率测试

测试车站、变电所、停车场等场地各岩土层的电阻率：车站一般要求测试深度至结构底板下10 m，变电所、停车场一般要求测试深度为地面下10 m。

如果用于电气设备的接地设计，应提出各土层电阻率，可采用直流电测深法、温纳测深装置在地面测试。最小AB/2宜为0.6 m，最大AB/2应满足测试深度要求，当电阻率平均值大于1 000 Ω·m时，应加大测区范围和探测深度。为取得各层岩土的电阻率，需要对电测深曲线进行定量解释，定量解释时地层结构和各层厚度应结合钻孔资料分层，给出测试深度范围内的各层电阻率值。各岩土层的电阻率应采用多个测点的平均电阻率值。

如果只用于土对钢结构的腐蚀性评价，应提出地下水位以上钢结构深度范围土层的视电阻率。可采用直流电测深法、温纳测深装置(最小AB/2宜为0.6 m，最大AB/2应满足测试深度要求)在地面测试或采用在钻孔中的普通电阻率测井法进行测试。因只需要视电阻率，可不进行定量解释，视电阻率应采用钢结构深度范围各测点的平均视电阻率值。

采用直流电测深法、温纳测深装置在地面测试是一般常规方法。但轨道交通勘察往往受地表场地条件限制，地表测试一般均有困难。此时，应利用钻孔进行测试。实际工作中，直接采用普通电阻率测井法的测试结果(视电阻率)作为地层电阻率是一种近似，而在钻孔中测试岩土层的电阻率可采用横向电阻率测井或三侧向电阻率测井。横向电阻率测井就是采用一套探测深度不同(即电极距不同)的电极系，在同一钻孔的各地层段进行视电阻率测量，在双对数坐标纸上作出视电阻率与电极距的关系曲线(称为电探曲线)，将每一层的电探曲线与条件相当的横向电阻率测井理论图版进行对比，求出各层的电阻率。三侧向电阻率测井是通过深、浅三侧向进行组合测井，利用组合图版求得地层电阻率。采用横向电阻率测井或三侧向电阻率测井测试岩土层电阻率目前应用还较少，有待今后试验应用。

3.3　大地导电率测试

测试地面线路段、车辆段、停车场等大地导电率，主要用于通讯和电气化线路的抗干扰设计。宜采用直流电测深法、温纳测深装置。最大AB/2应达到50 Hz电流的影响深度，并大于电测深曲线与解释曲线交点所对应的装置长度，一般最大AB/2宜大于等于750 m或连续3个测点在45°直线上。根据现场地形条件和地层条件，也可只测与解释曲线交点附近3～4个电极距的视电阻率。可采用查解释曲线的方法或查拉德列曲线的方法解释，列表计算给出50 Hz和800 Hz频率的大地导电率，并注明工点名称、测点里程位置、测区地层岩性等。表2是某地铁地面线段的测试结果。

表2　大地电导率测量结果表

3.4　地温测试

测试地下车站、区间的地温，测试深度至隧底一倍洞径，可在钻孔中进行温度测井，通过测量钻孔水温近似代替土体温度。图4是某地铁车站地温测试结果曲线，测试时地面温度为-10 ℃，受其影响，孔口为冰水混合物。随着深度的增加，0～10 m内温度慢慢变高，为变温层；从10 m开始向下，地温基本无变化，为相对恒温层，恒温温度为10.7 ℃。

图4　地温测井成果曲线

图5　放射性测井成果曲线

3.5　放射性测试

测试地下车站、区间的放射性，评价放射性物质浓度是否符合国家有关强制性防护标准的规定，可在钻孔中进行自然γ测井，实测环境γ辐射空气吸收剂量率，采用《铁路工程不良地质勘察规程》(TB10027—2012)公式计算环境γ辐射照射对居民产生的年有效剂量当量，按《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB18871—2002)和《铁路工程不良地质勘察规程》(TB10027—2012)评价放射性物质浓度是否符合国家有关强制性防护标准。

环境γ辐射照射对居民产生的年有效剂量当量可用下式进行估算

(4)

式中：He为年有效剂量当量(nSv)；Dγ为实测环境γ辐射空气吸收剂量率(nGy/h)；K为有效剂量当量率与空气吸收剂量率比值( 0.7Sv/Gy)；T为环境中停留时间(h)。

图5是某地铁车站放射性测井成果曲线，实测该钻孔内无异常，γ辐射处于正常水平，实测平均吸收剂量率为90.85nGy/h，与当地城市环境γ辐射吸收剂量率(室内108.77nGy/h，室外99.20nGy/h)相比较，略低于室内、外平均水平。按公式(4)计算，该段地表下公众人群人均年有效剂量当量为0.645 mSv(公众人群按每天乘地铁时间4.8 h计算，其余时间居室内计算)，该车站内职业工作人员人均年有效剂量当量为0.630 mSv(职业工作人群按每天地铁工作时间8.0 h计算，其余时间居室内计算)，均满足《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB18871—2002)规定的公众人群年有效剂量当量不超过1 mSv的规定，按《铁路工程不良地质勘察规程》(TB10027—2012)该区为非限制区放射场所。

4地下管线探测

金属管道、电力电缆、电信电缆和照明电缆比较成熟、效果较好，但非金属管道探测效果往往不太理想。可根据场地条件和管道具体情况，采用多种物探方法进行综合探测。

5今后发展和待解决的主要技术问题

物探在城市轨道交通勘察中探测构造(断层、破碎带)、探测不良地质(采空区、岩溶、坑洞等)、测试岩土和环境参数等方面取得了较好效果，在探测隐伏断层、岩溶洞穴，测试剪切波速和探测地下管线等方面成为了主要手段，今后应进一步加大应用，发挥更大的作用。但是，从城市轨道交通岩土工程勘察的目的与任务中可以看到，城市轨道交通岩土工程勘察中大量勘察工作之一是详细查明岩土层厚度及分布，勘探深度一般为地面下50 m以内。因此，探测和划分地层厚度、分布是今后物探的主要发展方向之一。

探测和划分第四系地层可采用的方法主要有：横波反射法、纵波反射法、瑞雷面波法等。探测基岩埋深及风化层厚度可采用的方法主要有：瑞雷面波法、地震折射法(包括折射层析)、电测深法等。由于现有物探方法技术本身有一定的条件性，加之城市环境中受各种干扰较强和地表条件较差等不利影响，目前物探方法在地层划分和定量精度两方面一般还达不到勘察精度的要求。因此，研制适合城市地表条件，抗干扰强的仪器设备，提高物探地层划分和定量精度，研究新的物探方法和技术是需要解决的主要问题。

参考文献

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[10]CJJ61—2003城市地下管线探测技术规程[S]

中图分类号：P631； U231