工程物探在地鐵勘察中的應用

  一、在工程可行性研究階段可以全面快速了解沿線(xiàn)地質(zhì)全貌

 

  地鐵2號線(xiàn)一期工程西起河西地區途經(jīng)漢中路、中山東路、孝陵衛東至馬群橫穿城市繁華的商業(yè)區—新街口地區。項目承接單位克服了各種干擾大、夜間施工時(shí)間短及雨水天氣多等諸多不利因素，經(jīng)近2個(gè)月的外業(yè)施工，共完成淺層地震反射剖面20km。PS測井一孔，鉆探驗證孔2個(gè)，并在部分疑難勘察地段，配合進(jìn)行了淺層地震折射、探地雷達、面波勘察，水域淺層地震縱波反射等物探方法。工作結果提供了地鐵2號線(xiàn)一期工程沿線(xiàn)覆蓋層主要分層厚度及基巖埋深、形態(tài)，發(fā)現斷裂點(diǎn)異常5處，結合沿線(xiàn)城市建筑的工勘結果，分段對沿線(xiàn)工程地質(zhì)條件進(jìn)行評價(jià)，提交一份比較完整的工程地質(zhì)資料，供立項及初步設計使用。主要工作方法及成果簡(jiǎn)介如下。

 

  地鐵2號線(xiàn)穿越了南京市最繁華的中山東路、漢中路等商業(yè)中心，白天及傍晚人流不息，各種振動(dòng)較為強烈，嚴重影響地震勘察效果。為此，本次工作全部選擇在凌晨0:00時(shí)至4:00時(shí)干擾較小時(shí)施工。

 

  1.陸域勘察

 

  經(jīng)試驗,陸域采用縱波法勘察第四系分層較差，抗干擾能力也弱，而橫波反射效果較好，因此僅在馬群至孝陵衛局部基巖較淺地段使用輔以折射波法，大部分陸域施工采用橫波反射法，施工參數如下：

 

  道間距：2m、排列長(cháng)度：46m、疊加次數4次、炮間距：6m

 

  偏移距：中間激發(fā)、采樣率：1ms、記錄長(cháng)度：1024ms。

 

  2.水域地震

 

  在逸仙橋及漢中門(mén)外秦淮河兩段水域采用縱波反射法。由于水面較窄，水流十分小，水深也較淺，經(jīng)試驗采用地震映象法施工，施工參數如下：

 

  炮間距：1m、偏移距：4m、激發(fā)能量：2000J

 

  采樣率：0.12ms、記錄長(cháng)度：128ms。

 

  3.資料處理

 

  根據單炮記錄特征及勘探目的層的要求，首先對野外地震儀采集的有效炮文件中的空道及廢道進(jìn)行剔除，然后依次輸入到計算機中進(jìn)行數據處理，工作流程為：數據解編→動(dòng)平衡→頻譜分析→濾波→速度分析→抽道→動(dòng)校正→剖面輸出。

 

  在上述常規處理的基礎上，后期在工作站上進(jìn)行真振幅恢復，多道反褶積Fk濾波等特殊處理，以及動(dòng)平衡、剖面濾波、歸一化處理，以期達到突出有效波、壓制干擾波之目的，形成最終地震時(shí)間剖面.

 

  根據各測線(xiàn)地震時(shí)間剖面圖，在認真有效波的相位對比和同相軸追蹤的基礎上，首先控制標準層位，并對其連續追蹤，之后對第四系層位進(jìn)行對比分析、劃定。在以上相應分析，劃定的基礎上結合鉆孔資料，模擬從地表至基巖以150～200m/s的遞增地層平均速度進(jìn)行逐層時(shí)深換算，最后繪制物探解釋剖面圖。

 

  二、在設計階段用以彌補特殊地段鉆探工作的不足

 

  1.南京鐵路站前廣場(chǎng)采用綜合物探的方法，解決不同基巖的分界及巖溶的工程地質(zhì)問(wèn)題

 

  1993年地鐵1號線(xiàn)選線(xiàn)論證時(shí)，曾在工程地質(zhì)勘察J49孔強風(fēng)化灰巖中發(fā)現有溶洞存在，引起了南京地鐵籌建處的重視，如進(jìn)行加密鉆探工作，難度較大。1998年委托工程物探單位采用綜合物探手段對南京鐵路站前廣場(chǎng)地下巖溶發(fā)育狀況進(jìn)行勘察，為地鐵設計提供工程地質(zhì)依據。

