湯 磊, 張 琦

(湖南省地球物理地球化學(xué)勘查院，湖南 長沙 410116)

1 引言

地面變形地質(zhì)災(zāi)害主要是指地面沉降、地裂縫和巖溶地面塌陷等以地面垂直變形破壞或地面標(biāo)高改變?yōu)橹鞯牡刭|(zhì)災(zāi)害。地面變形地質(zhì)災(zāi)害具有成因復(fù)雜、發(fā)生突然、破壞程度高以及影響范圍廣等特點(diǎn)。地面變形的成因可分為自然因素和人為因素兩大類。隨著人類活動的加強(qiáng)，人為因素已經(jīng)成為地面變形地質(zhì)災(zāi)害的重要原因。在城市大規(guī)模建設(shè)過程中，地面變形地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象時有發(fā)生，給城市建設(shè)和城市居民造成較大的安全隱患，因此必須對地面變形地質(zhì)災(zāi)害及可能造成的危害有充分的認(rèn)識，加強(qiáng)地面變形地質(zhì)災(zāi)害的成因、預(yù)測和防治措施的研究，有效減輕地面變形地質(zhì)災(zāi)害造成的安全和經(jīng)濟(jì)損失[1]。

長沙市某地高層建筑基礎(chǔ)工程的深基坑開挖時間久遠(yuǎn)，發(fā)現(xiàn)在基坑南部和西部周邊邊坡旁和馬路上出現(xiàn)大面積的地面開裂和地面沉降現(xiàn)象，場地基坑西南角處邊坡垮塌，泥漿水不斷往邊坡外涌出。為確保工程安全，需開展地球物理勘查工作，查明地面變形的分布范圍和原因。

城市建設(shè)中地面變形的勘查工作，因人文干擾較大、場地受限和物性差異等條件采用地球物理方法探測的種類較多，有天然場源面波和高密度電法相結(jié)合的，有地震映像法和探地雷達(dá)法相結(jié)合的，有聯(lián)合剖面法和電測深法等方法相結(jié)合的，每種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。針對本次工作任務(wù)，根據(jù)場地的環(huán)境及條件，擬采用探地雷達(dá)法和等值反磁通瞬變電磁法開展工作。

2 地質(zhì)概況及地球物理特征

根據(jù)鉆探揭露及參考區(qū)域地質(zhì)資料，場地地表覆蓋層主要為第四系人工填土層(Q4ml)、第四系沖積粉質(zhì)黏土(Qal)及卵石層(Qal)。下伏基巖為白堊系(K)泥質(zhì)粉砂巖。

2.1 地層巖性

(1)人工填土①(Q4ml)：褐黃、褐灰色，稍濕，主要由黏性土組成，不均勻含碎石、砂卵石等，局部含植物根系，為新近堆填而成，結(jié)構(gòu)松散，未完成自重固結(jié)，密實(shí)度不均勻。場地部分鉆孔揭露該層，揭露層厚為0.5～4.8 m，平均為1.32 m。該層于場地西部分布厚度大，于場地中部及東部分布厚度小。

(2)第四系沖積層：粉質(zhì)黏土②(Qal)：褐灰、褐黃色，稍濕-濕，可塑，稍有光澤反應(yīng)，搖震無反應(yīng)，切面稍光滑，干強(qiáng)度中等及韌性中等，不均勻含少量砂礫石。層厚1.5～3.1 m，平均為2.3 m。

卵石③(Qal):灰黃、灰白等雜色，飽和，稍密為主，顆粒成分主要為石英及長石，略具風(fēng)化，粒徑一般為2～12 cm，最大可達(dá)21 cm，含量為50%～60%，充填大量圓礫、中粗砂及黏性土，亞圓形，顆粒級配較好。本次勘察大部分鉆孔揭露該層，揭露厚度為0.5～9.3 m，平均為4.13 m。

(3)白堊系(K)泥質(zhì)粉砂巖：紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，主要成分為少量碎屑礦物及黏土礦物等，節(jié)理裂隙發(fā)育。本次鉆探揭露全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖及中風(fēng)化巖。

