物探方法在宁波轨道交通厚层填土勘察中的应用

林乃山

(宁波市轨道交通集团有限公司，浙江 宁波 315106)



物探方法在宁波轨道交通厚层填土勘察中的应用

林乃山

(宁波市轨道交通集团有限公司，浙江 宁波 315106)

宁波轨道交通工程为了探明厚层填土的分布情况及性质，解决因厚层填土而导致的工程变更及安全隐患问题，在4号线工程厚层填土勘察中，引入了微动探测法、瞬态瑞雷波法、地震散射波法、地震映像法4种物探方法进行对比研究，并通过钻孔取芯验证。实践表明：两种及以上物探方法组合应用可较好地探明厚层填土的底界和边界，从探测效果和精度考量，优先选用的两种物探方法为微动探测法和瞬态瑞雷波法，同时，该方法为后续宁波轨道交通工程厚层填土勘察提供了可靠的解决方案，并可为其他类似工程勘察提供借鉴。

物探方法；地质；厚层填土；勘探

1　概　述

厚层填土主要因原有河、塘及低洼地段由于各种原因(如城市道路建设等人类活动)被填埋或填高而形成的，工程中称其为特殊性岩土。宁波城市位于我国东部沿海地区，水系发达，河网密布，随着城市建设的发展，大量的河、塘或低洼地段被人类活动填埋或填高，形成了分布无规律及厚度不一的厚填土区。2008年8月，宁波市轨道交通发展规划获国家审批，成为全国第二批首个获批城市。在宁波轨道交通第一轮和第二轮的几条线路地下车站建设过程中，由于勘察期间未探明厚层填土分布情况及性质而导致的工程变更及安全隐患问题，一直困扰着岩土工程勘察工程师们。因此，勘察期间探明厚层填土的分布情况及性质显得十分必要。

厚层填土勘察方法较多，具体应根据填土性质确定，对于由细粒土(如粉土或黏性土等)组成且成分较均匀的填土可采用钻探取样、轻型钻具与螺纹钻等原位测试相结合的方法；对于含较多粗颗粒(粒径小于0.2 m)成分的填土，一般宜采用动力触探、钻探取芯及探坑或探井方法[1]，但对于成分杂且含有较多碎石、块石的厚层填土，采用单一的勘察方法将无法查清厚层填土的分布情况及性质。本文基于填土与基底或周边土存在明显的物性差异，引入了4种探查厚层填土的物探方法进行比对研究。

2　厚层填土物性特征

2.1物性参数

根据填土性质，宁波地区厚层填土可分为杂填土、素填土、浜填土和浜泥。决定地下介质物性参数的主要因素为岩土体、回填物成分、结构、孔隙度、组成形式以及空隙中流体的物理性质和饱和度等[2]。在前人工作成果基础上，对宁波市轨道交通2号线、4号线、宁波至奉化城际铁路工程钻孔波速和电阻率测试成果进行分类统计和整理，以及对本次探查相关的目标物、岩土体等主要介质的物性特征进行描述，见表1。

表1　主要介质物性参数统计表

由表1可见，厚层填土回填物与周边或基底粉质黏土、淤泥质黏土存在较为明显的物性差异，这些差异为利用物探技术进行厚层填土探查提供了地球物理前提。

2.2厚层填土模型建立及异常特征

根据宁波市区水系发育特点及地层分布情况，一般厚层填土断面呈“碗”状，其模型示意图见图1。

图1　厚层填土模型示意图

根据前人工作经验，结合宁波地区岩土体物性参数，依据填土的密实程度不同，填土较之周边或基底淤泥质黏土、粉质黏土等土性，具有明显的地震波速度、电磁波速度和电阻率差异，其异常特征描述见表2。

表2　厚层填土在各方法中的异常特征表

3　物探方法及应用实例

3.1探测方法及原理

3.1.1微动探测法

微动探测法是以(视)S波速度差异来划分地层岩性和地质构造，并根据其数值大小以及展布形态来判断地下地质体空间分布的物探方法[3]。微动探测视勘探目的不同，分为单点微动探测(测深)和二维微动剖面探测。

本次研究工作采用MTKV-1C型微动勘察仪系统进行微动数据采集，该系统由2 Hz拾震仪(速度型、垂直分量)和Datamark LS-8800型记录仪两部分组成，各观测点的数据独立采集，测点之间的同步和时间校正通过接收GPS卫星信号自动实现，微动数据的采样率为100 Hz。

3.1.2瞬态瑞雷波法

瞬态瑞雷波法是利用人工瞬态震源激发产生多种频率成分的瑞雷波，由于近地表介质的不均匀性导致瑞雷波产生频散，通过地震记录得到的瑞雷波信息来计算出瑞雷波波速随频率的变化关系，最终确定瑞雷波波速在地下空间的分布特征,以了解浅层工程地质分层和速度分布的地震勘查方法[3]。

3.1.3地震映像法

地震映像法即为高密度地震映像，是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的一种浅层地震勘探方法。

