工程物探在地铁勘察中的应用

  一、在工程可行性研究阶段可以全面快速了解沿线地质全貌

 

  地铁2号线一期工程西起河西地区途经汉中路、中山东路、孝陵卫东至马群横穿城市繁华的商业区—新街口地区。项目承接单位克服了各种干扰大、夜间施工时间短及雨水天气多等诸多不利因素，经近2个月的外业施工，共完成浅层地震反射剖面20km。PS测井一孔，钻探验证孔2个，并在部分疑难勘察地段，配合进行了浅层地震折射、探地雷达、面波勘察，水域浅层地震纵波反射等物探方法。工作结果提供了地铁2号线一期工程沿线覆盖层主要分层厚度及基岩埋深、形态，发现断裂点异常5处，结合沿线城市建筑的工勘结果，分段对沿线工程地质条件进行评价，提交一份比较完整的工程地质资料，供立项及初步设计使用。主要工作方法及成果简介如下。

 

  地铁2号线穿越了南京市最繁华的中山东路、汉中路等商业中心，白天及傍晚人流不息，各种振动较为强烈，严重影响地震勘察效果。为此，本次工作全部选择在凌晨0:00时至4:00时干扰较小时施工。

 

  1.陆域勘察

 

  经试验,陆域采用纵波法勘察第四系分层较差，抗干扰能力也弱，而横波反射效果较好，因此仅在马群至孝陵卫局部基岩较浅地段使用辅以折射波法，大部分陆域施工采用横波反射法，施工参数如下：

 

  道间距：2m、排列长度：46m、叠加次数4次、炮间距：6m

 

  偏移距：中间激发、采样率：1ms、记录长度：1024ms。

 

  2.水域地震

 

  在逸仙桥及汉中门外秦淮河两段水域采用纵波反射法。由于水面较窄，水流十分小，水深也较浅，经试验采用地震映象法施工，施工参数如下：

 

  炮间距：1m、偏移距：4m、激发能量：2000J

 

  采样率：0.12ms、记录长度：128ms。

 

  3.资料处理

 

  根据单炮记录特征及勘探目的层的要求，首先对野外地震仪采集的有效炮文件中的空道及废道进行剔除，然后依次输入到计算机中进行数据处理，工作流程为：数据解编→动平衡→频谱分析→滤波→速度分析→抽道→动校正→剖面输出。

 

  在上述常规处理的基础上，后期在工作站上进行真振幅恢复，多道反褶积Fk滤波等特殊处理，以及动平衡、剖面滤波、归一化处理，以期达到突出有效波、压制干扰波之目的，形成最终地震时间剖面.

 

  根据各测线地震时间剖面图，在认真有效波的相位对比和同相轴追踪的基础上，首先控制标准层位，并对其连续追踪，之后对第四系层位进行对比分析、划定。在以上相应分析，划定的基础上结合钻孔资料，模拟从地表至基岩以150～200m/s的递增地层平均速度进行逐层时深换算，最后绘制物探解释剖面图。

 

  二、在设计阶段用以弥补特殊地段钻探工作的不足

 

  1.南京铁路站前广场采用综合物探的方法，解决不同基岩的分界及岩溶的工程地质问题

 

  1993年地铁1号线选线论证时，曾在工程地质勘察J49孔强风化灰岩中发现有溶洞存在，引起了南京地铁筹建处的重视，如进行加密钻探工作，难度较大。1998年委托工程物探单位采用综合物探手段对南京铁路站前广场地下岩溶发育状况进行勘察，为地铁设计提供工程地质依据。

 

  采用以浅层地震横波反射方法为主，纵波反射、探地雷达探测为辅，跨孔地震波层析成像验证的工作方法。

 

  管家桥—御道街局部横波反射时间部面图

 

  T5波组反映了基岩形态，在同一测线上，具有两个特征， 一是两侧同相轴间不明显错断接触，另一是两侧同相轴间是斜坡过渡接触，西侧同相轴较光滑，而东侧稍有起伏；推断上述两种特征为两侧不同岩性接触界线之反映，结合钻孔资料分析，两侧为中三叠统周冲组灰岩，较均质，估计它在该区膏盐不发育，古环境为低地形；西侧为燕山期闪长玢岩，古环境为高地形，因风化剥蚀作用形成了其表面不平整，见微小起伏特征。根据闪长玢岩与灰岩形态特征推测两者间的界线大致沿地铁1号站位北缘展布，该界线向西可能在J48钻孔南侧通过后往西北拐折，即玖园内属闪长玢岩分布区。

 

  ?T5波组以下尚存在二组较强烈的反射波组（T51与T52），其形态与T5不尽相同，推断它可能与基岩内不同的风化界面有关。由上述3个基岩反射波组连续性特征分析，认为存在两种异常：，一是T5波组完整，但其下两个波组出现能量减弱，缺失或波形杂乱特征 Ⅳ线横波反射地震时间剖面图

 

  二是T5波组出现局部紊乱特征，G3、G4孔揭示为闪长玢岩内矽卡岩化、大理岩化灰岩存在，推断它可能属捕掳体。

 

