楊 超，趙 鵬，權利賓

(上海元易勘測設計有限公司，上海 201203)

1 引 言

地下箱涵是城市地下工程的組成部分之一，具體建構筑物形式如合流污水箱涵、原水箱涵設施等。由于建設年代久遠，竣工資料不完整、不精準、缺失等原因導致空間位置信息缺失，形成地下空間開發(fā)過程中的障礙物，對設計、造價及施工造成了不利影響，因此，查明地下箱涵是城市地下工程建設的重要基礎問題之一。

地下箱涵的建造往往采用鋼筋混凝土，埋設方法主要分為兩種：一種為開挖直埋式，埋深較淺；另一種為非開挖穿越式，一般埋設較深，其縱剖面呈中間深兩邊淺，中間區(qū)深度可達10 m以深。

針對上述地下箱涵的探查，一方面要確定其平面位置，另一方面要確定其深度。用探地雷達法探測，只能解決極少一部分問題(因為受目標體大小、地電條件、干擾異常等因素影響較大，特別是上海地區(qū)潛水位淺，往往很難探測出有效異常)[1]；用地震面波法探測，容易錯判異常(因為上海地區(qū)潛水位淺，屬于軟土介質，能量往往易于陷入其中，無法成像；加之基階與高階無法有效區(qū)分，往往假異常較多，錯判率較高)；用地震映像法探測，所得到的剖面為時間剖面，具有良好的信噪比和分辨率[2,3]，但不能直觀地反映地下構筑體的深度信息，因此，常采用預估地下地質體的速度特征的方法來估算地下構筑體的埋深[4]；用磁梯度法探測，無需施加信號，可精確探測深度信息，誤差在±20 cm以內，這是任何其他物探手段所難以企及的[5]，但需要知道初步平面位置。

基于此，本文針對不同方法的優(yōu)缺點，提出了地震映像法與磁梯度法組合探測地下超深箱涵的探測方法與思路。實踐表明，地震映像法與磁梯度法的有效組合，能夠定性、定量地描述地下箱涵的空間位置，為類似問題的勘察和研究提供實踐依據(jù)。

2 方法原理及特點

2.1 地震映像法

地震映像法，又稱地震共偏移距法，是以地層的物性差異為基礎，用相同的小偏移距逐步移動單點接收地震信號(圖1)，基于反射波法中的最佳偏移距技術對地下地層或地下目的物進行連續(xù)掃描，利用多種地震波信息來探測地下介質變化的淺層地震勘探方法。該方法的使用前提是地下介質密度、速度、泊松比等彈性特征參數(shù)具有差異[3,6-12]。

圖1 地震映像數(shù)據(jù)采集示意圖[13]Fig.1 The sketch map of seismic data acquisition注：ΔX為測點間距；X為偏移距

彈性波在介質中傳播時，將探測對象視為一維彈性體，當其中一端受瞬態(tài)脈沖作用后，則有應力波以波速V沿著地質體向脈沖前進的方向傳播。波在傳播中，如遇到地質體介質波阻抗發(fā)生變化的界面，入射的彈性波就會在這個界面上產(chǎn)生反射。對于反射波地震映像法而言，就是利用彈性反射波的特性(圖2)，記錄波的旅行時間和動力學特征，根據(jù)波的運動學和動力學特征，獲取物性分界面或突變點的雙程旅行時間距離曲線(圖3)[6]。由于每個記錄道都采用相同的偏移距，因此具有良好的信噪比和分辨率[3]。地震映像法工作原理如圖2和式(1)所示，時距曲線如圖3所示。

圖2 地震映像探測原理Fig.2 The schematic diagram of seismic imaging detection

圖3 時間距離曲線示意圖[3]Fig.3 The diagram of time-distance curve

(1)

(2)

式中，t為彈性波的雙程走時，單位：ms；H為反射點距離地面的埋深，單位：m；X為地震收發(fā)距，即偏移距，單位：m；V為介質中彈性波的波速，單位：m/ms。

2.2 磁梯度法

磁梯度法是根據(jù)一定單位距離內地磁場強度的變化來對地下管線進行測量的一種方法。一般在均勻無磁性物質的土層中，其磁場強度理論上為地球磁場，或稱為背景磁場，而如果在其中有鐵磁性物質存在時，將會在其周圍產(chǎn)生感應磁場，從而產(chǎn)生磁異常。

根據(jù)徑向梯度公式[14](3)可知：磁梯度與形狀系數(shù)n，距離r密切相關，磁梯度值隨距離r的增加而衰減，當探頭與待測目標水平間距大于1.2 m時，幾乎無任何變化(圖4)。因此規(guī)范要求，測試孔與待測目標間距宜小于1 m[15]。

圖4 隨距離變化磁梯度峰值衰減曲線[16-18]Fig.4 The peak attenuation curve of magnetic gradient with distance