为节约资源，将同桌两人分为一组，分发一份实物样品，样品量以够用为度，样品种类尽量满足常用需求。以班级为单位购买塑料封口袋，学期初组织课代表和班干部统一发放中药样品，学生自行装袋，建立口袋标本。

在开展工作时，每次激发，在接收点采用单个检波器接收，仪器记录后，激发点和接收点同时向前移动一定距离，记录点位于激发和接收距离的中点，反映中点两侧射线传播范围内地下的岩层、岩性的变化，重复上述过程可获得测线上的一条或多条地震映像时间剖面。

地震映像法试验所使用仪器为NZXP地震仪，检波器为CDJ-Z38型以及CDJ-Z100型检波器。

3.1.4地震散射波法

地震散射波法即利用地表激震所获取的地层波速之间的差异来判断地下地质体空间分布的物探方法。地震散射波法的探测设备为SSP地震散射系统，该系统由RDscan采集主机，拖曳式检波器串、震源及实时处理软件和后处理软件组成。

3.2应用实例

3.2.1试验区选择

通过新旧地形图比对、调查及前期勘察资料，以及考虑不同环境影响因素、不同位置、不同表层介质差异，本次研究共选择了4号线工程公交锦江年华站、柏树花园、柳西新村站及三支街4个试验区作为物探探测方法的对比研究对象，并在干扰强度不同的试验区开展各种物探方法试验，其主要目的是通过试验取得对厚层填土探测有效的且精度可靠的技术参数。本文选干扰强度较小的公交锦江年华站为例进行介绍。

3.2.2方法及试验成果

公交锦江年华站试验区(图2)位于宁波轨道交通4号线里程AK14+500附近，根据新旧地形图比对、现场调查及已有钻孔资料，公交锦江年华站及附件分布有一大片厚层填土区，该区域原来为养殖池塘，后被碎石土、建筑垃圾等填埋。本次试验引用了

4号线工程Q9CZ6、Q9CZ7号孔两个钻孔资料，具体浅部岩性分层见表3，同时，通过现场踏勘，本区布置了三条测线，分别为1线、2线、3线，每条长度均为60 m，投入的探测方法有地震映像法、瞬态瑞雷波法、地震散射波法、微动探测法，试验方法及工作量表见表4。

图2　公交锦江年华站工作布置图

孔号孔位(1)孔位(2)岩性层厚/mQ9CZ6AK14+465、左8m1线22.5m附近杂填土0～3.0粉质黏土 3.0～4.7淤泥质黏土 4.7～18.7Q9CZ7AK14+576、左17m3线19.5m附近杂填土 0～3.1淤泥质粉质黏土 3.1～5.1粉质黏土 5.1～6.0淤泥质黏土 6.0～14.5

表4　公交锦江年华站试验区试验方法及工作量

3.2.2.1地震映像探查成果

对试验区分别进行了噪音调查试验、偏移距试验、检波器试验、点距试验及探查效果分析，探查结果表明：点距为0.5 m和1 m同相轴趋势一致，整体形态没有太大变化，异常明显，基本能反应出整个厚层填土的边界位置，但在细部异常位置确定上，1 m点距没有0.5 m点距精确。

3.2.2.2瞬态瑞雷波探查成果

对试验区分别进行了噪音调查试验、点距试验、单炮接地条件试验，通过上述试验分析得到：(1)瞬态瑞雷波勘探方法可以有效地探明厚层填土底边界位置；(2)采用2 m点距比采用4 m点距所采集的数据解释异常效果明显，界面更加清晰；(3)2线中瞬态瑞雷波法异常结果与地震映像相差较大，可能为表层介质为松散碎石引起。

3.2.2.3微动探测法

3线微动探测法的探测效果见图3。

图3　3线微动探测视S波速度剖面图

3.2.2.4地震散射波法

3线地震散射波法的探测效果见图4。

图4　3线地震散射地层波速图

3.2.2.53线探查效果对比

本测线钻孔Q9CZ7揭露杂填土底界埋深为3.1 m，调查边界位置为30/3。方法试验结果与钻孔资料比对见表5。

3.2.2.6探查成果

通过在宁波轨道交通4号线工程公交锦江年华站采用多种物探方法对3条测线进行不同试验，并使物探方法试验取得的成果与已知钻孔资料进行比对，结果表明：

表5　厚层填土探查效果对比一览表

1)运用综合物探方法能探测厚层填土的边界和底界；瞬态瑞雷波法、微动探测法探查效果最佳，其次为地震映像法和地震散射波法；纵向分辨率以瞬态瑞雷波法、微动探测法较好，其次为地震映像法和地震散射波法；横向分辨率以地震映像法效果最佳，其次为微动探测法；方法组合以瞬态瑞雷波法、地震映像法和微动探测法组合最佳。

2)通过与钻孔资料比对，可以得出：瞬态瑞雷波法探测埋深精度最高，误差为0.2 m；其次为微动探测法，误差为0.4 m；之后为地震映像法，误差为0.7～1.1 m。

