综合物探技术在城市轨道交通勘察中的应用

王其合

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)

0 引言

随着我国一线、二线城市的高速发展，城市轨道交通工程不断涌现，面临的工程条件也愈加复杂。破碎带和岩溶作为常见的不良地质现象，对城市轨道交通工程设计和施工有着严重的影响。更加深入地了解物探方法在城市轨道交通工程中运用，是工程师们针对不同工程选择相应物探方法所必须面对的问题。任杰等[1]通过高密度电法探测破碎带，为工程提供了一种较为可靠的方法；杨金山等[2]针对干扰区进行了研究分析，验证了其工程使用的可靠性；何国全等[3-4]研究了高密度电法在岩溶探测中的应用，验证了高密度电法的可行性；郑江波等[5-8]采用地震法或联合高密度电法针对岩溶区进行综合探测，得到较好的应用效果；章飞亮等[9-13]还通过了3种以上的物探方法进行了对比分析，表明了物探方法在不同工程中的精确性并不一致；杨建明等[14-15]通过瞬变电磁法探测岩溶，弥补了高密度电法探测深度的不足。

笔者以徐州市城市轨道交通6号某车站工程场地为例，采用高密度电法和瞬变电磁法来探测岩溶和破碎带。高密度电法作为常见的物探方法，作为本文探测对比的依据。浅层瞬变电磁法目前在城市轨道交通中的应用较少，因此具备一定的研究意义。笔者通过钻探来验证高密度电法在破碎带探测中可靠性，再以浅层瞬变电磁法[16]和高密度电法进行对比验证，给工程提供一种切实可行的物探选择方法。

图1 地貌单元图Fig.1 Geomorphic unit map

1 工程地质条件概况

1.1 地形地貌

徐州市区位于鲁南山区向黄淮海平原过渡的部位，以平原为主，广袤的冲积平原上分布一系列NE-NEE向展布的低山残丘及岗地徐州市区内的地貌形态，主要有剥蚀～溶蚀丘陵(残丘)和堆积平原两大类。本场地自南向北穿越废黄河高漫滩、冲积平原、溶蚀丘陵(残丘)三个地貌单元，见图1。

1.2 地层岩性

本工程发育有第四系全新统(Q4)、上更新统(Q3)地层，覆盖层总厚度为0.1 m～30.7 m，下伏基岩为白垩系上统王氏组碎屑沉积岩、震旦系城山组砂质灰岩、赵圩组石灰岩、倪园组白云岩、九顶山组石灰岩。

1.3 场地地质构造

本标段场区大部分属贾汪复式向斜东侧翼部边缘。本工程内发育有次级断裂F60邵楼断裂，该断裂从线路右线AK35+640里程附近穿过(D6C5Q14Z42孔揭示)，上覆第四系覆盖层约8.4 m，属隐伏式断裂，断层宽度为10 m～20 m，断层破碎带岩石破碎，岩溶发育，局部呈砂土状、土状，对场地稳定性影响较大，该断层非活动性断层(图2)。

图2 场地地质构造图Fig.2 Geological structure map of the site

2 地球物理参数特征

根据经验统计和反演结果分析得出岩土体的反演电阻率值(表1)。由表1可知，不同岩土性之间，岩土体、破碎～较破碎、较完整岩体与破碎带以及破碎、软弱或含水岩体之间存在一定的电性差异，因此本工程具备开展高密电法和瞬变电磁法的地球物理勘探前提条件。

表1 物性参数统计表

图3 钻探孔及物探线平面布置图Fig.3 Simplified ecological map showing borcholes and geophysical survey lines(a)断层测线布置图;(b)岩溶区测线布置图

图4 电阻率反演图Fig.4 Resistivity inversion map

3 方法原理

3.1 高密度电法勘探

高密度电法是一种阵列式电阻率测量方法，它以导电性为基础，通过观测分析电场分布变化的规律为解决地质问题提供依据，其基本原理与传统的直流电阻率法相同。与常规电法相比，高密度电法具有抗干扰强、采集速度快、布设快等优点。

3.2 瞬变电磁法

基于等值反磁通原理的瞬变电磁法,是一种新的探测地下纯二次场的方法。该方法采用上下平行共轴的两个相同线圈通以反向电流作为发射源，且在该双线圈源合成的一次场零磁通平面上，测量对地中心耦合的纯二次场。该方法能够有效消除接收线圈本身的感应电动势，从而获得地下纯二次场的响应。该方法采用的双线圈源比传统瞬变电磁法采用的单线圈源对地中心耦合场能量更集中，有利于减少旁侧影响、提高探测的横向分辨率。