全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖④(K)：紫紅色，風(fēng)化、節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈散土狀，局部為碎塊狀，稍濕，硬塑-堅(jiān)硬。大部分鉆孔揭露該層，鉆探揭露厚度為0.7～25.2 m，平均為8.81 m。

強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖⑤(K)：紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈短柱狀、碎塊狀，遇水易軟化，失水易崩解。鉆探揭露厚度為1.5～30.9 m，平均為9.67 m。

中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖⑥(K)：紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯呈柱狀、長柱狀，遇水易軟化，失水易崩解。鉆探揭露厚度為1.6～4.8 m，平均為3.67 m。

2.2 水文地質(zhì)條件

地表水：擬建場地?zé)o地表水分布。

上層滯水：主要賦存于人工填土層(①)及粉質(zhì)黏土層(②)中，由大氣降水入滲補(bǔ)給及地表水滲入補(bǔ)給，水量極貧乏，水位隨季節(jié)變化而異。

孔隙水：主要賦存于卵石層(③)中，由地表水和大氣降水通過包氣帶下滲補(bǔ)給，有自由水面，水量較豐富。

基巖裂隙水：主要賦存于強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的風(fēng)化、節(jié)理裂隙中，其補(bǔ)給、徑流條件主要受巖層地質(zhì)構(gòu)造、節(jié)理裂隙發(fā)育程度控制和影響，其水量一般較小，未形成統(tǒng)一、連續(xù)的地下水水面。

2.3 地球物理特征

由于測區(qū)覆蓋主要是第四系人工填土、第四系沖積粉質(zhì)黏土和卵石層，下伏基巖為白堊系泥質(zhì)粉砂巖等，地表第四系土層電阻率一般為50～100 Ω·m，卵石層電阻率一般為100～200 Ω·m，下伏基巖泥質(zhì)粉砂巖電阻率一般為200～500 Ω·m，空氣電阻率為∞。松散土體表現(xiàn)為低阻異常特征，若土洞里充水，表現(xiàn)為低阻異常特征；若土洞為空，充填為空氣，表現(xiàn)為高阻異常特征。測區(qū)干黏土相對介電常數(shù)為2～6，濕黏土相對介電常數(shù)為5～40，干泥質(zhì)粉砂巖相對介電常數(shù)為2～5，濕泥質(zhì)粉砂巖相對介電常數(shù)為5～10。以上電阻率和介電常數(shù)等物性差異為本次勘查工作提供了較好的地球物理前提條件。

3 基本原理及工作方法

3.1 探地雷達(dá)法原理

探地雷達(dá)是利用寬頻帶高頻電磁波信號探測介質(zhì)結(jié)構(gòu)分布的非破壞性的探測儀器，它通過雷達(dá)天線對隱蔽目標(biāo)體進(jìn)行全斷面掃描的方式獲得斷面的掃描圖像。具體工作原理是：通過發(fā)射天線、接收天線以及主機(jī)共同工作，采集樣點(diǎn)時，首先由控制單元分別給發(fā)射器和接收器發(fā)出一個控制信號，發(fā)射器接收到該信號后，通過發(fā)射天線(T)向地下某一測點(diǎn)發(fā)射一定主頻的電磁脈沖波，電磁脈沖波在各種介質(zhì)的傳播過程中，遇到不同介質(zhì)的物性分界面(電阻率、介電常數(shù)的差異分界面)時發(fā)生波的反射，反射波由接收天線(R)接收；通過控制單元和計(jì)算機(jī)接收經(jīng)光纜由接收天線傳送的反射波信號，并在計(jì)算機(jī)中存儲每一個測點(diǎn)上波形序列的振幅及波的雙程走時(△t)；根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的傳播速度及波的雙程走時，采用公式S=V×△t/2，求出反射面的深度。沿地面橫向布置的測線移動天線，控制單元即可采集到一條測線上的所有測點(diǎn)相應(yīng)的波形序列，形成一整條測線的雷達(dá)剖面記錄[2-3]。探地雷達(dá)探測成像工作原理如圖1所示。

