淺層地震及地質(zhì)雷達在地鐵工程勘察中的應用

淺層地震及地質(zhì)雷達在地鐵工程勘察中的應用劉百祥;鮮鵬輝【期刊名稱】《《工程地球物理學報》》【年(卷)，期】2019(016)006【總頁數(shù)】7頁(P792-798)【關鍵詞】淺層地震;地質(zhì)雷達;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)濟的不斷發(fā)展和城市化進程的加速，城市地鐵建設也邁入了全面高速發(fā)展期，為保證地鐵建設又好又快地施工，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、高密度電法等方法。近年來不少學者對物探手段在城市工程勘察中的應用進行了研究，其中李周妮［1］采用高密度、地震反射法、地質(zhì)雷達對富水區(qū)、破碎帶、空洞等進行了探測研究；賴思靜等［2］采用面波和折射波進行了探測實例分析，張澍等［3］采用綜合物探技術探測城市管線；唐揚等［4］采用淺層地震和地質(zhì)雷達進行管線探測；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、水力等方面進行應用研究；張龍龍［9］、彭家陞［10］采用地質(zhì)雷達進行公路工程檢測和巖土工程勘察的應用；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行了實例應用；何清立［14］采用三種物探技術方法，由淺入深對路基塌陷區(qū)進行勘查；章雪松等［15］采用雷達和高密度對采礦空洞及采空區(qū)進行探查；陳斌［16］采用多種物探方法查找隱伏儲熱構造。本文借鑒前人相關經(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)雷達法多種方法在地鐵工程沿線選取典型地段進行探測試驗，查明典型地段的主要地層分布狀況及地質(zhì)構造，利用聯(lián)合探測成果選取合適位置布設鉆孔，通過物探與鉆探技術結合，綜合解釋分析探測段工程地質(zhì)狀況，對地表淺層進行電性分層和速度風層，提高工程勘察的準確性和施工效率，節(jié)約勘察成本和縮短工期，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益，因此具有良好的應用前景。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，推測淺部地下構造或者測定巖土物理力學參數(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，對采集的信號進行傅立葉變換、頻譜分析，利用多次覆蓋和多次疊加技術，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進行地層劃分和巖土物理力學參數(shù)分析。2.2地質(zhì)雷達探測基本原理地質(zhì)雷達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)雷達利用不同電性界面之間的波阻抗差異進行探測，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，反射波到達的時間也就有先后，從而可以應用時間-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為雷達波在地層中傳播的平均速度，m/ns。當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的時間也會相應改變，通過時深轉換，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試驗目的本次探測試驗在某地鐵線選取一個典型地段進行勘探，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對應里程YAK15+660,500對應里程YAK16+160。探測試驗目的是利用地球物理手段抽樣查明該段地鐵線路地表以下30m內(nèi)的主要地層分布狀況、探測地段內(nèi)的主要地質(zhì)構造，利用物探成果選取合適位置布設鉆孔，指導鉆探施工并減少其工作量；物探、鉆探綜合進行工程地質(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)雷達法進行綜合探測。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)雷達探測通過地質(zhì)雷達進行數(shù)據(jù)采集，其關鍵是選擇最佳的探測參數(shù)，根據(jù)需要探測的目標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)雷達探測示意圖Fig.2SchematicdiagramofGPRDetection4結果分析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)進行處理與分析，經(jīng)過數(shù)據(jù)解編與轉換，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。4.3地質(zhì)雷達法探測成果分析探測數(shù)據(jù)輸入GR雷達數(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)雷達對淺部雜填土層與下覆層的分界面反應較為清晰，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)雷達探測成果Fig.6Resultsofgeologicalradarsurvey5探測成果綜合解釋利用相關軟件將淺層地震反射波法、多道瞬態(tài)瑞雷波法、地質(zhì)雷達法探測成果圖相互疊加在一起，地質(zhì)雷達成果圖置于最底層、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)綜合探測結果，選取測線150m、350m兩個位置進行鉆探驗證，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)粉細砂土（局部風化），17.6-22.3m為沖洪積黏土（有少量風化裂隙），22.3-26m為中細砂土（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（局部風化），13-22m為中細砂土（有少量風化裂隙），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，產(chǎn)生壓縮變形，引起地面沉降和建筑物變形，甚至會導致基坑失穩(wěn)傾覆；第三層為淤泥質(zhì)粉細砂土層，局部風化，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，局部風化或有少量風化裂隙，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，嚴重時會導致基坑失穩(wěn)傾覆；第五層為中細砂土層，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；雷達探測的兩個局部風化和裂隙發(fā)育電性異常區(qū)，易引起涌水、塌方和冒頂?shù)裙こ淌鹿?，導致施工支護困難，影響工程進度。7結論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行層位劃分，地質(zhì)雷達能夠準確查找淺部地質(zhì)構造；3） 利用成果疊加圖結合鉆探進行工程地質(zhì)綜合分析，提高了工程勘察的準確性。參考文獻:【相關文獻】［1］ 李周妮.綜合物探在工程勘察中的研究與應用［D］.成都：成都理工大學,2015.［2］ 賴思靜，楊建國,賈學明.綜合物探技術及工程應用［J］.公路交通技術,2005(5):52-56.［3］ 張澍，李莎物探技術在地鐵項目勘察中的綜合應用［J］工程建設與設計,2017,33(8):46-47.［4］ 唐揚物探技術在地鐵項目勘察中的綜合應用［J］.市政技術,2015,33(5):111-113+116.［5］ 欒明龍，魏紅林萬順.瞬態(tài)瑞利波技術在工程勘察中的應用［J］物探與化探,2012,36(5):878-883.［6］ 林萬順.多道瞬態(tài)面波技術在水利及巖土工程勘察中的應用［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)面波技術在賽白高速工程地質(zhì)勘察中的應用［J］.勘察科學技術,2011(3):56-58.［8］ 謝昭暉，鐘和，陳昌彥瑞利波勘探技術在巖土工程