综合物探技术在轨道交通隧道勘察中的应用

【摘要】隧道勘察中的物探方法多种多样，且各具特点，但任何一种方法都存在其条件性和局限性，不能解决全部问题，本文结合笔者多年的隧道工程物探勘察的切身工作体会，现就高密度地震映象法、多道瞬态面波法在隧道勘察中的应用，并选取部分有代表性的资料及结果，说明这两种方法的有效性和实用性，并以此作为学习交流。

【关键词】综合物探技术；隧道勘察；高密度电阻率法； 多道瞬态面波法

1 应用综合物探技术的必要性

科学技术发展到今天，“原创性”发展越来越难，而“组合式”发展已成为主流，即将众多不同的技术有机地组合在一起便会产生质的飞跃，达到1+1>2的效果.与其他科技领域一样，工程物探也必须实现多学科、多专业的结合，形成综合地球物理方法，来提高物探技术水平和工程物探效果。

综合可使不同内涵的多学科相互渗透，不同机制的参数优化组合，以克服单方法、单参数的多解性和局限性。隧道勘察中更是如此，隧道往往处于丘陵地带，地形起伏较大，区域内经受多期构造运动及岩浆岩脉侵入，隧道洞身地质体变化较大，地质条件复杂，因而需要解决的地质问题众多且难度大。

然而，准确地查清地质情况是制定隧道设计方案、确保施工安全、加快施工进度的重要前提。在这种情况下，任何一种单独的物探方法由于其条件性和局限性（多解性，勘察效果偏重性）难以解决全部地质问题，此时，合理选择多种物探方法，开展综合物探工作是解决问题的最佳途径。

本文所说的综合物探，不是多种方法的任意罗列，也不是投入越多方法越好，而是最佳方法的优化组合.隧道勘察的目的中从地质性质方面可分为工程地质问题和水文地质问题，从解决方法上可分为“地震法”和“电法”，针对求取纵横波波速等相关岩土力学参数，采用“地震法”；针对探测地质体含水性等情况，则采用“电法”；而在风化层分层和查明地下不良地质情况方面，“地震法”和“电法”可从不同角度予以解决。

针对实际需解决的问题，选择最佳方法进行优化组合，发挥其各自优势，并综合成果分析解释，相互佐证，从而解决地质问题，达到勘察目的。这种综合物探技术的应用，提高了物探资料的解释精度和可靠性，提升了勘察效率和质量，降低了勘察成本，在勘察中很有前景。

2勘察方法的选取

该地铁工程设计施工方案拟在车站的南北两侧，在两个隧洞之间各开挖一个较高的横通道，形成注浆工作室。从南北两个方向，通过横通道的侧壁，对车站结构底板下的土体进行水平注浆加固。待被加固土体达到一定的强度后，再以短进尺的台阶法开挖形成隧洞洞室。

根据设计施工方案的特点，把本次勘察工作的重点主要集中在临时注浆工作室处，重点查明该位置岩层的分布情况。为了按时保质保量完成勘察任务，立即对工区现场进行了踏勘，经踏勘发现，注浆工作室离立交桥的桥桩较近，且其上方为市政道路，附近地下管线较多，若在该处施钻，很难找到合适的位置，且施钻的审批手续复杂，需要较长的时间，而工程的工期又很紧，若要施钻，根本无法满足工期的要求。为了满足工程工期的要求，决定在已有地质资料的基础上采用物探技术进行勘察试验。

3物探技术方法试验

3.1高密度地震映象法试验

高密度地震映象法是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的，它是利用多种波作为有效波来进行探测，除常见的折射波、反射波、绕射波外，还可以利用有一定规律的面波、横波和转换波。而对于陆域高密度地震映象，在波型的利用方面，重点是利用记录中被常规地震勘探当成干扰波的面波，它不仅利用面波的反射，还利用面波在地层界面或地下不连续地质界面发生的分解与合成。

在这种方法中，每一测点的波形记录都采用相同的偏移距激发和接收，与共偏移距的单点反射波法类似，资料剖面类似于共偏移距剖面，但由于采用小偏移距采集，利用的波型不是纵波，而是瑞利面波，这样接收到的有效波具有较好的信噪比和分辨率，能够直观反映出地质体沿垂直方向和水平方向的变化。