  2.南京车站地铁站采用工程物探的方法，搞清了基岩面变化复杂的地质情况，调整了初步设计线路位置

 

  2000年南京站地铁站在进行详勘时发现50m间距的钻孔勘察，未能控制住区内基岩起伏形态。在区内如铁轨间、站台内特殊地段均不能再加密布设钻孔。采用浅层地震横波反射及面波2种工程物探的方法，查清了区内第四系厚度的变化及基岩起伏形态。确定区内基岩起伏埋深在4～31m之间，幅差达27m。其中在火车站出站口附近及西侧地下通道以西为基岩埋深突变区，分别向北、向东急剧拉开。这一结论与初勘结果差别较大，致使地铁入站的线路进行了设计调整。

 

  3.红山动物园采用工程物探方法弥补了钻探工作难以解决的地质问题

 

  2001年4月南京地铁1号线已分段进入施工及详勘阶段，在南京—东井亭区间详勘中，于红山动物园XND11、XND14孔中见溶洞现象，引起地铁指挥部及工程监理单位的重视。由于区内地处动物园珍禽孵化厂内，钻孔的噪声影响珍禽的生活，使钻探工作不能进行。采用工程物探方法，要求查明基岩起伏形态，埋深及地下岩溶、断裂分布特征。

 

  结合本区地貌（丘陵）及地质条件分析，认为单一的物探方法难以解决所查明的地质问题，拟采用综合物探技术，其思路为：

 

  采用浅层地震横波反射法确定区内基岩面宏观形态，埋深及部分溶洞。

 

  采用瞬变电磁测深确定区内岩溶及断裂分布特征。

 

  采用高密度电法对上述两种方法推断成果进行核查和评价。

 

  通过本次综合物探勘察，得到了区内基岩的埋深及形态，基岩面形态北东侧呈隆起，南东侧呈单斜特征。

 

  由基岩隆起往南西侧，分布一条北北东向浅部岩溶带，宽3.4～14m，控制长度95m左右，该带岩溶连通性为管道～渗透流，流向南西，是本区浅部重要的输水线。基岩隆起及其北侧，推测分布另一浅部岩溶带，控制长度约15m，水流向北。在北－东北向浅部岩溶带之下存在一条贯通全区的深部岩溶带，两者间水力联系弱。推断本区存在两条北西向断裂，F1为断裂破碎或裂隙带，倾向南，F2为扭性断裂，陡倾。

 

  上述工作结果（见图3）弥补了钻探工作的不足，完成了详勘任务。

 

  三、采用工程物探的方法解决施工阶段的疑难问题

 

  寻找地下不明障碍物

 

  南京地铁1号线T15标段采用盾构方法施工，需要安全穿过玄武湖隧道下方。玄武湖隧道在施工过程进行过地基加固处理。需物探查明土层内压密注浆加固施工中残留钢管和直径大于5cm以上的石块。该项目工作采用美国产SIR-2型探地雷达及其配套500MHz、100MHz屏蔽天线。探测方式为沿剖面的连续扫描，线距按1m间距布设。

 

  使用100MHz屏蔽天线时所选用记录长度分别为200ns、250ns、300ns，使用500MHz屏蔽天线时所选用记录长度分别为200ns、250ns。

 

  结果对玄武湖隧道的底部混凝土与下方铺垫碎石层情况吻合，压密注浆后在淤泥粉质黏土层内水泥固结的形状，范围均有反映。并发现两处良导体的异常，后经委托方核实为玄武湖公路隧道泄水管。结论认为：在探测范围内下方未发现压密注浆残留钢管和直径大于50cm的石块。委托方盾构已安全通过玄武湖公路隧道下方。

 

  四、工程物探在地铁勘察中的优缺点

 

  1.优 点

 

  （1）避免立项前期投入大规模的地质钻探工作和需要的市政、交警等多方面的协助及地下管线、人防工程等各方面的资料。

 

  （2）工程物探方法是采用仪器进行探测→无损探测，回避钻探勘察对城市环境、交通……等环境影响问题。

 

  （3）节省了立项经费。南京地铁2号线一期工程20km的工程物探勘察费用为40余万元，大大低于同期常规地质勘察费用。

 

  （4）在相对短的时间内，提供沿线几十千米的较完整的工程地质资料，提供基岩、主要工程地质层位的埋深、断裂构造、古河道的分布等情况。

 

  （5）工程物探一般可连续观测，对解决层位起伏变化比较大的断裂分布的地质问题，优于常规钻探“点测”的结果。

 

  2.缺 点

 

  （1）需要探测目标具有物性前提（如密度、电、磁等物性），不同岩层介质物性差越大，勘察效果越好。如“粉砂”与“细砂”这类物性差相对较小的层位划分就不如钻探勘察结果明了详细。

 

  （2）工程物探是一种间接勘察，外业数据采集后一般需要数据处理及地质解释之后才能得到较为满意的结果，这些均与勘察单位所采用的方法、技术、地质解释水平密切相关。

 

  （3）不能提供工程上所需要的各项岩土力学参数，必须与钻探工作配合才能获取工程上所需的最佳结果。