(3)

式中，Tr為徑向梯度，單位：nT/m；T為磁場值，單位：nT；n為與磁性體形狀有關的參數(shù)，無量綱(球體n=3，水平圓柱體n=2等)；r為觀測點到場源的距離，單位：m；A為與磁性體的磁性、幾何尺寸以及磁化方向有關的常數(shù)，無量綱。

3 測線布置及數(shù)據(jù)采集

3.1 地震映像法

3.1.1 探測位置

根據(jù)現(xiàn)場實際情況及收集資料分析，選擇位于水泥道路北側進行地震映像探測(位置如圖5所示)。

3.1.2 接收方式

采取單道接收直接形成地下地層波阻抗界面的時間剖面。

3.1.3 儀器參數(shù)

采用北京水電所SWS-6A型工程地震系統(tǒng)，進行了4 m、6 m和8 m偏移距試驗，最終選擇偏移距4 m，直線等道間距0.5 m，采樣間隔0.25 ms，每道采樣數(shù)2 048，檢波器分別為10 Hz、28 Hz和38 Hz。

3.2 磁梯度法

3.2.1 探測位置

根據(jù)地震映像結果選擇于綠化帶內進行磁梯度法探測(位置如圖5所示)。

圖5 地震測線及磁梯度孔位置Fig.5 Location map of seismic survey line and magnetic gradient hole

3.2.2 數(shù)據(jù)采集

采用廊坊興爾XEGT-1磁梯度儀，根據(jù)地震成果位置布置好鉆孔，采用人工水沖法，成孔后將PVC管放至孔中，隨即將磁力梯度儀的探頭放到PVC管內，從孔底部開始連續(xù)拉動線纜，以0.1 m的間隔依次向上記錄各點的磁梯度值，到達孔頂后再往下探測以做校對。

4 探測效果分析

4.1 地震映像探測成果分析

根據(jù)不同頻帶地震波反射特征綜合分析，箱涵位于第50道與80道之間，中心點位于第66道，呈相交雙拋物線特征，推測為雙孔箱涵，箱體頂界面反射雙程旅行時約為170 ms(圖6～圖8)。

圖6 地下箱涵地震映像特征(10 Hz)Fig.6 The seismic map of underground box culvert(10 Hz)

圖7 地下箱涵地震映像特征(28 Hz)Fig.7 The seismic map of underground box culvert(28 Hz)

圖8 地下箱涵地震映像特征(38 Hz)Fig.8 The seismic map of underground box culvert(38 Hz)

結合該處鉆孔資料(圖5)及物性資料[15]，0～0.3 m為混凝土路面，0.3～1 m為素填土，1～9.8 m為砂質粉土，9.8～20.3 m為淤泥質黏土，取混凝土縱波速度2 000 m/s，粉土縱波速度200 m/s(素填土歸在其中)，淤泥質黏土縱波速度100 m/s，厚度加權后縱波速度平均約為175 m/s，根據(jù)式(2)推測該處地下箱體頂面埋深約為14.88 m。

4.2 磁梯度探測成果分析

結合分析地震映像結果，選擇第55道，第66道，第77道附近進行磁梯度探測，并依據(jù)現(xiàn)場情況調整后最終布置了K1、K2、K3三個磁梯度孔(圖5)。其中，孔號K1、K3皆于14.5 m處無法繼續(xù)鉆進，根據(jù)工程經(jīng)驗推測為混凝土構筑物，即箱涵頂界面。

孔號K2鉆至17.9 m終孔，PVC管下至15.9 m，于14.5 m處發(fā)現(xiàn)磁梯度信號異常(圖9)，根據(jù)磁梯度探測理論，地層與管道界面處會發(fā)生磁場變化，從而產(chǎn)生極值變化界面，據(jù)此推測管埋深位置。

圖9 地下箱涵實測磁梯度曲線Fig.9 The magnetic gradient actual curve of under ground box culvert

4.3 地震映像與磁梯度綜合分析

從圖6～圖9可以看出，地震映像法具有良好的平面探測效果，可以較好地反映箱涵的中心位置，而磁梯度法可以高精度地得到箱涵的垂向深度，與地震映像法具有很好的一致性，由此結合兩種地球物理方法，綜合判定了箱涵的空間位置(圖10)。

圖10 箱涵空間位置Fig.5 The spatial location of underground box culver

5 結 論

1)地震映像法能夠明顯地定性判別地下超深箱涵，其特征是典型的拋物線，雙孔箱涵則呈相交雙拋物線特征，并且根據(jù)厚度加權速度校正可以初步獲得較為準確的箱涵深度信息。

2)在地震映像法確定邊界和初步深度基礎上進行磁梯度探測，可以精確獲得箱涵空間位置信息。

3)地震映像法與磁梯度法相結合是城市物探的一種好方法，能真正起到對比分析，成果驗證的作用。