占文鋒 劉永勤 王 強

(1.北京工業(yè)職業(yè)技術學院建筑與測量工程學院,100042,北京;2.北京城建勘測設計研究院有限責任公司,100101,北京∥第一作者,副教授)

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瞬變電磁法在規(guī)劃濟南地鐵沿線地下泉脈勘察中的應用*

占文鋒1劉永勤2王 強1

(1.北京工業(yè)職業(yè)技術學院建筑與測量工程學院,100042,北京;2.北京城建勘測設計研究院有限責任公司,100101,北京∥第一作者,副教授)

在評價濟南市區(qū)地下泉脈對地鐵建設影響的過程中,運用了地面瞬變電磁探測技術,根據(jù)視電阻率隨深度變化規(guī)律,有效識別出地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)分布特征,并將其劃分為淺部高阻層,中部碎石、砂巖低阻含水層,深部基巖高阻層。其中,基巖埋藏呈現(xiàn)東部淺、西部深,南北淺、中部深的變化趨勢;淺部地質(zhì)結(jié)構(gòu)則較為復雜,地層厚度分布不均勻,并存在斷層導通深部含水層或溶洞的可能,地鐵在此范圍內(nèi)施工時應做好預防。

地鐵建設; 地下泉脈; 地質(zhì)勘察; 瞬變電磁法

First-author′s address School of Architectural and Surveying & Mapping Engineer,Beijing Polytechnic College,100042,Beijing,China

軌道交通能有效改善城市交通環(huán)境壓力,促進經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[1]。濟南作為著名泉城,境內(nèi)泉水眾多,成為中國乃至世界上十分罕見的城市奇觀[2]。然而,“泉”作為濟南市最為耀眼的名片,卻成為其通往地鐵征程上的首要考慮因素,軌道交通建設與泉水生態(tài)系統(tǒng)保護不可避免地產(chǎn)生矛盾。在濟南市進行軌道交通建設,首先要考慮泉水的保護問題。地下水系統(tǒng)是泉水生態(tài)系統(tǒng)中最為脆弱的部分,為論證地鐵建設對泉水的影響,必須開展軌道交通建設對泉水及其地下水補給系統(tǒng)影響的相關研究[3]。利用瞬變電磁技術快速靈活、對低阻體敏感的優(yōu)點,查明軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃重點區(qū)域100 m埋深內(nèi)的地下水系分布情況,作為泉水地下流場特征研究的有益補充,為評價泉水生態(tài)系統(tǒng)與地鐵建設的相互影響提供依據(jù)。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)特征

濟南泉域總體為向北傾的單斜構(gòu)造[4]。南部為寒武和奧陶系灰?guī)r裸露的低山丘陵區(qū),巖溶發(fā)育,易于接受降水補給。地下水沿單斜構(gòu)造向北運移,受北部燕山巖漿巖侵入體的阻擋,同時由于東西兩側(cè)有千佛山和文化橋斷裂帶之間形成的“地壘”,地下徑流在此受到三面阻擋,水頭抬高,在較高壓力下沿灰?guī)r裂隙、巖溶通道或巖漿巖構(gòu)造裂隙穿過較薄的松散層或被溶蝕的礫石層,于低洼地段噴涌成泉[5-6]。

由于地下水埋置深度的差異,泉水的組成和流場特征也不相同。城市軌道交通工程處于濟南繁華的城市中心地帶(見圖1),泉水集中出露區(qū)是城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的重點區(qū)域,同時也是地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化大、構(gòu)造異常復雜的地段[7]。該區(qū)域淺層50 m范圍內(nèi)同時分布著第四系土層、巖漿巖體和灰?guī)r層[8]。在此區(qū)域內(nèi),泉水通道埋深較淺,滲透性極強,地層和構(gòu)造相對復雜。軌道交通結(jié)構(gòu)埋設其中,可能會擠占和影響部分徑流通道。

