綜合物探方法在地鐵孤石探測中的應(yīng)用研究

　　摘要：孤石是花崗巖不均勻風(fēng)化所殘留的風(fēng)化核，具有空間分布不規(guī)律、埋藏深度不定、粒徑不均等主要特征，給地鐵盾構(gòu)施工帶來重大安全風(fēng)險(xiǎn).在地鐵工程建設(shè)中,孤石精準(zhǔn)探測一直都是城市地鐵盾構(gòu)施工亟待解決的重要難題之一.本文針對以往單一物探方法探測孤石可靠性和精度相對較低，難以實(shí)現(xiàn)孤石體空間精準(zhǔn)定位問題，提出一套孤石體精準(zhǔn)定位物探方法組合探測技術(shù)，即以大深度探地雷達(dá)快速偵查孤石體的發(fā)育范圍、微動法確定垂向邊界、等值反磁通瞬變電磁法確定橫向邊界.福州地鐵F1線葫蘆山北側(cè)的孤石探測應(yīng)用示范結(jié)果表明：優(yōu)選物探方法組合充分利用了三種方法之間可實(shí)現(xiàn)相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證的優(yōu)勢，有效避免了單方法存在多解性和干擾引起的假異常；結(jié)合已知地質(zhì)和鉆孔等資料校準(zhǔn)了地層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了孤石體在三維空間的精準(zhǔn)表達(dá)，對優(yōu)化孤石探測技術(shù)、節(jié)約探測成本和實(shí)現(xiàn)無損、綠色勘查具有重要的意義.

　　關(guān)鍵詞：優(yōu)選物探方法組合；孤石探測；大深度探地雷達(dá)；微動；等值反磁通瞬變電磁

　　1引言

　　我國南方沿海地區(qū)廣泛發(fā)育燕山期花崗巖，花崗巖構(gòu)造裂隙發(fā)育，基巖易沿裂隙面風(fēng)化，長期風(fēng)化過程中，花崗巖中不易風(fēng)化的殘留核（球狀風(fēng)化核），俗稱孤石(鮑曉東,2004;劉宏岳等,2004).孤石發(fā)育的主要影響因素有花崗巖的礦物組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、巖體節(jié)理發(fā)育程度、溫度、地形、水文條件等等，導(dǎo)致其具有埋藏深度不定、粒徑不均、形態(tài)各異等隨機(jī)性特征，但在空間上也具有有以下分布規(guī)律：①孤石一般分布于花崗巖隆起區(qū)兩側(cè)的全-強(qiáng)風(fēng)化帶中，越靠近花崗巖隆起中心位置，粒徑越大，數(shù)量越多.②隨著與花崗巖風(fēng)化面的距離變小，孤石分布密度減小但體積增大，即有“上多下少，上小下大”的分布規(guī)律特性.③風(fēng)化程度增強(qiáng)時(shí)，孤石體積減小，數(shù)量會增多，故全風(fēng)化帶中一般存在體積較小的孤石，強(qiáng)風(fēng)化帶中一般存在體積較大的孤石.

　　2方法技術(shù)

　　2.1單方法技術(shù)簡介

　　探地雷達(dá)工作原理示意圖如圖1所示，圖中T為發(fā)射天線，R為接收天線，x(m)為發(fā)射天線T與接收天線R的間距，h(m)為目標(biāo)體的埋藏深度，r?為地下介質(zhì)的相對介電常數(shù).該方法利用發(fā)射天線T發(fā)射高頻率寬帶調(diào)幅脈沖電磁波，接收天線R接收來自地下介質(zhì)界面的反射波，并根據(jù)天線R接收回波的雙程時(shí)間、幅度和波形等資料，對回波進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析和處理，再結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)概況以及其他相關(guān)參數(shù)，可以推測地下界面或地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)分布、空間位置.本次探測采用加拿大Sensor&Software公司大深度探地雷達(dá)(UltrapulseEKKOPRO)儀器.該儀器設(shè)備主要有以下三個(gè)特點(diǎn)：①發(fā)射電壓最高可達(dá)1000V，遠(yuǎn)超同類產(chǎn)品；②單點(diǎn)采集時(shí)間不足1s,1s可達(dá)8192次疊加，時(shí)窗長度最高達(dá)1200ns;③在不改變采集效率的情況下單道疊加次數(shù)最多達(dá)到65536次.由于具有較低頻率的天線、高達(dá)1000V的發(fā)射電壓、極快的采集速度和極高的疊加次數(shù)有效保證了深層信號的信噪比。

　　2.2多方法組合技術(shù)體系

　　單一物探方法往往會由于其自身的多解性或外部干擾引起諸多假異常、無異?，F(xiàn)象，并且單一物探方法探測孤石體的精度相抵較低，主要以定性識別大型孤石位置為主，無法定量推斷孤石大小和邊界.通過多種方法試驗(yàn)優(yōu)選了上述三種物探方法組合，該方法組合具有抗干擾能力強(qiáng)，場地條件受限程度低，工作效率高等諸多優(yōu)勢.本文充分利用大深度探地雷達(dá)在面上快速偵查定位孤石發(fā)育范圍的優(yōu)勢，微動在垂向分層方面的優(yōu)勢，等值反磁通瞬變電磁在橫向分辨率高的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)孤石精準(zhǔn)探測綜合物探方法組合的相互補(bǔ)充和相互驗(yàn)證.