圖1 探地雷達(dá)成像工作原理

3.2 等值反磁通瞬變電磁法原理

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖電磁場，且在一次脈沖間歇觀測地下渦流場的方法。從原理上講是測量地質(zhì)體感應(yīng)的二次場的時間域電磁法，M.N.Nabighian把渦流極大值面擴(kuò)散形象比作為“煙圈”。等值反磁通瞬變電磁法消除了接收線圈一次場的影響，從理論上實(shí)現(xiàn)了瞬變電磁法0～200 m淺層勘探。方法上采用上下平行共軸的兩個相同線圈通以反向電流作為發(fā)射源(雙線圈源)，并在雙線圈源的中間平面接收地下二次場，如圖2所示。由于接收面為上下兩線圈的等值反磁通平面，其一次場磁通始終為零，而地下空間卻仍然存在一次場，因此一次場關(guān)斷時，接收線圈測量的是地下的純二次場響應(yīng)。進(jìn)行單點(diǎn)測量，將測量結(jié)果輸入微機(jī)，用專業(yè)的軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并得到測線的地電斷面剖面圖[4-5]。

圖2 等值反磁通瞬變電磁法原理示意圖

3.3 工作方法技術(shù)

本次施工中探地雷達(dá)采用瑞典MALA公司生產(chǎn)的RAMAC/GPR型儀器，采用連續(xù)測量模式，100 MHZ屏蔽天線采集數(shù)據(jù)，采樣頻率1 072 MHz，時窗304 ns，采樣間隔0.099 m。

本次施工中瞬變電磁法采用的儀器是湖南五維地質(zhì)科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統(tǒng)，點(diǎn)距分別為3 m和4 m，發(fā)送電壓：12 V，電流：10 A。本次采用等值反磁通瞬變電磁法進(jìn)行測試前，首先檢查儀器工作是否正常，確保電池電壓12 V以上，測試的衰減曲線正常，保證儀器正常工作。然后進(jìn)行噪聲測試，進(jìn)行不同發(fā)送頻率的測試，結(jié)合測量深度，本次選擇25 Hz發(fā)送頻率；其次，進(jìn)行疊加次數(shù)的測試，經(jīng)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)后，選擇疊加次數(shù)為200。

本次測區(qū)共布置測線6條，等值反磁通瞬變電磁法和探地雷達(dá)法共用一條測線，選取其中的2條典型測線進(jìn)行論述與解釋，評價方法的可靠性。

4 資料處理與成果解釋

4.1 解釋方法

綜合視電阻率ρs斷面圖和地質(zhì)資料，結(jié)合電阻率斷面圖中背景值、低阻異常的形態(tài)、低阻異常值及其梯度值等因素，全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖裂隙帶中含水或含泥質(zhì)成分表現(xiàn)為相對低阻特征，并結(jié)合測量位置所對應(yīng)的地層巖性，對深部基巖裂隙體富水分布范圍和規(guī)模進(jìn)行評價。

探地雷達(dá)主要依據(jù)反射的雷達(dá)圖像進(jìn)行評價：

密實(shí)土層：界面反射信號幅值較弱，波形均勻，甚至沒有界面反射信號；

松散土層：界面反射信號為強(qiáng)反射，同相軸不連續(xù)，錯斷，雜亂，一般區(qū)域化分布；

空洞：界面反射信號強(qiáng)，呈典型的孤立體相位特征，通常為規(guī)整或不規(guī)整的雙曲線波形特征。

4.2 資料處理

探地雷達(dá)數(shù)據(jù)應(yīng)用專業(yè)軟件(ReflexW)將野外采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，與野外記錄仔細(xì)核對后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)處理：靜校正—去直流漂移—自動增益設(shè)置—1D帶通濾波—2D濾波—平均圓滑，生成探地雷達(dá)斷面圖，為資料解釋提供基礎(chǔ)資料。

瞬變電磁法將各測線測量的數(shù)據(jù)由儀器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，采用HPTEM數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)，計(jì)算測線的深度—視電阻率值，并繪制視電阻率等值線圖。處理步驟如下：選擇抽道方式為強(qiáng)干擾地區(qū)，對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，約束系數(shù)為0.8，地表電阻率設(shè)置為100 Ω·m，反演系數(shù)為0.2，目標(biāo)深度設(shè)置為30 m，對壞點(diǎn)或畸變點(diǎn)刪除、數(shù)據(jù)圓滑等一系列處理操作，最后進(jìn)行反演計(jì)算，得出測線的視電阻率值，最后利用Surfer軟件繪出成果剖面圖。

