基于地震映像法与井中磁梯度法的地下箱涵高精度探测

杨 超，赵 鹏，权利宾

(上海元易勘测设计有限公司，上海 201203)

1 引 言

地下箱涵是城市地下工程的组成部分之一，具体建构筑物形式如合流污水箱涵、原水箱涵设施等。由于建设年代久远，竣工资料不完整、不精准、缺失等原因导致空间位置信息缺失，形成地下空间开发过程中的障碍物，对设计、造价及施工造成了不利影响，因此，查明地下箱涵是城市地下工程建设的重要基础问题之一。

地下箱涵的建造往往采用钢筋混凝土，埋设方法主要分为两种：一种为开挖直埋式，埋深较浅；另一种为非开挖穿越式，一般埋设较深，其纵剖面呈中间深两边浅，中间区深度可达10 m以深。

针对上述地下箱涵的探查，一方面要确定其平面位置，另一方面要确定其深度。用探地雷达法探测，只能解决极少一部分问题(因为受目标体大小、地电条件、干扰异常等因素影响较大，特别是上海地区潜水位浅，往往很难探测出有效异常)[1]；用地震面波法探测，容易错判异常(因为上海地区潜水位浅，属于软土介质，能量往往易于陷入其中，无法成像；加之基阶与高阶无法有效区分，往往假异常较多，错判率较高)；用地震映像法探测，所得到的剖面为时间剖面，具有良好的信噪比和分辨率[2,3]，但不能直观地反映地下构筑体的深度信息，因此，常采用预估地下地质体的速度特征的方法来估算地下构筑体的埋深[4]；用磁梯度法探测，无需施加信号，可精确探测深度信息，误差在±20 cm以内，这是任何其他物探手段所难以企及的[5]，但需要知道初步平面位置。

基于此，本文针对不同方法的优缺点，提出了地震映像法与磁梯度法组合探测地下超深箱涵的探测方法与思路。实践表明，地震映像法与磁梯度法的有效组合，能够定性、定量地描述地下箱涵的空间位置，为类似问题的勘察和研究提供实践依据。

2 方法原理及特点

2.1 地震映像法

地震映像法，又称地震共偏移距法，是以地层的物性差异为基础，用相同的小偏移距逐步移动单点接收地震信号(图1)，基于反射波法中的最佳偏移距技术对地下地层或地下目的物进行连续扫描，利用多种地震波信息来探测地下介质变化的浅层地震勘探方法。该方法的使用前提是地下介质密度、速度、泊松比等弹性特征参数具有差异[3,6-12]。

图1 地震映像数据采集示意图[13]Fig.1 The sketch map of seismic data acquisition注：ΔX为测点间距；X为偏移距

弹性波在介质中传播时，将探测对象视为一维弹性体，当其中一端受瞬态脉冲作用后，则有应力波以波速V沿着地质体向脉冲前进的方向传播。波在传播中，如遇到地质体介质波阻抗发生变化的界面，入射的弹性波就会在这个界面上产生反射。对于反射波地震映像法而言，就是利用弹性反射波的特性(图2)，记录波的旅行时间和动力学特征，根据波的运动学和动力学特征，获取物性分界面或突变点的双程旅行时间距离曲线(图3)[6]。由于每个记录道都采用相同的偏移距，因此具有良好的信噪比和分辨率[3]。地震映像法工作原理如图2和式(1)所示，时距曲线如图3所示。

图2 地震映像探测原理Fig.2 The schematic diagram of seismic imaging detection

图3 时间距离曲线示意图[3]Fig.3 The diagram of time-distance curve

(1)

(2)

式中，t为弹性波的双程走时，单位：ms；H为反射点距离地面的埋深，单位：m；X为地震收发距，即偏移距，单位：m；V为介质中弹性波的波速，单位：m/ms。

2.2 磁梯度法

磁梯度法是根据一定单位距离内地磁场强度的变化来对地下管线进行测量的一种方法。一般在均匀无磁性物质的土层中，其磁场强度理论上为地球磁场，或称为背景磁场，而如果在其中有铁磁性物质存在时，将会在其周围产生感应磁场，从而产生磁异常。

根据径向梯度公式[14](3)可知：磁梯度与形状系数n，距离r密切相关，磁梯度值随距离r的增加而衰减，当探头与待测目标水平间距大于1.2 m时，几乎无任何变化(图4)。因此规范要求，测试孔与待测目标间距宜小于1 m[15]。