高密度映象法的优点在于资料的处理和显示，它把野外采集的地震波在计算机上进行压密，对反射能量以不同的、可变换的颜色表示，直观地反映出地质体的变化和形态。当然，在数据处理时，常规地震所用的滤波、褶积、反滤波消除干扰波等方法均可采用，以达到最佳处理效果，获得异常体的形状和分布范围，从而实现勘察目的。

高密度地震映象法采集的地震波是多波，用解波动方程的方法，可以分解出各种已定名的波，但在存在不均匀地质体的边界条件下，要完全达到全波震相分析是很难的，到目前为止，在复杂的边界条件下，人们无法得到波动方程的通解，只能对于某些特解进行研究，至少可以肯定它所显示的波场分布与地下介质分布有关，把它的形态特征与已知地质体的形态特征相对应，从而推断末知地质体的形态特征。

在本工区，为了探查测区回填土的分布情况，沿西四环暗涵下穿五棵松地铁工程段左、右线各布置2条地震映象剖面。在每条映象剖面上，均利用SWS-3C型多功能面波仪进行现场数据采集，数据处理采用PTbtprc软件。

二条剖面均先在正常地段采集地震映象记录，然后在地铁原开挖段采集地震映象记录，这样整个地震记录中既有未开挖的映象记录，又有开挖段的映象记录，它们之间可相互比较。显然，由于回填土与原地层之间边界条件不同，波的走时、震相、波形、振幅、频谱等都有很大区别。

图1隧洞左剖面高密度地震映象

图1为地铁工程左侧输水隧洞高密度地震映象剖面，在试验过程中，为了降低背景干扰，选择在下半夜进行外业数据采集，因市政道路上车流量较大，只能利用红灯期间，从路两侧往路中间采集数据。从图1中高密度地震映象记录可看出：

3.1.1在桩号5+065～5+075之间，地震映象同相轴在记录中分布较有规律，在地震波走之间可相互比较。显然，由于回填土与原地层之间边界条件不同，波的走时为。0～16ms范围内，映象同相轴波组连续，频率低，能量强，推测该岩层细颗粒含量较大，结合周边钻孔资料判断，该岩层为砂层夹粘性土。在地震波走时为16～75ms范围内，映象同相轴不太明显，波组分散，频率高，能量强，推测该岩层为砂卵石，局部夹有砂层。

3.1.2在桩号5+075～5+077之间，地震波走时为16～175ms范围内，出现多组映象同相轴，且每组映象同相轴波组连续，频率高，能量强，推测该处存在钢板桩，钢板桩底板埋深约为12m。

3.1.3在桩号5+077～5+092，5+115～5+130之间，地震波走时为0～175ms范围内，映象同相轴波组连续，波组延续时间长，频率低，能量强，推测为回填土，岩性以砂土为主，且经过了分层辗压。

3.1.4在桩号5+092～5+115之间，映象中首个同相轴明显向上凸，地震波走时约为8ms，映象同相轴波组连续，频率高，能量强，据当时参与设计的专家介绍，地铁顶板上方设有防爆层，故推测该异常为防爆层。在地震波走时为8～35ms范围内，映象同相轴波组连续，频率低，能量强，推测为回填土，岩性以砂土为主，且经过分层辗压。在地震波走时为35～256ms范围内，映象同相轴在该位置被切割，其两侧有大量的绕射波，推测该异常为地铁隧道位置。

3.1.5在桩号5+130～5+146之间，地震波走时为0～90ms范围内，映象同相轴波组连续，波组延续时间长，频率低，能量强，推测为回填土，岩性以砂土为主，且经过分层辗压。而在地震波走时为90～160ms范围内，出现一组斜向上的同相轴，推测为当时的开挖断面。

3.2多道瞬态面波法试验

多道瞬态面波法是利用瑞利面波在地下地层传播过程中，其振幅随深度衰减，能量基本限制在一个波长范围内，某一面波波长的一半即为地层深度（半波长解释法）的原理来进行探测的。即同一波长的面波的传播特性反映地质条件在水平方向的变化情况，不同波长的面波的传播特性反映地质条件在垂直方向上不同深度的地质情况。

