城轨交通地质隐患多地球物理场诊断技术研究与应用

王小安

(中铁第一勘察设计院陕西铁道工程勘察有限公司， 陕西 西安 710000)

0 引言

在我国的城轨交通建设中，地铁的施工方式主要采用成本低廉、效率高的盾构法(周阳宗，2016)。该方法会导致局部地层或地质结构的损坏，易造成岩土层及地下水的运移变化。采用该施工方式的城轨在国内已经发生了多起地面塌陷事故(周杰等，2018)，形成了土洞塌陷地质灾害，对人民群众的生命财产安全构成了威胁，并造成了巨大的经济损失。造成地面塌陷的诱发因素较多，主要是不良的地层条件和不良地质体(周明科等，2019)。在城轨交通中另一大地质灾害就是地下孤石(袁颖等，2019)，其构成是花岗岩风化球(牛海威等，2017)。由于硬度较大，其主要风险在于损坏盾构机的刀具和刀盘，对施工造成极大的影响。对于地下空洞的主要诊断探测技术依赖于高密度电阻率法、瞬变电磁法等(朱向阳等，2021)。而对于孤石的探测方法则包括电阻率跨孔CT法、地震波跨孔CT法以及探地雷达法等(董耀等，2019)。通过开展多地球物理场的诊断技术对城轨交通的地质灾害进行分析，可以有效地探查地质隐患，指导工程实践。

1 多地球物理场探测基本理论

1.1 关键信号技术特征

利用地震波的运动学特征对地质的界面位置和特性进行探查，形成了地面地震波探测技术。根据地震波的发射偏移成像原理(李启航等，2020)，通过观测系统的多次激发，得到地质的地震波剖面。本文选取的观测系统采用的是共中心点激发双边排列系统(图1)(周阳宗，2016)。P1、P2为反射点。采用一定规则的移动步距，选取多道顺移前进，在测线范围内进行多次扫描叠加，相当于在同一个反射点进行重复观测。依据反射偏移成像勘探原理，采用偏移成像技术，通过多次激发，得到地震剖面，在给定速度等参数后将地震时间剖面转换成空间剖面，可达到压制干扰波、增强有效波的效果。系统工作时是一对电极依次朝大地供电，而其他所有电极同步开展电位测量，能同时采集地下自然电场信号、一次场信号和二次场信号，采集数据效率比传统高密度电法显著提高(张新，2020)。为了高效地穿透高阻覆盖层，可以采用地面瞬变电磁法(黄毓铭等，2017)，该方法是以不接地回线发射脉冲电磁场，让电磁场感应的地下涡流生成空间分布信息(俞仁泉等，2019)。

1.2 快速诊断模式的技术特征

在地质的快速诊断技术中，地震波跨孔CT探测技术和电阻率跨孔CT探测技术是应用十分广泛的无损探测技术(吴斌等，2019)。

地震波跨孔CT探测技术的核心是采用向目标物发射信号穿过物体后，对信号进行接收(高宇豪和蔡永丰，2020)。穿过物体的信号已经携带了物体频率、电阻率等信息(吴锋波等，2013)，用以刻画目标物的地震波传播参数，主要包含垂向分辨率、水平分辨率和广义空间分辨率(施有志等，2017)。垂向分辨率可以表征地震剖面上的最小地层厚度，而水平分辨率则表示水平叠加面上的相邻地质体的最小宽度。地震波跨孔CT设计示意图如图2所示。

电阻率跨孔CT探测技术是对目标物体内或表面的电流和电压进行离散式的测量，从而得到电阻率的方法(丁贺权，2021)。其通常在野外现场采用地面钻孔将电法测线从钻孔口连接到钻孔底部，获取到的钻孔间电性分布情况对空间的三位电阻率进行推演，得到立体的电性分布图，在实际地质解释判断过程中需充分了解现场地质资料，再根据电法探测结果进行异常体的解释。电阻率跨孔CT探测技术的高采集效率和低廉的施工成本在工程探测中受到广泛应用。电阻率跨孔CT技术获得的结果十分依赖于相对围岩背景的电阻率差异(雷凯和郑江波，2017)，为了提高勘探灵敏度，可以使用并行电法跨孔CT探测技术，并行电法CT探测的侧向投影示意图如图3所示。

在快速诊断技术中，以地面观测系统和跨孔观测系统相结合的方式进行。利用浅层地震、瞬变电磁等多地球物理场技术进行粗略勘察(唐睿等，2021)，然后辅以跨孔CT技术对目标物进行精细勘察，同步地面与隧道内的数据最终形成多地球物理场的隐患诊断分析系统。该专业分析系统的组成如图4所示。

2 弹性波数值模拟理论

对于各向同性介质的三维弹性波方程如公式(1)和公式(2)所示(谢波等，2016)，用以表征速度v与应力τ的双曲线方程。

(1)

(2)

式中，vx，vy，vz分别是三个方向的速度分量，ρ表示密度；t表示时间；τxx，τyy，τzz，τxy，τyz，τxz表示各个方向的应力分量；λ和μ表示拉梅系数。

