综合物探在长沙地铁4号线过湘江段勘察中的应用

刘浩天

（湖南省勘测设计院有限公司，湖南长沙 410004）

0.引言

在地铁隧道勘察中，查明地质构造、地层岩性组合特征、围岩的基本物理力学性质、地下水分布特征以及可能遇到的不良地质的分布范围，为地铁隧道施工工法的选择、洞身掘进方法、支护和衬砌类型提供工程地质依据和设计参数，确保施工安全。单一物探方法具有一定的局限性，易受探测深度、电磁干扰、地形条件等因素，因此在勘察中常采用综合物探的方法[1]，利用不同的物性差异相互佐证，结合钻探资料，以提高物探资料的准确性。

本文以长沙地铁4号线过湘江段为例，根据物探工作目的及任务，选择最优的测线布置方式以及物探方法，通过实际验证，确定最优的物探组合方法，以期解决地铁施工中的地质问题。

1.工程概况

长沙地铁4号线过湘江段位于长沙地铁4号线阜埠河路站-湘江南路站区间如图1所示，区间线路呈东西向展布，线路西起阜埠河路站，沿阜埠河路展布，在里程K31+700～K32+850段横穿湘江，东至湘江南路站，结构底板埋深约14.40m～40.20m，两岸地貌单元属湘江一级阶地，地面标高一般在30m～45m。

图1 拟建区间卫星照片

根据区域资料，该段发育二里半压性断裂（F35），出露于岳麓山东坡边缘，呈N20°E延伸，倾向南东，断裂两端被第四系掩盖，全长约4km。截切最新地层为三迭-下侏罗统岩层，北西盘之岳麓山向斜东翼已被该断层破坏，于左家垅附近断面倾向南东，倾角约40°，并见与断裂平行之石英斑岩脉，与其伴生的还有爱晚亭扭断裂。

2.区域地质构造

根据区域地质资料，本勘探区西部地处岳麓山向斜东南翼，有一规模较大的北东向断层斜贯；东部位于杨泗庙—观音港向斜北西翼，亦有一规模较大北东向断层斜贯；受断层的影响，湘江过江段局部可能存在小规模的断层。第四纪以来本区新构造运动是以垂直差异运动为主，主要表现为间歇性升降，现今地貌形态以低山、丘陵岗地和冲积平原为特点。

2.1 褶皱构造

2.1.1 岳麓山向斜

岳麓山向斜位于湘江西岸岳麓山，分布在岳麓洼凹构造区内，向斜轴向呈北东35°，延伸长约35km，核部为石炭系、三叠系、侏罗系，翼部为泥盆系地层，向斜南东翼被区域主干断层（F85）破坏（现仅保留北西翼），北西翼岩层倾角15°～30°，为一残缺不全的宽展型褶皱。

2.1.2 杨泗庙—观音港向斜

杨泗庙—观音港向斜位于湘江东岸，分布在长沙洼陷构造区内，向斜轴向呈北东40°～45°，核部地层为第三系枣市组，翼部为白垩系东塘组、戴家坪组、神皇山组。岩层倾角平缓，一般为15°～25°，属平缓型褶皱。

2.2 断裂构造

2.2.1 张家咀—荣湾镇—新塘湾断裂（F85）

张家咀—荣湾镇—新塘湾断裂（F85）斜贯探测区西部，由师大南院—荣湾镇—新河三角洲沿北东向延伸，长约20km，断裂沿线挤压强烈，产状直立，切割冷家溪群至中新统前地层，活动最明显的地段主要在长沙市伍家岭至荣湾镇一段，北西盘岳麓山向斜南东翼已基本破坏，断裂产状 295°∠ 60°。

2.2.2 葫芦坡—金盆岭—炮台子断裂（F101）

葫芦坡—金盆岭—炮台子断裂（F101）斜贯探测区东南侧，由湘江猴子石大桥西—南门口—松桂园沿北东向延伸穿越市区，走向北东30°，全长约60km，北东段为长沙洼凹西缘的边界断裂，截切了冷家溪群泥盆—石炭纪及白垩纪地层等，挤压破碎带沿线可见，在水渡河附近见冷家溪群逆掩在神皇山组之上，断面倾向南东；在松桂园地段经钻孔揭露该断层为挤压破碎带。

