综合物探手段在岩溶区地铁勘察中的应用

吴建伟，袁亚坤

（江苏省地质环境勘查院，南京 210012）

1 引言

地铁建设工程是影响重大的民生工程，勘察阶段应详细查明场地地质条件，为地铁建设提供准确的地质依据。灰岩为可溶性碳酸盐岩，溶蚀现象及溶洞发育是灰岩地层区较为突出的特点，作为一种典型且广泛分布的不良地质条件容易引起地基变形、不均匀沉降、滑动和地面塌陷，对地铁工程建设有严重影响，是工程勘察阶段的重难点。为保证地铁建设施工安全，前期勘察工作应仔细研究确定勘察工作方案，岩溶区地铁勘察除常规地质钻探外，近年来综合物探手段的应用愈发广泛，包括地质雷达、高密度电法、瞬变电磁、横波地震反射法等，均在岩溶区地铁勘察中有广泛应用。本文通过对某城市岩溶区地铁勘察项目案例进行分析，对工程物探手段在岩溶区勘察项目的应用效果进行分析评价。

2 物探方法

2.1 工程概况

某城市地铁工程场地位于灰岩区，地貌属山前冲坡积地貌单元，覆盖层以下为奥陶系灰岩、泥质灰岩，岩溶强烈发育，初步勘察阶段，除常规地质钻探外，结合场地地形地貌条件及周边环境条件，采用地质雷达、高密度电法、瞬变电磁、横波地震反射法4种地面物探方法。

2.2 地质雷达

1）原理。地质雷达实现勘探的关键在于电磁波，通过天线向勘探区域发射电磁波，电磁波发射频率范围10～1 000 MHz。电磁波遇到不同地质将反映为反射时间的差异，反射波由天线接收，此时可根据发射波双程旅行时间及电磁波传输速度判断地质类型，而地质深度则可通过式（1）算出：

式中，D为探测深度，m；V为电磁波传播速度，m/s；Δt为发射波双程旅行时间，s。

地质雷达的应用原理为：高频电磁波通过地层介质时，其电导率、磁导率、介电常数等参数会随着地层介质的几何形态变化产生差异，故导致反射波回波数据出现不同，因此，可通过分析雷达波的几何形态、强度及波形判断地质状态及性质[1]。

2）应用情况。地质雷达技术在本次岩溶地区勘察作业中的应用情况具体如下：（1）仪器设备。本次应用的地质雷达型号为SIR-20，天线发射频率为16～80 MHz，属于低频组天线，通过该仪器设备可精准地得出地质高密度成像。为便于数据分析，应用RADAN 6.6数据处理软件。（2）勘察方式。在正式勘察之前组织参数试验，以试验结果为依据选择最终天线发射频率。在本次试验中，选择20 MHz和40 MHz低频组合天线及100 MHz屏蔽天线进行对比，最终发现100 MHz屏蔽天线效果较差，20 MHz和40 MHz低频组合天线效果相近，但相较而言，40 MHz低频组合天线的分辨率及同相轴连续性较好，且可满足勘察精度及深度要求。

3）效果。通过地质雷达技术应用前的参数试验，最终将地质雷达设定为点测模式，点距0.5 m。具体参数情况如下：（1）选择40 MHz低频组合天线；（2）采样点数与采样数分别为512个、16位，时窗700 ns；（3）垂向高通滤波器与垂向低通滤波器分别为10 MHz、80 MHz，发射率为25 kHz；（4）通过自动增益实现了128次叠加。对地质雷达的勘察效果进行总结，具体如下：实现了2 235 m的地质勘察，检查剖面为130 m，最终发现原始剖面波形与检查剖面的波形形态基本吻合，勘察效果优异，满足勘察作业要求。

2.3 高密度电法

2.3.1 原理

高密度电法利用的是地下介质之间存在的导电性差异，依托供电电极向目标区域进行电流I的供应，测量电极间的电位差ΔV，最后对该测量点的视电阻率值进行计算。作为一种阵列勘探方法，在开展野外测量工作时，只需在测点上放置全部电极，然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现数据的快速和自动采集。之后，使用微机对数据进行分析，以此得到关于地电断面分布的各种图示结果。其中，在增加测量深度时，主要是调大供电电极距离，通过测量电位差和电流强度，对视电阻率值进行计算。高密度电法兼备电测深法和电剖面法的优点，勘察作业可以同时得到横向和纵向的电阻率值数据。

2.3.2 应用情况

本次工程中主要使用GD-10分布式高密度电法系统，勘察工作正式开展前需要落实装置参数选择试验，综合考虑设备的抗干扰能力和分辨率，本次工作选择温施装置测量。除此之外，本次工程中排列了120道电极，电极间的距离控制在3 m，最小隔离系数和最大隔离系数分别为1和30，温施系数为3。在该情况下，将野外采集的相关数据传入电脑，将其转换为适应高密度电法处理软件要求的数据格式，之后开展数据反演，最终得到高密度电阻率剖面反演解释图。在该装置和参数的试用下，在电极距为3 m时，隔离系数为30时，反演深度＞35 m，工作参数满足要求[2]。