3 多地球物理场诊断技术应用

3.1 地下孤石、溶洞隐患探测概况

本文研究地点为厦门高崎站，由于厦门地质条件特殊，其轨道交通1号线一期工程高崎站—集美学村站，该盾构区间存在较多的孤石和基岩突起，对盾构掘进造成了较大的困难。因此必须查清孤石的分布情况，在尽可能收集地铁沿线既有地质资料的情况下，采用物探与钻探相结合的方法进行地铁沿线的孤石探测，分析研究孤石发育规律。在厦门地铁高崎站附近，先采用地面浅层地震扫描法和多通道瞬变电磁快速扫描法进行探测区域的普通调查工作，再针对重点异常区进行跨孔电法CT和跨孔地震CT探测。在已知孤石区域开展地面浅层地震快速扫描孤石探测，地面以钻孔附近己知孤石区域为探测区间，并加以应用勘探技术。该1号线城轨的探测区域为可溶岩分布区，岩土种类相对复杂。通过钻孔的勘察显示，部分相邻钻孔基岩面相对高差>5 m，且有串珠状的溶洞。由于地下溶洞一般都分布于灰岩地层中，往往伴有泥浆等杂质(赵家福，2020)，且具有较为明显的阻抗区别，导致其内部地震波的传播速度降低，伴随着频率和能量也会相对地发生变化。根据其表现出的低速、低电阻率的特征，可采用地面并行电法进行粗略勘察，对于异常区域再采用电阻率跨孔CT技术，可获得综合的多地球物理场参数。

3.2 地面多地球物理场快速普查

采用直流电法确定岩溶的位置和分布范围，利用并行电法布置测线，设置勘探参数如下：电极间距为4 m，供电电压为96 V，采样时间间隔为20 ms。钻孔剖面图如图5所示。高密度直流电阻率法探测结果表明在处于13～20 m的位置显示低阻异常响应，视电阻率值在50 Ω·m之下，该地段区域内岩溶较发育。

3.3 多地球物理场跨孔CT探测

由于地面探测会受到多种因素的干扰，孔内勘察具备较好的精度，作为主要精细勘探手段，采用弹性波跨孔CT和电阻率跨孔CT相结合的探测技术对城轨线路上的岩溶进行全面的精细勘察。

弹性波跨孔CT现场探测孔的布置示意图如图6所示。采用电火花震源设备作为激发震源(陈秀清等，2019)。试验采用一次激发64道同时接收，炮间距设置为1 m，采样频率设置为50 kHz。采样长度为4K，电火花震源能量为5 kV。采用单孔激发单孔接收的观测系统。

电阻率跨孔CT试验现场布置探测示意图如图7所示，采集方法为并行电法(AM)，供电电压为96 V，利用并行电法采集方法，选择20～200 ms的采样时间进行试验。

电磁波跨孔CT试验使用的仪器为JW6Q电磁波CT仪。电磁波CT试验主要用以确定工作频率和下天线长度。在下天线选择方面，实际探测中由于天线会存在天线效应(喻佑顺，2019)，对探测结果造成一定程度的影响，所以在下天线选择方面要进行试验，选取长度最合适的下天线。其不同频率的电磁波信号在地层中的吸收系数不同，会直接影响采集的数据质量。高频率天线分辨率高，但信号被严重吸收；低频率天线穿透性强，但分辨率低。通过反复试验验证，选择工作频率为24 MHz、28 MHz、32 MHz，下天线的长度选择为1 m。其跨孔CT现场探测工作示意图如图8所示。

综合上述的跨孔CT探测技术，对同一剖面同时采用三种探测方法对地下溶洞进行勘探，获得不同的地球物理参数。归纳不同物理探测结果并进行解释，进一步提高精度。在该剖面靠近钻孔处，标高为-23～-27 m处存在低阻异常区，视电阻率值低于100 Ω·m，可以推测为岩溶发育区，而在标高为-15.72 m的位置由于存在低速异常区，其速度在3000 m/s之下，可以推测为小溶洞。有2处高视吸收异常区域分布在标高-15 m左右和标高-23～-27 m的位置，其吸收系数在6 dB/m之上，推测为裂隙发育区软弱层。

通过对比结果分析，地下溶洞剖面的三种跨孔CT方法结果显示基本一致，尤其对于较浅底部的基岩面异常区和剖面下部的异常区深度位置获得的结果基本相同。

4 结论与展望

本文通过分析在城轨交通建设中常见的地面塌陷和孤石等地质隐患问题，利用弹性波数值模拟理论，实现快速诊断模式。本文开发出了一套适合轨道交通沿线地质隐患探查的快速、可靠、智能的多地球物理场诊断分析系统。该系统的诊断方法通过对土洞塌陷的地震波跨孔CT和电阻率跨孔CT进行三维数值模拟，极大地提高施工现场的工作效率。利用地面浅层地震快速扫描系统和跨孔CT多地球物理场勘探诊断技术，在厦门高崎站的城轨交通线路上进行应用，在提高勘探准确度的同时，也会降低施工成本造价。通过工程模拟实践，采纳该快速诊断系统，可以大大减少施工钻孔的数量，从而达到缩短施工周期的目的，有利于正确地指导工程实践。在未来的研究中，可以采用对多地球物理场信号实现对城轨交通运营中隧道渗漏等地质灾害的实时监测与预警作用，并应用于煤矿采空区的探测、库(坝)区及电厂的选址等存在地质隐患的诊断。