 

  采用以淺層地震橫波反射方法為主，縱波反射、探地雷達探測為輔，跨孔地震波層析成像驗證的工作方法。

 

  管家橋—御道街局部橫波反射時(shí)間部面圖

 

  T5波組反映了基巖形態(tài)，在同一測線(xiàn)上，具有兩個(gè)特征， 一是兩側同相軸間不明顯錯斷接觸，另一是兩側同相軸間是斜坡過(guò)渡接觸，西側同相軸較光滑，而東側稍有起伏；推斷上述兩種特征為兩側不同巖性接觸界線(xiàn)之反映，結合鉆孔資料分析，兩側為中三疊統周沖組灰巖，較均質(zhì)，估計它在該區膏鹽不發(fā)育，古環(huán)境為低地形；西側為燕山期閃長(cháng)玢巖，古環(huán)境為高地形，因風(fēng)化剝蝕作用形成了其表面不平整，見(jiàn)微小起伏特征。根據閃長(cháng)玢巖與灰巖形態(tài)特征推測兩者間的界線(xiàn)大致沿地鐵1號站位北緣展布，該界線(xiàn)向西可能在J48鉆孔南側通過(guò)后往西北拐折，即玖園內屬閃長(cháng)玢巖分布區。

 

  ?T5波組以下尚存在二組較強烈的反射波組（T51與T52），其形態(tài)與T5不盡相同，推斷它可能與基巖內不同的風(fēng)化界面有關(guān)。由上述3個(gè)基巖反射波組連續性特征分析，認為存在兩種異常：，一是T5波組完整，但其下兩個(gè)波組出現能量減弱，缺失或波形雜亂特征 Ⅳ線(xiàn)橫波反射地震時(shí)間剖面圖

 

  二是T5波組出現局部紊亂特征，G3、G4孔揭示為閃長(cháng)玢巖內矽卡巖化、大理巖化灰巖存在，推斷它可能屬捕擄體。

 

  2.南京車(chē)站地鐵站采用工程物探的方法，搞清了基巖面變化復雜的地質(zhì)情況，調整了初步設計線(xiàn)路位置

 

  2000年南京站地鐵站在進(jìn)行詳勘時(shí)發(fā)現50m間距的鉆孔勘察，未能控制住區內基巖起伏形態(tài)。在區內如鐵軌間、站臺內特殊地段均不能再加密布設鉆孔。采用淺層地震橫波反射及面波2種工程物探的方法，查清了區內第四系厚度的變化及基巖起伏形態(tài)。確定區內基巖起伏埋深在4～31m之間，幅差達27m。其中在火車(chē)站出站口附近及西側地下通道以西為基巖埋深突變區，分別向北、向東急劇拉開(kāi)。這一結論與初勘結果差別較大，致使地鐵入站的線(xiàn)路進(jìn)行了設計調整。

 

  3.紅山動(dòng)物園采用工程物探方法彌補了鉆探工作難以解決的地質(zhì)問(wèn)題

 

  2001年4月南京地鐵1號線(xiàn)已分段進(jìn)入施工及詳勘階段，在南京—東井亭區間詳勘中，于紅山動(dòng)物園XND11、XND14孔中見(jiàn)溶洞現象，引起地鐵指揮部及工程監理單位的重視。由于區內地處動(dòng)物園珍禽孵化廠(chǎng)內，鉆孔的噪聲影響珍禽的生活，使鉆探工作不能進(jìn)行。采用工程物探方法，要求查明基巖起伏形態(tài)，埋深及地下巖溶、斷裂分布特征。

 

  結合本區地貌（丘陵）及地質(zhì)條件分析，認為單一的物探方法難以解決所查明的地質(zhì)問(wèn)題，擬采用綜合物探技術(shù)，其思路為：

 

  采用淺層地震橫波反射法確定區內基巖面宏觀(guān)形態(tài)，埋深及部分溶洞。

 

  采用瞬變電磁測深確定區內巖溶及斷裂分布特征。

 

  采用高密度電法對上述兩種方法推斷成果進(jìn)行核查和評價(jià)。

 