均一地层表面激发的面波，其不同波长组分涉及的深度内介质弹性参数相同，从而具有相同的传播速度。弹性分层的地层内不同深度的介质弹性参数有差别，从而面波不同波长组分的传播速度也不同。单一波长（或单一频率）组分的面波传播速度称该波长（或频率）的相速度，不同频率的相速度有差异称为频散（Dispersion）。

研究水平地层面波的频散特征，可以求得地层内部不同深度的弹性参数，这也就是面波测深方法依据的基本原理。在地面通过锤击、落重或炸药震源，产生一定频率范围的瑞利面波，再通过振幅谱分析和相位谱分析，把记录中不同频率的瑞利波分离开来，从而得到VR-f曲线或VR-λ曲线，通过解释处理，可获得地层深度与面波速度的分布。

在勘探中，因高密度地震映象是根据地震波波形变化情况来定性分析地下岩层（异常体）的分布情况，无法求取各岩层（异常体）的波速和厚度，因此通常情况下，先利用地震映象资料了解岩层（异常体）的分布概况，接着对其进行分类，并确定其在地面的位置，然后在不同岩层（异常体）的上方布置面波，利用面波资料求取各岩层（异常体）的波速和厚度，最后根据各岩层（异常体）的波速和厚度推测岩性或异常体的类型。

根据本工区高密度地震映象资料，我们在两条映象剖面中间布设一条面波剖面，因地铁隧道的位置和洞顶埋深比较明确，故不布置面波测点，而在地铁隧道南侧，共布置3个面波测点，其中在钢板桩位置布置1个面波测点，测点号为M8，其余2个布置在钢板桩两边，南边测点号为M7，北边测点号为M9；在地铁隧道北侧，开挖范围较大，共布置6个面波测点，测点号从北到南依次为M1～M6。

图2地铁站面波典型频散曲线

本次面波现场数据采集使用仪器的型号为SWS-3C，数据处理采用CCSWSWIN和CCSWSMAP软件。图2为该测区典型频散曲线，从测点M7的面波频散曲线分析，在埋深0～1.3m处，频散曲线点密度大并往左斜，代表岩层波速从上往下逐渐变小，推测为路基及路基影响范围，且路基岩性以细颗粒砂土为主。

在埋深1.3～3.8m处，频散曲线点密度较大并往右斜，代表岩层波速从上往下逐渐变大，推测为原状砂土层。在埋深3.8～20.0m处，频散曲线点密度适中并往右斜，代表岩层波速从上往下逐渐变大，推测为原状砂卵砾石层，局部夹有砂层；从面波M1频散曲线分析，路基及路基影响埋深为0～3.2m，原状砂土层埋深为3.2～4.2m，其下为原状砂卵砾石层，局部夹有砂层；从面波M9频散曲线分析，回填土厚度约为11.5m，且在回填土范围内，有4个特别明显的拐点，推测该处回填土经过分层辗压。通过对测区各面波点频散曲线的解释分析得知：

3.2.1地铁隧道南侧开挖范围较小，回填土厚度变化较大，而地铁隧道北侧开挖范围较大，回填土厚度由北到南逐渐变大，其中回填土最大厚度约为12m.

图3地铁站综合物探―地质解译成果

3.2.2回填土岩性以砂土为主，且经过了分层辗压。根据测区映象和面波资料获得五棵松地铁站综合物探―地质解译成果，详见图3。从图3分析判断：在地铁隧道南侧，当时采用钢板桩护砌，钢板桩底板高程约为47m，地铁开挖槽底面高程约为48m，而在地铁隧道北侧，无钢板桩，开挖断面为一斜坡。

因注浆工作室离钢板桩较远，钢板桩不会影响注浆工作室的施工，而回填土底面高程约为48m，本次注浆顶高程约为47m，推测回填土不会影响注浆加固效果。后经本工程开挖和施工验证，物探的结论与现场地质情况完全相符，探测效果良好，得到设计、业主和施工单位一致好评。

4结语

由于每种物探方法都有各自的特点和适用范围，因此，宜选用二种或二种以上的物探方法进行综合勘察，取长补短，相互验证；物探毕竟是间接勘探，必须重视场地地质条件，结合地质勘探和地表地质特征综合解释，进而提高勘察精度。

参考文献：

[1]刘云祯.工程物探新技术[M].北京：地质出版社，2006.

[2]林宗元.岩土工程试验监测手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.