综合物探技术在地铁路基病害探测中的应用

刘文伍，田庆福，余森林

(南京市测绘勘察研究院股份有限公司，江苏 南京 210019)

1 引 言

地下铁道运输具有速度快、运量大、污染轻、噪音小、能耗低等诸多优点。城市地铁的建成能极大地缓解城市交通拥挤、堵塞状况，给广大市民的出行提供方便，对改善城市风貌，提高环境质量，促进地方经济发展有着重要意义。但是，同其他城市地下公共设施一样，地铁隧道多建在较软弱的第四系沉(冲)积层中，路基所处地质条件较差，且往往会跨越岩溶发育区、裂隙发育带等，而且长期受地铁运营震动的影响，路基土体容易液化流失，造成松散层的进一步发育[1-2]。另外，城市地铁往往都无法避免与城市管道发生交汇或者并行排列，管道液体渗漏，冲刷淋滤带走路基土体形成地下空洞。地下空洞、土体不密实等路基病害会随着时间的推移不断发育扩大，若不及时发现并采取相应的治理措施，会给地铁安全运营带来极大威胁，甚至引发难以想象的安全事故，造成不可估量的经济损失和恶劣的社会影响。

路基病害的发育具有隐蔽性和不确定性，勘查难度较大。钻探方法具有探测结果准确的优点，但由于单个钻孔仅可了解一个点的地质情况，是“一孔之见”，若要了解路基横向上地层不均匀变化，发现隐伏病害，则需布置大量密集钻孔，便会造成勘察成本和周期的极大增加。物探方法作为一种间接的、面积性勘察手段，具有快速、无损的特点，目前常用于地铁路基勘察的物探方法主要有地震波法、直流电法、地质雷达法、瞬变电磁法等[3～5]。各种方法根据现场探测条件和病害体特征差异，具有各自的特点和优势，同时单一方法自身都存在一定的局限性和多解性。协同观测多种地球物理场可以减少或避免单一物探方法多解性造成的解释误差[1，6，7]，本文通过对多种地球物理勘探方法特点的分析，结合地铁探测现场环境，提出了地震绕射波法与瞬变电磁法探测地铁路基病害的综合物探技术，通过现场探测实例及钻孔验证，证明了该综合物探技术探查地铁路基病害的适应性及探测结果的可靠性。

2 地球物理方法分析与选择

地铁路基病害的存在，不论是溶洞(包括富水与不含水)、疏松土质、裂隙发育等均与其周围介质之间不同程度地存在着多种物性差异，如密度差异、波阻抗差异、电阻率差异、介电常数差异等，这为不同的物探方法应用提供了地球物理基础。

地震波法是通过一定的观测系统激发接收地震波，通过接收的震波信息分析探测区域内物质间的波阻抗差异或者波速差异，从而反演推断探测区域内的物质分布情况；地质雷达法是通过发射天线向探测区域发射高频电磁波，高频电磁波遇到电性差异界面产生的回波被接收天线所接收，通过分析接收到的回波信息判断探测区域内的物质分布情况；直流电法是通过观测和分析人工建立电流场或自然电流场在介质中的分布规律，反演推断探测区域内不同电阻率地质体的分布情况；瞬变电磁法是通过发射线圈发射脉冲式一次电磁场，分析接收线圈接收该脉冲电磁场感应的地下涡流产生二次磁场的强度及衰减情况，反演探测区域内电阻率的变化情况，从而推断探测区域内的物质分布[8～11]。

各种物探方法根据现场探测条件和病害体的特征差异，具有各自的优势，同时单一方法自身都存在一定的局限性，比如直流电法、瞬变电磁法具有体积效应且受现场环境干扰较大；地震波法对病害体富水性反应不灵敏；地质雷达法探测深度浅且易受现场环境干扰。从多角度、不同物性差异产生的多信息数据来综合分析和判断路基病害的存在及影响范围，能有效减少或避免单一物探方法带来的局限性和多解性，有助于提高物探资料解释成果的可靠性和准确率[1]。本文选用地震绕射波法与瞬变电磁法综合探查地铁路基病害主要有以下考虑：①地震绕射波法属于地震波法的一种，且通过绕射偏移成像归位，具有分辨率高的特点，能对病害异常范围进行较准确圈定，瞬变电磁法具有体积效应，但能准确地反映病害异常的电阻率情况，从而便于判断病害的富水情况；②直流电法也能准确反映病害异常的电阻率情况，但由于路基坚硬，现场探测时电极接地耦合困难，若采用布袋电极耦合则极大地增加了现场工作量；③地质雷达法也具有高分辨率的特点，同样反映的是异常体的分布范围，但探测深度浅且容易受现场电磁环境的干扰。

3 探测原理

3.1 地震绕射波法探测原理

地震学的基本观点认为绕射是最基本的，反射波是反射界面上所有小面积元产生的绕射波的总和，绕射偏移技术是基于射线偏移基础上使反射波自动归位到真实成像点上的一种成像方法，具有压制干扰、提高探测精度的作用[12]。地震绕射波法通过多次覆盖系统获取大量地震数据，然后通过绕射偏移成像归位实现地下异常体的准确定位。

图1 绕射偏移网格剖分示意图

绕射偏移成像方法首先将研究区域进行网格划分，如图1所示，形成一系列网格单元并给定慢度参数，然后假设研究区域内某个网格单元(第m个网格单元)为异常点，计算任一炮检对(第k炮，i检波点)以该点为绕射点的绕射波旅行时tki，把对应道对应时刻的振幅值或振幅绝对值叠加后所得振幅值Am放置在该网格。

(1)

