淺層地震及地質(zhì)雷達(dá)在地鐵工程勘察中的應(yīng)用

淺層地震及地質(zhì)雷達(dá)在地鐵工程勘察中的應(yīng)用劉百祥;鮮鵬輝【期刊名稱】《《工程地球物理學(xué)報》》【年(卷)，期】2019(016)006【總頁數(shù)】7頁(P792-798)【關(guān)鍵詞】淺層地震;地質(zhì)雷達(dá);成果綜合解釋;工程地質(zhì)分析【作者】劉百祥;鮮鵬輝【作者單位】中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司重慶400037【正文語種】中文【中圖分類】P6311引言隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，城市地鐵建設(shè)也邁入了全面高速發(fā)展期，為保證地鐵建設(shè)又好又快地施工，前期地質(zhì)勘察工作也變得越來越重要。目前常用的勘察手段有鉆探和地球物理勘探，鉆探在城市中施工噪聲大、費用相對較多；地球物理勘探手段目前常用的有地震、地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法等方法。近年來不少學(xué)者對物探手段在城市工程勘察中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，其中李周妮［1］采用高密度、地震反射法、地質(zhì)雷達(dá)對富水區(qū)、破碎帶、空洞等進(jìn)行了探測研究；賴思靜等［2］采用面波和折射波進(jìn)行了探測實例分析，張澍等［3］采用綜合物探技術(shù)探測城市管線；唐揚等［4］采用淺層地震和地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行管線探測；欒明龍等［5］、林萬順等［6］、李永東等［7］、謝昭暉等［8］采用瑞利波在工程勘察、巖土工程、水力等方面進(jìn)行應(yīng)用研究；張龍龍［9］、彭家陞［10］采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行公路工程檢測和巖土工程勘察的應(yīng)用；尹濤等［11］、康世海等［12］、胡書凡等［13］采用地質(zhì)雷法、電磁波CT在隧道病害和地連墻缺陷檢測等進(jìn)行了實例應(yīng)用；何清立［14］采用三種物探技術(shù)方法，由淺入深對路基塌陷區(qū)進(jìn)行勘查；章雪松等［15］采用雷達(dá)和高密度對采礦空洞及采空區(qū)進(jìn)行探查；陳斌［16］采用多種物探方法查找隱伏儲熱構(gòu)造。本文借鑒前人相關(guān)經(jīng)驗，基于地表淺層良好的物性條件，采用淺層地震發(fā)射波法、瑞雷波法和地質(zhì)雷達(dá)法多種方法在地鐵工程沿線選取典型地段進(jìn)行探測試驗，查明典型地段的主要地層分布狀況及地質(zhì)構(gòu)造，利用聯(lián)合探測成果選取合適位置布設(shè)鉆孔，通過物探與鉆探技術(shù)結(jié)合，綜合解釋分析探測段工程地質(zhì)狀況，對地表淺層進(jìn)行電性分層和速度風(fēng)層，提高工程勘察的準(zhǔn)確性和施工效率，節(jié)約勘察成本和縮短工期，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益，因此具有良好的應(yīng)用前景。2方法原理2.1淺層地震法探測基本原理淺層地震勘探是一種利用人工激發(fā)地震波來研究其在巖、土層中的傳播規(guī)律，并根據(jù)其振幅、相位、波形、頻率的變化規(guī)律，推測淺部地下構(gòu)造或者測定巖土物理力學(xué)參數(shù)的勘探方法。根據(jù)地震波傳播特點可以分為折射、反射、透射、面波法［1］。2.1.1淺層地震反射法探測基本原理淺層地震反射波法是在地面某點進(jìn)行激發(fā)，人工產(chǎn)生地震波，地震波遇到有波阻抗差異的分界面時就會發(fā)生反射，反射波回到地表引起振動，通過在地面接收檢測波的旅行時間、波在介質(zhì)中的傳播速度以及各接收點間的距離來確定反射界面埋深、傾角等參數(shù)［1-4］。