4.3 1線綜合成果解釋

1線位于基坑南部馬路旁的人行道上，東西走向，測線長170 m。采用等值反磁通瞬變電磁法和探地雷達(dá)法，結(jié)合地質(zhì)和鉆探資料對地下30 m深度內(nèi)的地層劃分和物性異常進(jìn)行解釋。

從圖3等值反磁通瞬變電磁法剖面可看出覆蓋層厚度大約10 m，位于水平34～44 m位置，頂?shù)茁裆?8～-16 m深度，有兩側(cè)相對高阻夾低阻異常，呈“V”字型展布，往深部有延伸，解釋該處為基巖裂隙體和富水的表現(xiàn)(異常區(qū)編號為S01)；位于水平68～78 m位置，頂?shù)茁裆?8～-14 m深度，同樣有兩側(cè)相對高阻夾低阻異常，呈“V”字型展布，解釋該處為基巖裂隙體和富水的表現(xiàn)(異常區(qū)編號為S02)；位于水平85～97 m位置，頂?shù)茁裆?10～-19 m深度，有兩側(cè)相對高阻夾低阻異常，呈低緩的“U”字型，往深部有延伸，解釋該處為基巖裂隙體和富水的表現(xiàn)(異常區(qū)編號為S03)；位于水平127～143 m位置，頂?shù)茁裆?9～-30 m深度，有兩側(cè)相對高阻中間夾低阻異常，從淺部一直往深部延伸，低阻圈閉合異常，解釋該處為基巖裂隙體和富水的表現(xiàn)(異常區(qū)編號為S04)；位于水平163～168 m位置，頂?shù)茁裆?12～-30 m深度，有兩側(cè)相對高阻中間夾低阻異常，從淺部一直往深部延伸，低阻圈未閉合，解釋該處為基巖裂隙體和富水的表現(xiàn)(異常區(qū)編號為S05)。

從圖3探地雷達(dá)剖面可看出：位于水平22～45 m位置，頂?shù)茁裆?1～-6 m深度，近水平長條狀，發(fā)現(xiàn)同相軸能量較強(qiáng)，同相軸橫向不連續(xù)，波形結(jié)構(gòu)局部錯斷、扭曲，較凌亂，反射信號有向深部延伸的異常特征，解釋該處為松散土體(異常區(qū)編號為R01)；位于水平58～78 m位置，頂?shù)茁裆?2～-6 m深度，近水平長條狀，發(fā)現(xiàn)同相軸能量較強(qiáng)，同相軸橫向較不連續(xù)，波形結(jié)構(gòu)在異常區(qū)中間嚴(yán)重錯斷、扭曲，較凌亂，反射信號有向深部延伸的異常特征，解釋該處為松散土體(異常區(qū)編號為R02)；異常位于水平102～130 m位置，頂?shù)茁裆?1～-5 m深度，近水平長條狀，發(fā)現(xiàn)同相軸能量較強(qiáng)，同相軸橫向較不連續(xù)，波形結(jié)構(gòu)局部錯斷、扭曲，較凌亂，反射信號有向深部延伸的異常特征，解釋該處為松散土體(異常區(qū)編號為R03)；異常位于水平138～148 m位置，頂?shù)茁裆?2～-6 m深度，似圓形狀，發(fā)現(xiàn)同相軸能量較強(qiáng)，同相軸橫向較不連續(xù)，波形結(jié)構(gòu)局部錯斷、扭曲，有較凌亂的異常特征，解釋該處為松散土體(異常區(qū)編號為R04)。

圖3 1線綜合解釋剖面

4.4 2線綜合成果解釋

2線位于基坑西部馬路旁的人行道上，南北走向，測線長170 m，采用等值反磁通瞬變電磁法和探地雷達(dá)法，結(jié)合地質(zhì)和鉆探資料對地下30 m深度內(nèi)的地層劃分和物性異常進(jìn)行解釋。