  通過(guò)本次綜合物探勘察，得到了區內基巖的埋深及形態(tài)，基巖面形態(tài)北東側呈隆起，南東側呈單斜特征。

 

  由基巖隆起往南西側，分布一條北北東向淺部巖溶帶，寬3.4～14m，控制長(cháng)度95m左右，該帶巖溶連通性為管道～滲透流，流向南西，是本區淺部重要的輸水線(xiàn)?；鶐r隆起及其北側，推測分布另一淺部巖溶帶，控制長(cháng)度約15m，水流向北。在北－東北向淺部巖溶帶之下存在一條貫通全區的深部巖溶帶，兩者間水力聯(lián)系弱。推斷本區存在兩條北西向斷裂，F1為斷裂破碎或裂隙帶，傾向南，F2為扭性斷裂，陡傾。

 

  上述工作結果（見(jiàn)圖3）彌補了鉆探工作的不足，完成了詳勘任務(wù)。

 

  三、采用工程物探的方法解決施工階段的疑難問(wèn)題

 

  尋找地下不明障礙物

 

  南京地鐵1號線(xiàn)T15標段采用盾構方法施工，需要安全穿過(guò)玄武湖隧道下方。玄武湖隧道在施工過(guò)程進(jìn)行過(guò)地基加固處理。需物探查明土層內壓密注漿加固施工中殘留鋼管和直徑大于5cm以上的石塊。該項目工作采用美國產(chǎn)SIR-2型探地雷達及其配套500MHz、100MHz屏蔽天線(xiàn)。探測方式為沿剖面的連續掃描，線(xiàn)距按1m間距布設。

 

  使用100MHz屏蔽天線(xiàn)時(shí)所選用記錄長(cháng)度分別為200ns、250ns、300ns，使用500MHz屏蔽天線(xiàn)時(shí)所選用記錄長(cháng)度分別為200ns、250ns。

 

  結果對玄武湖隧道的底部混凝土與下方鋪墊碎石層情況吻合，壓密注漿后在淤泥粉質(zhì)黏土層內水泥固結的形狀，范圍均有反映。并發(fā)現兩處良導體的異常，后經(jīng)委托方核實(shí)為玄武湖公路隧道泄水管。結論認為：在探測范圍內下方未發(fā)現壓密注漿殘留鋼管和直徑大于50cm的石塊。委托方盾構已安全通過(guò)玄武湖公路隧道下方。

 

  四、工程物探在地鐵勘察中的優(yōu)缺點(diǎn)

 

  1.優(yōu) 點(diǎn)

 

  （1）避免立項前期投入大規模的地質(zhì)鉆探工作和需要的市政、交警等多方面的協(xié)助及地下管線(xiàn)、人防工程等各方面的資料。

 

  （2）工程物探方法是采用儀器進(jìn)行探測→無(wú)損探測，回避鉆探勘察對城市環(huán)境、交通……等環(huán)境影響問(wèn)題。

 

  （3）節省了立項經(jīng)費。南京地鐵2號線(xiàn)一期工程20km的工程物探勘察費用為40余萬(wàn)元，大大低于同期常規地質(zhì)勘察費用。

 

  （4）在相對短的時(shí)間內，提供沿線(xiàn)幾十千米的較完整的工程地質(zhì)資料，提供基巖、主要工程地質(zhì)層位的埋深、斷裂構造、古河道的分布等情況。

 

  （5）工程物探一般可連續觀(guān)測，對解決層位起伏變化比較大的斷裂分布的地質(zhì)問(wèn)題，優(yōu)于常規鉆探“點(diǎn)測”的結果。

 

  2.缺 點(diǎn)

 

  （1）需要探測目標具有物性前提（如密度、電、磁等物性），不同巖層介質(zhì)物性差越大，勘察效果越好。如“粉砂”與“細砂”這類(lèi)物性差相對較小的層位劃分就不如鉆探勘察結果明了詳細。

 

  （2）工程物探是一種間接勘察，外業(yè)數據采集后一般需要數據處理及地質(zhì)解釋之后才能得到較為滿(mǎn)意的結果，這些均與勘察單位所采用的方法、技術(shù)、地質(zhì)解釋水平密切相關(guān)。

 

  （3）不能提供工程上所需要的各項巖土力學(xué)參數，必須與鉆探工作配合才能獲取工程上所需的最佳結果。