下面就反射波的時距曲線作簡要說明。當(dāng)界面埋深為h，反射波的時距曲線方程為：(1)式中：tP為縱波反射時間，單位s;V為波傳播速度，單位m/s;x為震源與檢波器間距，單位m；h為反射界面深度，單位m；t0為垂直反射時間，單位s。設(shè)界面傾角為中，時足距方程為：(2)2.1.2多道瞬態(tài)瑞雷波探測基本原理多道瞬態(tài)瑞雷波探測采用人工激發(fā)地震波，不同頻率的瑞雷波相互疊加向地下傳播，在地面采用多個三分量檢波器同時接收，對采集的信號進(jìn)行傅立葉變換、頻譜分析，利用多次覆蓋和多次疊加技術(shù)，用互譜法計算相鄰檢波器記錄的相移，求出瑞雷波不同頻率的平均速度VR,根據(jù)半波理論即得探測深度H=A/2，即H=VR/(2f),然后通過頻散曲線VR-f進(jìn)行地層劃分和巖土物理力學(xué)參數(shù)分析。2.2地質(zhì)雷達(dá)探測基本原理地質(zhì)雷達(dá)利用主頻為幾十兆赫茲至千兆赫茲波段的電磁波，以高頻短脈沖的形式，通過發(fā)射天線(Tx)電磁波以一定角度的波束角向地下發(fā)射電磁波，經(jīng)地下電性界面反射后返回地面，反射波被設(shè)置在地面某一固定位置的接收天線(Rx)接收，以電磁波反射振幅的形式進(jìn)行成像。電磁波在多層介質(zhì)中傳播，在電性界面不但產(chǎn)生反射，同時也會向下透射，下一界面形成反射返回到地面被接收因而形成多層反射記錄。地質(zhì)雷達(dá)利用不同電性界面之間的波阻抗差異進(jìn)行探測，上下界面波阻抗差異相差越大，反射波能量越強。由于不同界面深度不一致，反射波到達(dá)的時間也就有先后，從而可以應(yīng)用時間-測線長度剖面來表示不同界面深度的地質(zhì)剖面，公式如下：⑶式中：Z為反射界深度，m;L為發(fā)射與接收機間距，m;V為雷達(dá)波在地層中傳播的平均速度，m/ns。當(dāng)電性界面在不同深度變化時，其時間-測線長度剖面同相軸對應(yīng)的時間也會相應(yīng)改變，通過時深轉(zhuǎn)換，用各個時間的反射同相軸來解釋地下反射界面的深度變化。3探測試驗3.1試驗?zāi)康谋敬翁綔y試驗在某地鐵線選取一個典型地段進(jìn)行勘探，長度約為500m，起點里程約為：YAK15+660(±2)，終點里程約為：YAK16+160(±2)，后面成果圖中0對應(yīng)里程YAK15+660,500對應(yīng)里程YAK16+160。探測試驗?zāi)康氖抢玫厍蛭锢硎侄纬闃硬槊髟摱蔚罔F線路地表以下30m內(nèi)的主要地層分布狀況、探測地段內(nèi)的主要地質(zhì)構(gòu)造，利用物探成果選取合適位置布設(shè)鉆孔，指導(dǎo)鉆探施工并減少其工作量；物探、鉆探綜合進(jìn)行工程地質(zhì)分析。3.2試驗方案及過程為保證探測試驗效果，采用淺層地震反射波法、瑞雷波法、地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行綜合探測。3.2.1淺層地震探測地震反射波法和瑞雷波法采用多波聯(lián)合探測，即利用多個三分量檢波器同時接收縱波、橫波和瑞雷波等。本次探測使用EMS工程多波地震儀，采用錘擊震源，探測物理點251個，道間距2m，24道同時接收，波特率9600，采樣點數(shù)2048，采樣間隔200ms，反射排列布置示意如圖1所示。圖1多波聯(lián)合探測反射排列布置示意圖Fig.1Schematicdiagramofmultiwavejointdetectionandreflectionarrangement3.2.2地質(zhì)雷達(dá)探測通過地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其關(guān)鍵是選擇最佳的探測參數(shù)，根據(jù)需要探測的目標(biāo)深度選擇合適的頻率、合理時窗和振幅顯示幅度。