從圖4等值反磁通瞬變電磁法剖面可看出：覆蓋層厚度大約10 m，頂部位于水平16～30 m位置，底部位于水平9～20 m位置，頂?shù)茁裆?10～-30 m深度，有兩側(cè)相對高阻夾低阻異常，呈條帶狀低阻異常，從淺部一直往深部延伸，深部低阻圈未閉合，解釋該處為基巖裂隙體和富水的表現(xiàn)(異常區(qū)編號為S06)；頂部位于水平47～72 m位置，底部位于水平66～72 m位置，頂?shù)茁裆?8～-30 m深度，有兩側(cè)相對高阻夾低阻異常，呈條帶狀低阻異常，從淺部一直往深部延伸，深部低阻圈未閉合，解釋該處為基巖裂隙體和富水的表現(xiàn)(異常區(qū)編號為S07)；位于水平75～96 m位置，頂?shù)茁裆?10～-17 m深度，有兩側(cè)相對高阻夾低阻異常，呈低緩的“U”字型，解釋該處為基巖裂隙體和富水的表現(xiàn)(異常區(qū)編號為S08)；頂部位于水平111～129 m深度，底部位于水平108～117 m位置，頂?shù)茁裆?12～-30 m，有兩側(cè)相對高阻夾低阻異常，呈條帶狀低阻異常，從淺部一直往深部延伸，低阻圈未閉合，解釋該處為基巖裂隙體和富水的表現(xiàn)(異常區(qū)編號為S09)；位于水平147～163 m，頂?shù)茁裆?11～-14 m，兩側(cè)相對高阻夾低阻異常，呈寬緩的“U”字型，異常往深部延伸，解釋該處為基巖裂隙體和富水的表現(xiàn)(異常區(qū)編號為S10)。

從圖4探地雷達(dá)剖面可看出：位于水平30～75 m位置，頂?shù)茁裆?2～-7 m深度，近水平長條狀，發(fā)現(xiàn)同相軸能量較強(qiáng)，同相軸橫向不連續(xù)，波形結(jié)構(gòu)較凌亂，反射信號往深部略有延伸的異常特征，解釋為松散土體(異常區(qū)編號為R05)；位于水平138～148 m，頂?shù)茁裆?2～-7 m，反向的凸字形，發(fā)現(xiàn)同相軸能量較強(qiáng)，同相軸橫向不連續(xù)，波形結(jié)構(gòu)局部扭曲，且較凌亂，反射信號一直往深部延伸的異常特征，解釋為松散土體(異常區(qū)編號為R06)。

圖4 2線綜合解釋剖面

5 結(jié)論

基坑邊坡地面變形發(fā)生以后經(jīng)現(xiàn)場地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，主要原因?yàn)椴糠种ёo(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，加之地下水長期侵蝕表層土層，將土體里的顆粒成分運(yùn)移帶走，使土體失去穩(wěn)定性導(dǎo)致基坑周邊地面變形。

本次根據(jù)實(shí)際情況，采用探地雷達(dá)和等值反磁通瞬變電磁相結(jié)合的方法基本查明了松散土體及基巖裂隙體和富水的分布范圍與規(guī)模，對物探異常區(qū)域進(jìn)行了鉆孔驗(yàn)證，均為軟塑狀黏性土和巖體裂隙的表現(xiàn)，取得了良好的勘查效果，完成了地球物理勘查的具體任務(wù)要求，達(dá)到了本次勘查的目的，并對其物探異常區(qū)域進(jìn)行注漿處理，經(jīng)處理后地面變形地質(zhì)災(zāi)害得到明顯的減弱。

城市地質(zhì)災(zāi)害勘查受場地限制、環(huán)境干擾較大等因素，常規(guī)的物探方法難以達(dá)到理想的勘查效果，而探地雷達(dá)法反映淺部的異常特征，等值反磁通瞬變電磁法反映深部的異常特征，兩種方法相結(jié)合精度高，抗干擾能力強(qiáng)，工作效率高，取長補(bǔ)短，能達(dá)到勘查的目的要求，為基坑邊坡治理提供了可靠的科學(xué)依據(jù)，證明此兩種方法的結(jié)合是城市物探中行之有效的方法。