圖1 濟南市交通網(wǎng)及測線位置示意圖

2 瞬變電磁法探測原理

瞬變電磁法利用不接地回線,通以穩(wěn)定電流,向其周圍空間發(fā)射一次脈沖磁場,并在周圍導電體中產(chǎn)生感應電流。在斷電后的一次脈沖磁場間歇期,利用接收線圈觀測二次渦流場,感應二次場由于損耗而隨時間衰減,其過程一般分為早、中、晚期。早期電磁場衰減快,趨膚深度小;晚期電磁場衰減慢,趨膚深度大。通過測量斷電后各時間段的二次場隨時間變化規(guī)律,可得到不同深度的地電特征[9-10]。

在原生狀態(tài)下,地層沉積序列比較清晰,其電性特征在縱向上具有固定變化規(guī)律,而在橫向上相對比較均一[11]。當斷層、裂隙和溶洞等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育或人類工程擾動時,都將打破地層電性在縱向上和橫向上的變化規(guī)律,這為以巖石電性差異為基礎的瞬變電磁法提供了物理前提。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和鉆孔揭露情況,研究區(qū)內(nèi)地層厚度橫向變化大,地層尖滅、透鏡體發(fā)育[12-13],縱向上變化則相對穩(wěn)定。自上而下,依次為雜填土、粉質(zhì)粘土、碎石、細砂、巖漿巖、變質(zhì)巖或灰?guī)r等。一般而言,灰?guī)r、火成巖電阻率值相對較高,砂巖次之,粘土巖類最低。

在巖性及地下水綜合影響下,研究區(qū)視電阻率呈現(xiàn)高→低→高的變化規(guī)律,局部地段由于含水巖溶或斷裂破碎帶的存在,會造成視電阻率降低,這種變化規(guī)律為研究區(qū)瞬變電磁探測和解釋提供了良好的物理前提。

3 瞬變電磁探測

3.1 瞬變電磁施工設計

探測選用加拿大Geonics公司PROTEM-47瞬變電磁儀,采用偶極裝置形式,發(fā)射框和接收框間距10 m,以便與地下異常產(chǎn)生最佳耦合響應。經(jīng)現(xiàn)場參數(shù)試驗和方法有效性試驗,采用1 m×1 m多匝發(fā)射線框,發(fā)射電流1 A,關斷時間80 μs,測點間距10 m。選擇經(jīng)十路、歷山路和大明湖路三條地鐵網(wǎng)規(guī)劃線路,布置“兩橫一縱”三條測線,從而將趵突泉、黑虎泉、五龍?zhí)?、珍珠泉等四大泉群包含其中。其?經(jīng)十路測線長370 m,自東向西布置38個測點;歷山路測線長250 m,自北向南布置26個測點;大明湖路測線長210 m,自東向西布置22個測點。

3.2 干擾因素分析及主要技術措施

由于現(xiàn)場及周圍金屬或帶電磁體會對電磁場具有吸收和導引作用,尤其是輸電線、高壓線、變電器、帶電電纜、地下管線、行駛的機動車輛等產(chǎn)生的附加磁場對發(fā)射機人工源磁場影響較大。為盡量減少干擾,現(xiàn)場探測過程中采取了以下技術措施以降低干擾:①縮小發(fā)射線框尺寸,通過對比試驗,選擇了1 m×1 m方形發(fā)射框;②躲避干擾物,發(fā)射和接收線框放置時,盡量躲避各類金屬物,最大限度地減少金屬體對電磁波的吸收和干擾;③合理選擇發(fā)射框或接收框位置,在某些測點,當采集信號不理想時,通過前、后微調(diào)發(fā)射框或接收框位置,以采集可靠信號,數(shù)據(jù)處理時再對其進行校正;④選擇合適的探測時間,探測時盡量避開車流量高峰期,以降低環(huán)境干擾;⑤現(xiàn)場記錄,室內(nèi)校正,在探測過程中認真記錄每一測點的環(huán)境及信號變化情況,尤其重點記錄現(xiàn)場無法躲避的干擾信號位置及強度,以便在數(shù)據(jù)處理時進行除噪校正處理。