本次探測所用雷達(dá)選擇瑞馬新型主機，采用連續(xù)動態(tài)掃描，即發(fā)射和接收天線沿著測線方向同步移動，選取50MHz天線，測線長度為500m，探測方式如圖2所示。圖2地質(zhì)雷達(dá)探測示意圖Fig.2SchematicdiagramofGPRDetection4結(jié)果分析4.1地震反射波法探測成果分析現(xiàn)場儀器測試記錄的地震探測數(shù)據(jù)，經(jīng)室內(nèi)回放，傳入計算機中，利用專用多波勘探地震數(shù)據(jù)處理軟件對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，經(jīng)過數(shù)據(jù)解編與轉(zhuǎn)換，靜校正處理，抽道與疊加，數(shù)字濾波，動校正，頻譜與速度分析，時深轉(zhuǎn)換等處理步驟之后得到圖3所示的反射地震成果剖面。圖3地震反射波法探測成果Fig.3Seismicreflectiondetectionprofile從圖4可以看出，地表以下30m內(nèi)各層界限明顯，其同相軸連續(xù)，反射波能量較強，可以大致分成5個地層，第一層在0~4m左右，厚度基本一致；第二層在4-13m左右，300~500m慢慢變厚17m左右；第三層在13-20m左右，前100m厚度均勻，從100m開始慢慢開始變薄至220m左右尖滅；第四層前220m產(chǎn)狀與第三層類似，200-300m與第二層近似平行，從300m開始慢慢開始變薄至350m左右尖滅；第五層前350m產(chǎn)狀與第四層類似，后150m產(chǎn)狀與第二層類似；30m深度以下反射波能量較弱，反射界面不清晰。4.2瑞雷波探測成果分析現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過頻率濾波、切除處理、增益處理、互功率譜分析等主要步驟之后，最后得到VR-H頻散曲線。圖4為典型頻散曲線示意圖，從圖5中可以看到明顯的突變拐點或鋸齒狀點，速度曲線突變處往往反應(yīng)地下介質(zhì)的分界面；把主要測點的速度曲線按H（深度）、L（測線長度）繪制成圖，將其中的突變拐點連接起來，得到如圖5所示H-L-VR成果圖，從圖6可知能夠劃分5個明顯的速度層，與地震反射波法地層劃分相互對應(yīng)。4.3地質(zhì)雷達(dá)法探測成果分析探測數(shù)據(jù)輸入GR雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過零線漂移去除，增益處理（4倍增益），一維、二維濾波（采用低通濾波）、頻率補償、小波變換、反褶積等主要處理步驟之后得圖6所示探測成果圖，從圖6中可以看出，地質(zhì)雷達(dá)對淺部雜填土層與下覆層的分界面反應(yīng)較為清晰，雜填土層同向軸連續(xù)性較差，局部缺失，在測線100~180m深度15-30m范圍、在測線300-420m深度15-30m范圍內(nèi)波形畸變和頻率變化，反映出兩個較清晰的電性異常區(qū)。圖4典型頻散曲線示意圖Fig.4Schematicdiagramoftypicaldispersioncurves圖5瑞雷波探測H-L-VR成果Fig.5H-L-VRdiagramofRayleighwaveexploration圖6地質(zhì)雷達(dá)探測成果Fig.6Resultsofgeologicalradarsurvey5探測成果綜合解釋利用相關(guān)軟件將淺層地震反射波法、多道瞬態(tài)瑞雷波法、地質(zhì)雷達(dá)法探測成果圖相互疊加在一起，地質(zhì)雷達(dá)成果圖置于最底層、地震反射成果圖置于中間層、瑞雷波成果圖置于最上層得到圖7所示的綜合探測成果疊加圖，通過淺層地震的反射界面和瑞雷波的速度分層可以明顯劃分5個物性層，通過淺層地震的同相軸錯動和地質(zhì)雷達(dá)波形和頻率的變化可以反映出2個較清晰的電性異常區(qū)。圖7綜合探測成果疊加Fig.7Stackingdiagramofcomprehensivedetectionresults6鉆探及工程地質(zhì)分析6.1鉆探情況根據(jù)綜合探測結(jié)果，選取測線150m、350m兩個位置進(jìn)行鉆探驗證，每個鉆孔深30m。