4 成果分析和地质解释

4.1 测线布置

根据工程实际条件，共布置物探测线3条，其中D1、D2为高密度电法测线和S1为瞬变电磁法，D2和S1测线位置相同，具体位置见图3。

4.2 破碎带探测成果解译

根据高密度电法D1测线电阻率反演得出，其场地覆盖层以填土和粉质黏土为主，电阻率值ρ=2 Ω·m ～40 Ω·m，全风化/强风化粉砂岩，电阻率值ρ= 40 Ω·m ～65 Ω·m，岩体破碎～较破碎，中风化粉砂岩，电阻率值ρ=68 Ω·m ～1 870 Ω·m，完整～较完整。结合已有钻孔资料，覆盖层厚度约为10 m～15 m，基岩面起伏总体较为平缓。图4电阻率反演图中横坐标270 m～300 m位置出现明显的低阻异常，推测为F60断裂，倾角约50°～60°，走向WE向，断距约30 m。

图5 工程地质剖面图Fig.5 Engineering geological section

图6 高密度电法电阻率反演图Fig.6 Resistivity inversion map of high density resistivity method

根据勘探孔的揭露情况(剖面图见图5)，采用高密度电法对断裂破碎带的探测结果显示，其成果与勘探孔和调绘结果的吻合度较高。但是本次探测对岩溶的特性反演效果未能达到工程要求，钻探揭露的溶洞因物性与破碎带物性接近且靠近破碎带，因此岩溶的电阻率反演未能准确显示。

4.3 岩溶探测成果解译

4.3.1 高密度电法

根据高密度电法D2测线电阻率反演结果得出，覆盖层主要以填土和粉质黏土为主，电阻率值ρ=1 Ω·m～29 Ω·m；全风化、强风化灰岩和页岩互层，电阻率值ρ= 29 Ω·m ～215 Ω·m，岩体破碎～较破碎；中风化灰岩，电阻率值ρ=215 Ω·m ～6 097 Ω·m，完整～较完整。结合已有的钻孔资料，覆盖层厚度约为16 m～23 m，基岩面起伏总体较为平缓。从反演剖面图6中，横向坐标为135 m～143 m、埋深高程为0 m～8 m和横向坐标为220 m～232 m、埋深高程为-3 m～-7 m及横向坐标为266 m～273 m、埋深高程为3 m～9 m出现明显的低阻异常体，推测为溶洞。

图7 瞬变电磁法电阻率反演断面图Fig.7 Transient electromagnetic resistivity inversion section

图8 工程地质剖面图Fig.8 Engineering geological profile of high speed railway parking lot

表2 钻探验证结果

4.3.2 瞬变电磁法

由图7得出，图中划定9个异常区域，该区域高阻中出现明显的低阻体且等值线封闭性好，电阻率值范围不一，应与岩溶填充物有关。根据瞬变电磁法测线反演断面图，根据划定异常区域的大小和电阻率等值线错断情况，推测该区域溶洞发育不规则，且溶洞大小不一，该区域岩溶发育中等。

4.3.3 探测成果对比验证

根据《城市轨道交通规范》，本场地钻孔间距40 m～100 m，局部受场地影响未能在测线上布置钻孔，仅有钻孔D6C5T2Z20、D6C5T2Z25(图8)具备验证条件。根据验证结果，发现本工程高密度电法在岩溶探测中存在一定的缺失，岩溶深度较小时无法准确反演。高密度电法受装置(温纳四极)影响，测线两侧反演深度不足。瞬变电磁法的反演结果与钻探验证孔结果吻合度相对较高，具体对比情况见表2。

5 结语

综上所述，在城市轨道工程中高密度电法对探测破碎带具有良好的效果，但探测岩溶发育情况存在一定的缺失。基于等值反磁通原理的瞬变电磁法具有更好的分辨率，能够弥补高密度电法在探测岩溶时的不足。由于地质钻孔空间上不连续，这决定了破碎带和岩溶发育情况不能完全探测清楚，因此在实际工程中，应根据实际情况选择切实可行的物探方法，也可综合采用取长补短、对比验证，提高物探探测的准确性，减少单一方法的局限性。