其中值Aki表示第k炮，第i检波点记录上对应旅行时刻的振幅值，M表示共M炮，N表示共N个检波点。

同理，遍历所有网格单元，只要网格足够精细，就能得到满足精度要求的成像。在绕射偏移叠加过程中，若某网格单元为异常点位置，则不同地震记录道对应时刻的记录点具有相关振幅，叠加能量强；反之，若某网格单元非异常点位置，则不同地震记录道对应时刻的记录点相关性差，叠加能量弱。即真正异常点所在位置的网格单元叠加后的总振幅增大，非异常点所在位置的网格单元叠加后的总振幅相对减弱，该方法方便、快捷，能将异常体轮廓自动偏移到真实的空间位置上。实际运用过程中，通常使用横波绕射波进行偏移成像，可以有效避免高能直达横波对成像结果的干扰。

3.2 瞬变电磁法探测原理

瞬变电磁法属时间域电磁感应方法，是通过发射线圈发射脉冲式一次电磁场，分析接收线圈接收脉冲电磁场感应的地下涡流所产生二次磁场的强度及衰减情况，反演探测区域内电阻率的变化分布情况。当向发射线圈供一阶跃脉冲电流时，会产生一个沿线圈法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地下地质体将产生涡流，涡流大小取决于地质体的导电性能，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，而是有一个过渡(衰减)过程。该衰减过程又产生一个衰减的二次电磁场向地面传播，且被地面接收线圈线所接收，通过探测二次电磁场随时间的变化规律，可得到不同深度的地电特征，从而反演推断探测区域内地质信息及水文分布情况[13]。

图2 瞬变电磁全空间“烟圈效应”

任一时刻地下涡旋电流产生的磁场可以等效为一个水平环状线电流的磁场，该电流环随时间推移向外扩散，其向外扩散的过程称为“烟圈效应”，如图2所示。“烟圈”将沿顶角为94°的圆锥体向双向扩散，即瞬变电磁的探测范围为顶角94°的双向椎体范围[14]，具有较明显的体积效应。

4 探测实例

南京地铁某线路，根据永久结构监测成果，上行K08+550～K08+721 m区段段在05期(2015年12月)突发沉降。05期最大沉降-28.12 mm，最大沉降速率 -0.312 mm/d；06期(2016年3月)最大沉降 -49.68 mm，最大沉降速率 -0.552 mm/d。针对该线路上突发沉降，于4月～6月开展每月一次的加密监测，最大沉降速率分别为 -0.566 mm/d、-0.420 mm/d、-0.447 mm/d，沉降仍在继续，无减缓趋势。为查明沉降原因，对该线路上行K08+550～K08+721 m区段隧道路基 5 m范围内可能存在的不良地质体(空洞、不密实区等)进行地震绕射波法与瞬变电磁法综合地球物理探查，为后期制定沉降整治方案提供基础资料与决策依据。

地震波探测采用具有基站扩展功能的分布式地震仪，沿路基共布置86道检波器，道间距为 2 m，检波器采用 100 Hz的速度检波器；震源采用12磅重锤，激震点位于两检波点中心位置，每次激震86道同时接收，共激震85次，观测系统示意图如图3所示；为保证激震能量的一致性，每次激震均将重锤提升至 1 m高处做自由落体，为减小声波信号的干扰，将重锤四周包裹上吸声棉。现场共采集85×86=7310道数据，经过带通滤波、道间平衡、AGC预处理后，通过叠前绕射偏移成像获得成果图件，如图4(a)所示。

利用地震绕射波法的同时，在同一测线剖面上采用瞬变电磁技术对路基下方电阻率分布情况进行探查，现场采用1.2 m×1.2 m的多匝重叠回线装置，发射线框与接收线框为匝数不等的独立线框，扫描布置示意图见图3，探测结果经过视电阻率计算、时深转化后得到深度-视电阻率断面成果图，如图4(b)所示。

图3综合物探观测系统示意图

结合现场地质情况及地铁轨道结构特征，对比地震绕射波法与瞬变电磁法反演成果，对该线路上行K08+721～K08+550段路基的隐伏病害圈定及解释如下：①整个探测区段地铁路基整体情况较差，综合圈定出3个隐伏病害区并标记为YC1、YC2、YC3异常区域，分别对应区段为：K08+661～K08+646、K08+628～K08+618、K08+604～K08+595；②YC1、YC2区域，浅层地震波出现紊乱，绕射偏移成像结果显示振幅相对增强，且瞬变电磁成果显示高、低阻交替出现，分析为土层松软及注浆不均匀所致；③YC3区域，浅层地震波出现紊乱，绕射偏移成像结果显示振幅相对增强，且瞬变电磁成果显示为低阻异常，分析为土层松散区域且含水量相对较高；④K08+721～K08+694、K08+571～K08+550区段，路基上部为水泥板、下部为下水道，与地铁路基正常区域差异性大，不做异常解释。

物探工作结束后，及时对3个隐伏病害异常区进行了钻孔验证工作，发现YC1、YC2异常区域在 4 m～6 m深度范围内土层松散，YC3异常区域 3.5 m～7 m深度范围内土层松散，且含水较高，与前期物探解释结果吻合度高。

5 结 语

采用综合物探技术，对多种地球物理场进行协同观测，多种方法相互补充、相互验证，能够有效克服单一物探方法的局限性、降低其多解性，增加解释成果的可靠性。文章通过对地铁路基勘察常规物探方法特点的分析，结合地铁路基现场探测环境，提出了地震绕射波法与瞬变电磁法探测地铁路基病害的综合物探技术，通过现场探测实例及钻孔验证，证明了该综合物探技术探查地铁路基病害的适应性及探测结果的可靠性。

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