測線150m位置鉆探情況：0~3.9m為人工填土，3.9~12.5m為海陸交互相淤泥土，12.5~17.6m為淤泥質(zhì)粉細(xì)砂土（局部風(fēng)化），17.6-22.3m為沖洪積黏土（有少量風(fēng)化裂隙），22.3-26m為中細(xì)砂土（局部裂隙發(fā)育），26~30m為殘積硬塑土（局部裂隙發(fā)育）；測線350m位置鉆探情況：0-5m為人工填土，5-13m為海陸交互相淤泥土（局部風(fēng)化），13-22m為中細(xì)砂土（有少量風(fēng)化裂隙），27.5-30m為殘積硬塑土（局部裂隙發(fā)育）。6.2工程地質(zhì)分析通過綜合探測和鉆探結(jié)果，該段主要分布五個物性層，第一層為人工填土層，一般呈軟弱可塑狀，分布較穩(wěn)定，厚度4m左右，瑞雷波波速VR<160m/s，有水時，土砂常與水一齊涌出，易坍塌變形；第二層為淤泥土層，底面微起伏，瑞雷波波速VR=170-200m/s，施工時易使軟土失水固結(jié)，產(chǎn)生壓縮變形，引起地面沉降和建筑物變形，甚至?xí)?dǎo)致基坑失穩(wěn)傾覆；第三層為淤泥質(zhì)粉細(xì)砂土層，局部風(fēng)化，沿剖面向右延伸220m尖滅，VR約為220m/s，該層易發(fā)生垮塌，產(chǎn)生滲漏和管涌，也容易發(fā)生液化；第四層為沖洪積黏土層，與第三層產(chǎn)狀相近，沿剖面向右延伸350m尖滅，局部風(fēng)化或有少量風(fēng)化裂隙，瑞雷波波速VR=230-280m/s,土質(zhì)比淤泥土好，但也呈軟塑或可塑狀，同樣易產(chǎn)生壓縮變形，引起地面沉降和建筑物變形，嚴(yán)重時會導(dǎo)致基坑失穩(wěn)傾覆；第五層為中細(xì)砂土層，局部裂隙發(fā)育，瑞雷波波速VR大于250m/s，透水性好，施工及基坑開挖時易發(fā)生垮塌，若防水措施不好，會產(chǎn)生滲漏和管涌；雷達(dá)探測的兩個局部風(fēng)化和裂隙發(fā)育電性異常區(qū)，易引起涌水、塌方和冒頂?shù)裙こ淌鹿?，?dǎo)致施工支護(hù)困難，影響工程進(jìn)度。7結(jié)論1） 采用綜合物探基本查明探測段地下30m內(nèi)巖土層電性分層、速度分層情況以及電性異常區(qū)；2） 地震法能夠快速對地表淺層進(jìn)行層位劃分，地質(zhì)雷達(dá)能夠準(zhǔn)確查找淺部地質(zhì)構(gòu)造；3） 利用成果疊加圖結(jié)合鉆探進(jìn)行工程地質(zhì)綜合分析，提高了工程勘察的準(zhǔn)確性。參考文獻(xiàn):【相關(guān)文獻(xiàn)】［1］ 李周妮.綜合物探在工程勘察中的研究與應(yīng)用［D］.成都：成都理工大學(xué),2015.［2］ 賴思靜，楊建國,賈學(xué)明.綜合物探技術(shù)及工程應(yīng)用［J］.公路交通技術(shù),2005(5):52-56.［3］ 張澍，李莎物探技術(shù)在地鐵項目勘察中的綜合應(yīng)用［J］工程建設(shè)與設(shè)計,2017,33(8):46-47.［4］ 唐揚物探技術(shù)在地鐵項目勘察中的綜合應(yīng)用［J］.市政技術(shù),2015,33(5):111-113+116.［5］ 欒明龍，魏紅林萬順.瞬態(tài)瑞利波技術(shù)在工程勘察中的應(yīng)用［J］物探與化探,2012,36(5):878-883.［6］ 林萬順.多道瞬態(tài)面波技術(shù)在水利及巖土工程勘察中的應(yīng)用［J］工程勘察,2000,28(4):38-40.［7］ 李永東，趙占廠,姜躍東.多道瞬態(tài)面波技術(shù)在賽白高速工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用［J］.勘察科學(xué)技術(shù),2011(3):56-58.［8］ 謝昭暉，鐘和，陳昌彥瑞利波勘探技術(shù)在巖土工程