3)通过试验，得出各种物探方法在本试验区呈现出局限性。

①微动探测法，根据本场地厚层填土埋深在地下3 m，探测深度达到10～20 m，台阵最大半径为5 m进行布置，3线布置工作尚可，1线、2线因场地不平整微动探测法受限制。

②瞬态瑞雷波法，在表层介质为碎石时，检波器与地面耦合差，能量损失严重，导致数据采集质量差。

③地震映像法，解释时主要采用波形、振幅、相位、频率等显示特征来判断目标体，纵向分辨率较低，探测目标体埋深误差较大；如探查目标物尺寸小、埋深较大、与周围介质波阻抗差别小时，该方法不宜使用[4]。

④地震散射波法，浅部(5 m以内)信息量较少，可作定性解释，增大了对厚层填土底界、边界判断的难度。

3.3进一步探查与验证

为了进一步验证上述4种方法探查的有效性及精度，选择宁波轨道交通4号线儿童公园站—宁波东站区间、潘火站两个未知区域开展了试验，下面以潘火站为例进行介绍。

3.3.1工程概况及测线布置

该试验区位于宁横路上，嵩江东路路口，宁波轨道交通4号线潘火站附近，根据调查及访问，该处原为周东江一个支流，后因建筑需要被填埋，初步推测厚层填土宽约13 m，厚度不详。为了探查厚层填土的分布情况及进一步验证各种物探方法的有效性及精度，对该区域开展了综合物探试验，并用钻孔对物探成果进行验证。在试验区布置测线两条，分布为C线、D线，长度均为60 m，物探测线布置位置图见图5，主要方法及工作量见表6。

图5　(潘火站)物探测线布置位置图

物探方法测线号及测线长度/m地震映像法C线(60)、D线(60)瞬态瑞雷波法C线(60)、D线(60)地震散射波法C线(60)、D线(60)微动探测法D线(60)

3.3.2综合物探解析

C线探查成果：推断横向边界以地震映像法为准，纵向深度以瞬态瑞雷波法为准，并结合微动探测法资料对其综合推测，最后推测潘火站场地内可能存在厚层填土，其宽度约为23 m(21/C～44/C段)，深度最深约为5 m，位于点29/C附近。

D线探查成果：推断横向边界以地震映像为准，纵向深度以微动探测法和瞬态瑞雷波法为准，并结合地震散射波法资料对其综合推测，最后推测潘火站场地内可能存在厚层填土，其宽度约为40 m(21/D～48/D段)，深度最深约为6.3 m，位于点38/D附近。

3.3.3钻孔验证

在D线布设了3个钻孔对物探成果进行进一步验证，钻孔编号及岩性分层表见表7，其中YZK1位于点28.5/D位置，主要为验证D线中间位置探测厚层填土底界位置，YZK2和YZK3分别位于点3/D和55/D两处，主要为控制两侧厚层填土边界。

表7　钻孔编号及岩性分层表　m

其中钻孔YZK1揭露填土底界埋深为3.5 m，填土成分以碎石、块石混黏性土为主。下面将各物探方法探测结果与钻孔资料进行比对，见表8。

表8　厚层填土探查效果对比一览表

3.3.4探查与验证成果

通过试验探查及钻孔验证，结果表明：综合物探方法探查结果与钻孔验证结果吻合度较好，探查精度能满足设计要求，也证实了应用综合物探方法探查宁波地区厚层填土是有效的，该方法可推广应用到其他有厚层填土存在的地区。

4　结　语

1)实践表明，两种及以上物探方法组合应用可较好地探明厚层填土的底界和边界，该方法为后续宁波轨道交通工程厚层填土勘察提供了可靠的解决方案，并可以在其他类似工程勘察工作中加以推广和应用。

2)瞬态瑞雷波法和微动探测法对探查厚层填土边界和底界的效果最佳，其次为地震映像法和地震散射波法。

3)应用钻孔比对及验证，结果表明：瞬态瑞雷波法探测埋深精度最高，误差为0.2 m；其次为微动探测法，误差为0.4 m；之后为地震映像法，误差为0.7～1.1 m。

4)试验发现：各种物探方法均具有局限性，比如微动探测法对场地平整度有一定要求，以及地震散射波法试验成果中，浅部(5 m以内)信息量较少等。

[1]建设部综合勘察研究设计院.GB 50021—2001岩土工程勘察规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[2]单娜琳,程志平,刘云祯.工程地震勘探[M].北京:冶金工业出版社,2006.

[3]徐明才,高景华.城市地震勘探[M].北京:地质出版社,2011.

[4]姜贤斌.地震映像在工程探测中的野外工作方法试验及应用[J].物探化探计算技术,2009，31(2)：94-95.

Application of the Geophysical Prospecting Method in theThick-Layer Bankette Prospecting of Rail Transit in Ning bo

LIN Naishan

2016-03-02

林乃山(1978—)，男，浙江平阳人，高级工程师，从事城市轨道交通岩土工程勘察管理与研究工作。

TU195+.2

B

1008-3707(2016)06-0021-05