2.3.3 效果

通过反演结果和地质资料可知，视电阻率值与仪器、电极、接地条件、浅部干扰等都有密切关联，一旦某环节存在问题，这一异常将会在反演过程中被放大，进而容易造成误判。因此，即使高密度电法满足岩溶区地铁工程勘察需要，但在数据处理环节，还需要对数据的可靠性进行判断，对局部异常可用反演剖面进行范围圈定，因而要对勘察人员有较高的要求。

2.4 瞬变电磁

2.4.1 原理

本次项目中采用的瞬变电磁为等值反磁通高精度瞬变电磁新技术，作为一种新的瞬变电磁法，主要原理为：利用相同的两组线圈通以反向电流情况下产生的等值反向磁通的电磁场时空分布规律，采用上下平行共轴的两组相同线圈为发射源，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，根据地表接收的涡流场信号随时间的衰减规律即可获得地下电导率信息判断地层结构与地界介质，具体如图1所示。

图1 瞬变电磁原理

2.4.2 应用情况

瞬变电磁在本次岩溶地区勘察作业中的应用情况具体如下：（1）仪器设备。本次采用HPTEM-18型高精度等值反磁通瞬变电磁系统，测量密度高且施工更便捷。（2）勘察方式。采用具备零互感特性的等值反磁通装置，正式开展工作前，分别进行参数选择试验和有效性试验。在本次试验中，选择20 MHz、40 MHz低频组合天线及100 MHz屏蔽天线进行对比，最终发现发送频率25 Hz，采样时间窗口最大为10 ms，发射电流10 A，重复次数为2。

2.4.3 效果

通过瞬变电磁技术，能够通过两个电性层的划分掌握目标区域为岩层风化破碎或岩溶发育，瞬变电磁的异常特征与钻孔资料基本吻合，这说明在工区开展瞬变电磁法探测是可行的。

2.5 横波地震反射法

2.5.1 原理

横波地震反射法主要发射地震波（弹性波），分析其传播形态与数据掌握目标区域的地层结构。在使用该物探方法开展勘察作业时，地震波主要通过人工发射，沿着设置好的测线合理布置检波器，之后激发地震波并检测，由于组成地层的各种岩石或介质有不同的弹性，可掌握其传播路径、旅行时间、波形、振幅等信息要素，之后根据具体参数掌握地层界面的介质和几何形态，以此查明地质情况。

2.5.2 应用情况

本次勘察作业中主要使用德国产的SummitⅡ数字地震仪和28 Hz横波检波器，震源选用锤击扣板。在勘察作业正式开展前，落实了地震映像法和浅层横波反射地震法有效性选择试验，且分别进行观测系统试验。

地震映像法的信噪比较低，所以，为获得更为准确的信息，本次勘察作业选用横波反射地震法，勘探前还需要在每条测线施工前进行观测系统参数试验。除此之外，在横波反射地震法实施过程中，为获取最佳有效地震记录，还要通过零偏扩展进行试验工作，通过识别和分析有效反射相位及干扰相位确定最佳观测系统和偏移距[3]。而且，排列范围内基岩有效反射波组最早出现在零偏230 ms附近，存在相对严重的远道干扰，而且，将激发位置选在中间位置时，记录浅、中、深部反射相位，确保反射相位被顺利接收，且能够对远端干扰形成有效压制，保证作业人员对浅、中、深层反射信号信噪比的掌握。因而，采用中间激发方式，减少外界干扰。本次工程中，外业数据采集流程如图2所示。

图2 地震外业数据采集流程

2.5.3 效果

在各项参数实验下，该勘探作业中采用中间激发、多道接收，多次覆盖、连续滚动的横波地震施工方式，需要注意的是，由于该区域位于城区，车流量较大，为有效提高单炮数据采集质量，采用夜间施工方式。技术参数为：道间距2 m，48道接收，炮间距6 m，8次覆盖，采样率1 ms，记录时间1 024 ms。在该技术参数下，需要开展以下工作：（1）处理地震数据。为突出有效波、压制干扰波，要求相关工作人员开展预测反褶积、多次速度分析、剩余静校正、去噪等特殊处理作业，这样才能获得最终反射地震时间剖面。（2）速度求取及图件编制工作。地震波速度作为该物探技术中时间-深度换算的重要参数，作业人员需要以本次反射参数求取的叠加速度为基础换算平均速度和层速度。根据地震资料处理结果，各层时深转换速度取为230～270 m/s，较为精准。

3 结语

地铁工程勘察有其特殊性，通过对某城市岩溶区地铁项目勘察手段的分析，可以发现地质雷达、高密度电法、瞬变电磁及横波地质反射法等地面物探手段均能有效对岩溶发育情况进行勘察，探测成果均能满足要求。本文案例中，根据不同的地质和周边环境条件，采用一种或者多种手段进行探测，同时结合钻探成果进行验证，有效查明了场地岩溶的发育条件，验证了物探勘察手段的适宜性和有效性，既满足了勘察要求，又节约了资金，在岩溶区地铁勘察项目中是好的探索和积累。