3.3 環(huán)境噪聲采集與校正

一般在開始觀測之前,都需要記錄背景噪聲信號。如果記錄的背景噪聲為一個穩(wěn)定的且幅值較大的信號,則該背景信號將疊加在正常信號上,使正常信號發(fā)生整體抬高或降低,從而使實測結(jié)果產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。對于這種情況,可通過實際記錄的背景噪聲水平進行一定的消除。由于背景噪聲并不能完全或精確的消除,有時還可能帶進新的系統(tǒng)誤差,因此在進行背景噪聲校正時需謹慎[14]。

通過系統(tǒng)采集三條測線的背景噪聲,繪制實測值和背景噪聲(Bz)隨時間(t)變化情況,如圖2所示。兩者早期信號相差較大,晚期接近一致。由于實測Bz值穩(wěn)定,背景噪聲值較小,說明通過以上技術措施達到降低背景噪聲的目的,可直接進行后續(xù)反演計算。

4 探測結(jié)果分析

4.1 經(jīng)十路反演結(jié)果分析

原始數(shù)據(jù)經(jīng)BETEM軟件處理、反演后,選擇30#、130#、260#、360#測點繪制典型視電阻率對數(shù)-深度曲線,如圖3所示。縱向,視電阻率值隨深度增加均呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢,兩者間的轉(zhuǎn)折點(圖3中虛線所示)較為清晰,易于識別,故本文所有反演解釋均以此作為第四系覆蓋層與下伏基巖的標志性分界面;橫向,基巖自東向西逐漸埋深。

圖2 二次場實測值及環(huán)境噪聲衰減曲線

圖3 經(jīng)十路30#、130#、260#、360#測點視電阻率對數(shù)-深度變化曲線圖

全部測點數(shù)據(jù)經(jīng)反演后,繪制出經(jīng)十路視電阻率對數(shù)等值線(見圖4)。圖4中橫坐標為測點坐標,縱坐標為沿探測方向深度,單位均為m。圖中不同灰度代表視電阻率對數(shù)值相對高低,數(shù)值越小,視電阻率越低(下同)。沿水平方向,視電阻率變化大,說明探測范圍內(nèi)電性層沿水平方向分布不均勻,厚度變化大,故在此范圍內(nèi)進行地鐵施工時,應注意地質(zhì)條件的復雜性;沿垂直方向,視電阻率對數(shù)值整體遞變減小后增大,電性分層清晰,根據(jù)低阻異常初步圈定出基巖分界面如圖中黑色虛線所示。圖中基巖界面起伏不平,埋深40～70 m之間。推斷受正斷層影響,基巖埋深呈現(xiàn)東淺西深的變化趨勢,基巖面以下未見明顯的低阻圈閉異常。淺部低阻發(fā)育,局部延伸至地表附近,因此在淺部進行地鐵施工時,存在斷層導通深部含水層的可能,在保護地下水運移通道的同時,應注意防范突、涌水風險。

4.2 歷山路反演結(jié)果分析

選擇40#、130#、180#、260#測點繪制歷山路典型視電阻率對數(shù)-深度曲線如圖5所示。其縱向視電阻率變化趨勢與經(jīng)十路相同,即隨深度增加呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢,根據(jù)轉(zhuǎn)折點確定基巖界面。

歷山路視電阻率對數(shù)等值線(圖6)顯示基巖埋深約20～60 m之間,南部埋藏淺,北部埋藏深。南部基巖面以下,可見明顯低阻異常區(qū),其埋深超過70 m,可能為斷層或巖溶導致的。在此路段施工時,面臨與經(jīng)十路相似的工程地質(zhì)問題。

圖4 經(jīng)十路視電阻率對數(shù)等值線圖

圖5 歷山路40#、130#、180#、250#測點視電阻率對數(shù)-深度變化曲線圖

圖6 歷山路視電阻率對數(shù)等值線圖

4.3 大明湖路反演結(jié)果分析

選擇40#、130#、180#、260#測點繪制大明湖路典型視電阻率對數(shù)-深度曲線如圖7所示。其基巖面埋深整體較淺,30 m范圍內(nèi)工程鉆孔在本路段僅揭示火成巖,故視電阻率轉(zhuǎn)折點為覆蓋層與火成巖分界面。