　　3研究區(qū)地質(zhì)和物性特征

　　本次試驗(yàn)區(qū)段為福州地鐵F1沿線機(jī)場-大鶴段，位于福州市長樂區(qū)大鶴村路段（如圖5所示）.該區(qū)段及周邊出露地層較簡單，主要發(fā)育晚侏羅世-晚白堊世地層及第四紀(jì)地層.根據(jù)該區(qū)段的野外鉆探、現(xiàn)場原位測試及室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)成果(陳建興,2019)得到該區(qū)地巖土地層主要分布為：上覆人工填土（Q4ml）、全新統(tǒng)第四系地層長樂組（海陸交互相層Q4mc，風(fēng)積層Q4eol，海陸交互層Q4m）、上更新統(tǒng)東山組（Q3m）、更新統(tǒng)殘積層（Qel），下伏基巖為燕山晚期花崗巖（γ53）.其中，上覆人工填土主要包括雜填土、填砂和填石，揭露厚度0.2～5.4m；全新統(tǒng)第四系地層長樂組主要包括粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)土、泥質(zhì)粉細(xì)砂、含泥粉細(xì)砂，揭露厚度0.6～19.1m；上更新統(tǒng)東山組（Q3m）主要包括粉質(zhì)黏土、含砂粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)粉細(xì)砂、含泥粗中砂，揭露厚度0.5～15.7m；更新統(tǒng)殘積層（Qel）主要包括坡積粉質(zhì)黏土和殘積砂質(zhì)粘性土，揭露厚度0.2～19.71m；下伏基巖為燕山晚期花崗巖（γ53）,主要包括全風(fēng)化花崗巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化凝灰熔巖，揭露厚度0.1～25.99m.

　　4多方法數(shù)據(jù)采集與處理

　　研究區(qū)位于福州市長樂區(qū)葫蘆山北側(cè)的農(nóng)田荒地(如圖6所示)，周邊電磁干擾相對較少，地表主要上覆填砂，中間第四系巖性地層依次為粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、(含泥)粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)土、殘積砂質(zhì)黏性土等，下伏基巖依次為全風(fēng)化花崗巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖.本次工作主要目的是查明盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)孤石發(fā)育位置，分布范圍，為保障地鐵盾構(gòu)安全施工提供基礎(chǔ)資料.研究區(qū)隸屬于福州地鐵F1線機(jī)場-大鶴段鉆MJKZ3-25-163～MJKZ3-25-172盾構(gòu)區(qū)間，雙向盾構(gòu)中心線完成6條大深度探地雷達(dá)、微動、等值反磁通瞬變電磁測線，點(diǎn)距1m，線距3m，測線長度均為140m.

　　5地質(zhì)-地球物理綜合解釋

　　下面以8線(圖6中左邊第三條線)二維剖面為例，結(jié)合圖4提出的多方法綜合解釋流程開展本文三種測量方法的地質(zhì)-地球物理綜合解釋，綜合物探成果剖面如下圖7所示.從圖中可以看出：微動視橫波速度剖面(圖7(a))整體垂向上呈現(xiàn)由淺到深速度不斷增加特征，存在明顯界面信息,橫向高速體頂面變化平緩，反映深部基巖面展布特征；視電阻率剖面(圖7(b))整體表現(xiàn)為中高阻-低阻-高阻3層結(jié)構(gòu)；大深度探地雷達(dá)剖面(圖7(c))顯示電磁干擾相對較弱，同相軸連續(xù)性較好，對淺表強(qiáng)風(fēng)化花崗巖頂面反映較好，但對地下深部信號響應(yīng)較弱.結(jié)合鉆孔巖性資料，從橫波速度剖面(圖7(a))劃分三個(gè)巖性層位，分別為粉細(xì)砂層、全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層、中風(fēng)化花崗巖層.其中，粉細(xì)砂層底面海拔5～-10m，平均厚度10～20m，呈褐黃色，中密～密實(shí)為主，飽和，以粉細(xì)砂為主，局部夾有中粗砂，以視橫波速度<400m/s劃分，在剖面上顯示厚度逐漸增加；全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層底面海拔-10～-20m，平均厚度8～15m，呈灰黃色，含大量中粗粒石英顆粒、云母及長石，長石大部分風(fēng)化成粘土礦物，巖石風(fēng)化劇烈，以橫波速度400～550m/s劃分，在剖面橫向維度上厚度分布變化明顯，70～90m區(qū)段存在全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層凹陷；中風(fēng)化花崗巖層上頂面海拔-10～-20m，呈灰白色、灰色等，粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，裂隙發(fā)育，以橫波速度>600m/s劃分，層厚分布不均勻.在剖面橫向維度120～125m段有一次級斷裂發(fā)育，與已知鉆孔剖面顯示基巖面迅速下降相吻合。

　　結(jié)論

　　1)本文提出了一套面向孤石探測的優(yōu)選物探組合方法技術(shù)體系和工作流程，充分利用三種方法的異?；パa(bǔ)和相互驗(yàn)證的優(yōu)勢，有效避免了干擾引起的假異常，明顯提升了孤石體的探測精度，實(shí)現(xiàn)了孤石體在三維空間的定量表達(dá).

　　2)當(dāng)某一水平位置正下方存在多層孤石，且孤石體在垂向上的間隔較小時(shí)，使得物探異常在垂向上難以區(qū)分多層孤石體，僅顯示為一個(gè)整體異常，或由于孤石體積太小，很難引起明顯的物探異常響應(yīng)，故優(yōu)選物探方法組合技術(shù)在垂向分辨率方面仍有待進(jìn)一步提高.

　　3)在地質(zhì)-地球物理綜合解釋中，需要充分結(jié)合已知鉆孔、地質(zhì)資料用于標(biāo)定地層巖性界面，進(jìn)一步提升全-強(qiáng)風(fēng)化層孤石體的探測精度.

　　References附中文參考文獻(xiàn)

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