3.物探方法的选择

本次物探工作的任务要求为探测工作范围内基岩面起伏形态及风化层厚度的变化、主要隐伏断裂构造的空间展布特征，构造破碎带宽度、不同岩性接触带位置及形态。

根据物探任务要求，结合测区地层的物性参数物征、地形条件以及测区试验效果情况，确定采用电测深法同地震反射波法相结合的综合物探方法作为该项目的物探方法进行勘探。

电测深法：4号线过江段沿线场地的限制（全线基本在湘江河水中），故采用A极放置到无穷远处进行勘探的三极电测深方法，施测时在同一测点上逐次扩大B极供电极距，使探测深度逐渐加大，这样便可以得到观测点处沿垂直方向由浅至深的视电阻率变化情况。通过分析各个点位的电测深曲线形态并进行电阻率反演解释分层，通过对单条曲线的分析以及地层各层电阻率的横、纵向变化情况判断基岩断层构造、岩溶异常反应。

地震反射波法：工程中常用的是浅层地震反射法，它是通过由激发点、接收点和射线构成的平面内的信息反映出相应地层信息，具有较高的分辨率，具有勘探深度大、精度高和反演获取物性参数等优点。按工作环境可分为陆地、水上地震反射法。陆地布置观测时，为压制汽车等振动干扰，通常采用单边激发多次覆盖方式，即只在接收检波电缆的某一边激发； 水上地震反射通常采用电火花震源激发弹性波，利用多道检波器的漂浮电缆接收地下反射信号组成自动数据采集系统。

根据长沙轨道交通4号线湘江隧道过江段物探任务要求，沿4号线湘江隧道左线、右线共布置三极电测深测线2条（左测线、右测线）如表1所示，在左线、右线的中间布置地震反射测线1条（中间测线）如表2所示。

表1 湘江隧道电测深工作布置及测点编号表

表2 湘江隧道地震反射工作布置及测点编号表

4.物探方法原理

电测深法勘探是以岩土体之间电学性质（电阻率）的差异为基础，通过观测和研究与这些差异有关的电场在空间上的分布特点和变化规律查明地下地质构造、岩土体分界面、岩溶发育情况等地下电性不均匀体（岩溶、风化层、断层、滑坡体等）的一种工程物探方法[2]。

电测深方法通过供电电极向地下供入直流电流，建立人工电场，通过改变供电（A、B极）、测量（M、N极）装置的排列、极距大小和相对位置改变电流在地下的分布情况，在地面测量电场的变化，由此解释探测出地层电阻率深度的变化，达到测深的目的。

地震反射法是利用人工在地面或水中激发的弹性波在弹性介质中传播时，遇到物性分界面（波阻抗=ρ×v）差异将发生反射、绕射和产生频散的特性[3]，通过仪器和检波器接收其反射波信号，记录分析各种波的旅行时间并根据波的运动学和动力学特征，反演地层的物性参数，获取物性分界面位置和埋深，从而达到工程地质勘察的目的[4]。

5.应用效果

针对长沙地铁4号线过湘江段勘察探测工作范围内基岩面起伏形态及风化层厚度的变化、主要隐伏断裂构造的空间展布特征，构造破碎带宽度、不同岩性接触带位置及形态，采用多种物探方法查明了该段区域构造特征以及不良地质体分布，为施工提供可靠依据[5]。

5.1 电测深法成果解释

从电性上分析地下为3层电性层：表层电阻率20Ω·m～150Ω·m推断为粘土、砂、卵石土(含水深)；中间层电阻率50Ω·m～80Ω·m推断为强风化砾岩；下层100Ω·m～150Ω·m推断为中风化砾岩及深部的白云岩（ZCK31+975～ZCK32+050、ZCK32+180～ZCK32+380段推断在60m～65m以下为白云岩）。