歷山路基巖面整體埋藏深度較經(jīng)十路淺,介于20～40 m之間,推斷可能由于燕山期巖漿巖體由北向南逐漸侵入的緣故,基巖面以下未見明顯的低阻圈閉異常(見圖8)。由于含水層埋藏較淺,在此路段施工時,除需注意淺部復雜工程地質(zhì)問題外,對泉水的預防和保護問題更顯突出。

4.4 工程勘察驗證

北京城建勘測設計研究院在經(jīng)十路、歷山路和大明湖路共施工了77個工程勘察孔。其中經(jīng)十路施工32個鉆孔,灰?guī)r自東向西逐漸埋深,頂界面局部起伏不平,局部夾粉砂巖透鏡體。歷山路共施工21個鉆孔,南部基巖為灰?guī)r,北部為火成巖,兩者在路段中部直接接觸,地層相對簡單,但基巖界面起伏不平。大明湖路共施工24個鉆孔,揭示地層相對簡單平緩,火成巖頂界面起伏較經(jīng)十路和歷山路平緩。

5 結(jié)論

(1) 由于城市中心干擾因素較多,部分對電磁場具有吸收和導引作用。在運用瞬變電磁法探測過程中,通過采取適當?shù)募夹g措施,有效降低了環(huán)境噪聲干擾,提高了反演解釋的精度。根據(jù)視電阻率隨深度變化規(guī)律,可以有效識別覆蓋層與下伏基巖分界面,從而將濟南市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃核心區(qū)域地下結(jié)構(gòu)劃分為淺部高阻層,中部碎石、砂巖低阻含水層,深部基巖高阻層。

圖7 大明湖路10#、120#、200#、260#測點視電阻率對數(shù)-深度變化曲線圖

圖8 大明湖路視電阻率對數(shù)等值線圖

(2) 受正斷層或其他因素的影響,基巖自東向西逐漸埋深;受單斜構(gòu)造影響,城市中、南部地區(qū)基巖面呈現(xiàn)南淺北深的趨勢;而北部地區(qū)可能受巖漿巖體由北向南逐漸侵入的緣故,基巖埋深變淺。城市中南部基巖主要為灰?guī)r地層,基巖層中可見明顯的低阻異常圈閉,應注意防范深部巖溶引起的風險;而北部基巖主要為巖漿巖侵入體,未見低阻異常圈閉,防范的重點則在淺部覆蓋層。

(3) 相對而言,淺部結(jié)構(gòu)更復雜,對泉水的預防和保護問題更顯突出。淺部地層含水量豐富,厚度分布不均勻,低阻發(fā)育并延伸至地表附近,軌道交通結(jié)構(gòu)埋設其中,可能會擠占和影響部分徑流通道。與此同時,在淺部進行地鐵工程施工時,存在斷層導通深部巖溶或淺部含水層的可能。而在保護地下泉水運移通道的同時,應注意地質(zhì)條件的復雜性和防范斷層導、突水的風險。

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Exploration of Underground Springs in Jinan City and its Impact on Metro Construction

ZHAN Wenfeng, LIU Yongqin, WANG Qiang

During the process of exploring underground springs in Jinan city and evaluating its impact on metro construction,the transient electromagnetic method (TEM) is applied, which could effectively reduce the ambient noise and improve the inversion accuracy.According to the resistivity changes with depth,the underground geological structure can be classified into three categories:the shallow high-resistance layer,the middle stone/sandstone low-resistance aquifer,and the deep bedrock high-resistance layer.The bedrock is embedded deeper in the western and central areas of the city,while shallower in the eastern,northern and southern parts.However,the shallow geological structure is more complex, its stratigraphic thickness is unevenly distributed,where the faults may be possibly connected to deep aquifers or karst caves.Therefore,the metro construction must take precautions against these risks.

metro construction; underground springs; geological survey; transient electromagnetic method

*北京市教育委員會科技計劃面上項目(PXM 2010014225097947)

U 231.1; P 641.72

10.16037/j.1007-869x.2016.08.011

2015-02-07)