图4 随距离变化磁梯度峰值衰减曲线[16-18]Fig.4 The peak attenuation curve of magnetic gradient with distance

(3)

式中，Tr为径向梯度，单位：nT/m；T为磁场值，单位：nT；n为与磁性体形状有关的参数，无量纲(球体n=3，水平圆柱体n=2等)；r为观测点到场源的距离，单位：m；A为与磁性体的磁性、几何尺寸以及磁化方向有关的常数，无量纲。

3 测线布置及数据采集

3.1 地震映像法

3.1.1 探测位置

根据现场实际情况及收集资料分析，选择位于水泥道路北侧进行地震映像探测(位置如图5所示)。

3.1.2 接收方式

采取单道接收直接形成地下地层波阻抗界面的时间剖面。

3.1.3 仪器参数

采用北京水电所SWS-6A型工程地震系统，进行了4 m、6 m和8 m偏移距试验，最终选择偏移距4 m，直线等道间距0.5 m，采样间隔0.25 ms，每道采样数2 048，检波器分别为10 Hz、28 Hz和38 Hz。

3.2 磁梯度法

3.2.1 探测位置

根据地震映像结果选择于绿化带内进行磁梯度法探测(位置如图5所示)。

图5 地震测线及磁梯度孔位置Fig.5 Location map of seismic survey line and magnetic gradient hole

3.2.2 数据采集

采用廊坊兴尔XEGT-1磁梯度仪，根据地震成果位置布置好钻孔，采用人工水冲法，成孔后将PVC管放至孔中，随即将磁力梯度仪的探头放到PVC管内，从孔底部开始连续拉动线缆，以0.1 m的间隔依次向上记录各点的磁梯度值，到达孔顶后再往下探测以做校对。

4 探测效果分析

4.1 地震映像探测成果分析

根据不同频带地震波反射特征综合分析，箱涵位于第50道与80道之间，中心点位于第66道，呈相交双抛物线特征，推测为双孔箱涵，箱体顶界面反射双程旅行时约为170 ms(图6～图8)。

图6 地下箱涵地震映像特征(10 Hz)Fig.6 The seismic map of underground box culvert(10 Hz)

图7 地下箱涵地震映像特征(28 Hz)Fig.7 The seismic map of underground box culvert(28 Hz)

图8 地下箱涵地震映像特征(38 Hz)Fig.8 The seismic map of underground box culvert(38 Hz)

结合该处钻孔资料(图5)及物性资料[15]，0～0.3 m为混凝土路面，0.3～1 m为素填土，1～9.8 m为砂质粉土，9.8～20.3 m为淤泥质黏土，取混凝土纵波速度2 000 m/s，粉土纵波速度200 m/s(素填土归在其中)，淤泥质黏土纵波速度100 m/s，厚度加权后纵波速度平均约为175 m/s，根据式(2)推测该处地下箱体顶面埋深约为14.88 m。

4.2 磁梯度探测成果分析

结合分析地震映像结果，选择第55道，第66道，第77道附近进行磁梯度探测，并依据现场情况调整后最终布置了K1、K2、K3三个磁梯度孔(图5)。其中，孔号K1、K3皆于14.5 m处无法继续钻进，根据工程经验推测为混凝土构筑物，即箱涵顶界面。

孔号K2钻至17.9 m终孔，PVC管下至15.9 m，于14.5 m处发现磁梯度信号异常(图9)，根据磁梯度探测理论，地层与管道界面处会发生磁场变化，从而产生极值变化界面，据此推测管埋深位置。

图9 地下箱涵实测磁梯度曲线Fig.9 The magnetic gradient actual curve of under ground box culvert

4.3 地震映像与磁梯度综合分析

从图6～图9可以看出，地震映像法具有良好的平面探测效果，可以较好地反映箱涵的中心位置，而磁梯度法可以高精度地得到箱涵的垂向深度，与地震映像法具有很好的一致性，由此结合两种地球物理方法，综合判定了箱涵的空间位置(图10)。

图10 箱涵空间位置Fig.5 The spatial location of underground box culver

5 结 论

1)地震映像法能够明显地定性判别地下超深箱涵，其特征是典型的抛物线，双孔箱涵则呈相交双抛物线特征，并且根据厚度加权速度校正可以初步获得较为准确的箱涵深度信息。

2)在地震映像法确定边界和初步深度基础上进行磁梯度探测，可以精确获得箱涵空间位置信息。

3)地震映像法与磁梯度法相结合是城市物探的一种好方法，能真正起到对比分析，成果验证的作用。