5.1.1 左测线电测深成果解释

从等视电阻率断面图结合视电阻率曲线分析看，该段有几处向下凹型的低电阻率异常：ZCK31+813～+840，ZCK31+927～+975，ZCK32+055～+130，ZCK32+140～+165，ZCK32+415～ +445，ZCK32+580～ +615，ZCK32+655～+670，ZCK32+705～+725其中ZCK31+813～+840、ZCK32+655～+670段内的钻孔揭示没有地质异常；ZCK31+970处的钻孔揭示6.3m～45m为砾岩的强风化层，比正常强风化层6m～32m要厚，CK31+927～+975异常为裂隙发育、岩性破碎所致；ZCK32+055～+130段低电阻率异常不是很明显， ZCK32+067～+134钻探揭示下部为构造角砾岩，该段异常为岩性变化所致；ZCK32+140～+165、ZCK32+580～+615、ZCK32+705～+730 3段异常内的钻孔揭示强风化层明显变厚所致，为岩性破碎异常；其他地段无明显的异常，如图2所示。

图2 左测线ZCK31+755～ZCK32+775等视电阻率断面图

5.1.2 右测线电测深成果解释

从右测线等视电阻率断面图结合电阻率等曲线分析看，该段有几处向下凹型的低电阻率异常：YCK31+827～+855、YCK31+943～ +990、YCK32+070～ +140、YCK32+145～ +175、YCK32+285～ +310、YCK32+420～ +450、YCK32+565～ +630、YCK32+670～ +682、YCK32+710～+725，其中CK31+827～+855、YCK32+670～+682异常钻孔揭示无明显的地质异常，YCK31+943～+990、YCK32+145～+175、YCK32+285～+310、YCK32+420～+450、YCK32+565～+630、YCK32+710～+725内钻孔揭示，强风化层变厚，为裂隙发育、岩性破碎所致；YCK32+070～+140钻探揭示下部为构造角砾岩，该段异常为岩性变化所致；其他地段无明显的地质异常，如图3所示。

图3 右测线 AK31+700～AK32+715等视电阻率断面图

5.2 地震反射法成果解释

水域部分完成里程为YCK31+950～YCK32+755段，根据地震反射勘探时间剖面图，YCK31+950～YCK32+755段图中从上往下分为3层：第一层为水、粉砂、圆砾土、卵石,地震纵波速度VP=1.4km/s～2.1km/s；中间层推断为强风化砾岩、砂岩，地震纵波速度VP=2.0km/s～2.5km/s；底层推断为中风化砾岩、砂岩，与弱风化砾岩、砂岩难以区分，地震纵波速度VP=2.5km/s～3.2km/s。

根据水域基岩面附近地震波场特征并结合区域地质资料、钻探资料综合分析该段不良地质情况如下：YCK32+040～YCK32+067、YCK32+155～YCK32+185、YCK32+652～YCK32+677 3段范围内及YCK32+732处地震波同相轴连续性较差，振幅强弱变化，频率变低，推测下部岩性破碎，裂隙发育。YCK32+067～YCK32+134的地震反射异常经钻探揭示下部为构造角砾岩，如图4所示。

图4 水上地震资料处理剖面成果图

6.结语

（1）针对长沙地铁4号线过湘江段物探任务，有针对性地选择合适的物探方法以及测线布置方式进行综合勘探。查明了该段区域构造特征以及不良地质体分布，为施工提供可靠依据。

（2）物探探测出ZCK32+055～+130或YCK32+070～+140段为岩性分界异常（存在断层的可能），后经钻探验证为构造角砾岩，其他地段未发现明显的断层构造异常。

（3）物探探测出区内裂隙或岩性破碎发育，经钻孔验证的岩性破碎或裂隙发育，这些裂隙或岩性破碎影响着基岩的风化程度，导致岩层完整性及稳定性都较差。

（4）经钻探验证分析物探异常为断层破碎带，二里半压性断裂（F35）次级隐伏断裂（F35-1）：根据资料分析，该隐伏断裂在本区间里程ZCK32+028～ZCK32+098间与线路交汇，其中M4Z3-XJ24～XJ28钻孔内揭露角砾岩，埋深大于33m，为隐伏老断裂，未切穿上覆白垩系地层，白垩纪以来无活动。