劉浩天

（湖南省勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410004）

0.引言

在地鐵隧道勘察中，查明地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性組合特征、圍巖的基本物理力學(xué)性質(zhì)、地下水分布特征以及可能遇到的不良地質(zhì)的分布范圍，為地鐵隧道施工工法的選擇、洞身掘進(jìn)方法、支護(hù)和襯砌類(lèi)型提供工程地質(zhì)依據(jù)和設(shè)計(jì)參數(shù)，確保施工安全。單一物探方法具有一定的局限性，易受探測(cè)深度、電磁干擾、地形條件等因素，因此在勘察中常采用綜合物探的方法[1]，利用不同的物性差異相互佐證，結(jié)合鉆探資料，以提高物探資料的準(zhǔn)確性。

本文以長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線(xiàn)過(guò)湘江段為例，根據(jù)物探工作目的及任務(wù)，選擇最優(yōu)的測(cè)線(xiàn)布置方式以及物探方法，通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，確定最優(yōu)的物探組合方法，以期解決地鐵施工中的地質(zhì)問(wèn)題。

1.工程概況

長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線(xiàn)過(guò)湘江段位于長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線(xiàn)阜埠河路站-湘江南路站區(qū)間如圖1所示，區(qū)間線(xiàn)路呈東西向展布，線(xiàn)路西起阜埠河路站，沿阜埠河路展布，在里程K31+700～K32+850段橫穿湘江，東至湘江南路站，結(jié)構(gòu)底板埋深約14.40m～40.20m，兩岸地貌單元屬湘江一級(jí)階地，地面標(biāo)高一般在30m～45m。

圖1 擬建區(qū)間衛(wèi)星照片

根據(jù)區(qū)域資料，該段發(fā)育二里半壓性斷裂（F35），出露于岳麓山東坡邊緣，呈N20°E延伸，傾向南東，斷裂兩端被第四系掩蓋，全長(zhǎng)約4km。截切最新地層為三迭-下侏羅統(tǒng)巖層，北西盤(pán)之岳麓山向斜東翼已被該斷層破壞，于左家垅附近斷面傾向南東，傾角約40°，并見(jiàn)與斷裂平行之石英斑巖脈，與其伴生的還有愛(ài)晚亭扭斷裂。

2.區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，本勘探區(qū)西部地處岳麓山向斜東南翼，有一規(guī)模較大的北東向斷層斜貫；東部位于楊泗廟—觀音港向斜北西翼，亦有一規(guī)模較大北東向斷層斜貫；受斷層的影響，湘江過(guò)江段局部可能存在小規(guī)模的斷層。第四紀(jì)以來(lái)本區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是以垂直差異運(yùn)動(dòng)為主，主要表現(xiàn)為間歇性升降，現(xiàn)今地貌形態(tài)以低山、丘陵崗地和沖積平原為特點(diǎn)。

2.1 褶皺構(gòu)造

2.1.1 岳麓山向斜

岳麓山向斜位于湘江西岸岳麓山，分布在岳麓洼凹構(gòu)造區(qū)內(nèi)，向斜軸向呈北東35°，延伸長(zhǎng)約35km，核部為石炭系、三疊系、侏羅系，翼部為泥盆系地層，向斜南東翼被區(qū)域主干斷層（F85）破壞（現(xiàn)僅保留北西翼），北西翼巖層傾角15°～30°，為一殘缺不全的寬展型褶皺。

2.1.2 楊泗廟—觀音港向斜

楊泗廟—觀音港向斜位于湘江東岸，分布在長(zhǎng)沙洼陷構(gòu)造區(qū)內(nèi)，向斜軸向呈北東40°～45°，核部地層為第三系棗市組，翼部為白堊系東塘組、戴家坪組、神皇山組。巖層傾角平緩，一般為15°～25°，屬平緩型褶皺。

2.2 斷裂構(gòu)造

2.2.1 張家咀—榮灣鎮(zhèn)—新塘灣斷裂（F85）

張家咀—榮灣鎮(zhèn)—新塘灣斷裂（F85）斜貫探測(cè)區(qū)西部，由師大南院—榮灣鎮(zhèn)—新河三角洲沿北東向延伸，長(zhǎng)約20km，斷裂沿線(xiàn)擠壓強(qiáng)烈，產(chǎn)狀直立，切割冷家溪群至中新統(tǒng)前地層，活動(dòng)最明顯的地段主要在長(zhǎng)沙市伍家?guī)X至榮灣鎮(zhèn)一段，北西盤(pán)岳麓山向斜南東翼已基本破壞，斷裂產(chǎn)狀 295°∠ 60°。

2.2.2 葫蘆坡—金盆嶺—炮臺(tái)子斷裂（F101）

葫蘆坡—金盆嶺—炮臺(tái)子斷裂（F101）斜貫探測(cè)區(qū)東南側(cè)，由湘江猴子石大橋西—南門(mén)口—松桂園沿北東向延伸穿越市區(qū)，走向北東30°，全長(zhǎng)約60km，北東段為長(zhǎng)沙洼凹西緣的邊界斷裂，截切了冷家溪群泥盆—石炭紀(jì)及白堊紀(jì)地層等，擠壓破碎帶沿線(xiàn)可見(jiàn)，在水渡河附近見(jiàn)冷家溪群逆掩在神皇山組之上，斷面傾向南東；在松桂園地段經(jīng)鉆孔揭露該斷層為擠壓破碎帶。

3.物探方法的選擇

本次物探工作的任務(wù)要求為探測(cè)工作范圍內(nèi)基巖面起伏形態(tài)及風(fēng)化層厚度的變化、主要隱伏斷裂構(gòu)造的空間展布特征，構(gòu)造破碎帶寬度、不同巖性接觸帶位置及形態(tài)。

根據(jù)物探任務(wù)要求，結(jié)合測(cè)區(qū)地層的物性參數(shù)物征、地形條件以及測(cè)區(qū)試驗(yàn)效果情況，確定采用電測(cè)深法同地震反射波法相結(jié)合的綜合物探方法作為該項(xiàng)目的物探方法進(jìn)行勘探。

電測(cè)深法：4號(hào)線(xiàn)過(guò)江段沿線(xiàn)場(chǎng)地的限制（全線(xiàn)基本在湘江河水中），故采用A極放置到無(wú)窮遠(yuǎn)處進(jìn)行勘探的三極電測(cè)深方法，施測(cè)時(shí)在同一測(cè)點(diǎn)上逐次擴(kuò)大B極供電極距，使探測(cè)深度逐漸加大，這樣便可以得到觀測(cè)點(diǎn)處沿垂直方向由淺至深的視電阻率變化情況。通過(guò)分析各個(gè)點(diǎn)位的電測(cè)深曲線(xiàn)形態(tài)并進(jìn)行電阻率反演解釋分層，通過(guò)對(duì)單條曲線(xiàn)的分析以及地層各層電阻率的橫、縱向變化情況判斷基巖斷層構(gòu)造、巖溶異常反應(yīng)。

地震反射波法：工程中常用的是淺層地震反射法，它是通過(guò)由激發(fā)點(diǎn)、接收點(diǎn)和射線(xiàn)構(gòu)成的平面內(nèi)的信息反映出相應(yīng)地層信息，具有較高的分辨率，具有勘探深度大、精度高和反演獲取物性參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。按工作環(huán)境可分為陸地、水上地震反射法。陸地布置觀測(cè)時(shí)，為壓制汽車(chē)等振動(dòng)干擾，通常采用單邊激發(fā)多次覆蓋方式，即只在接收檢波電纜的某一邊激發(fā)； 水上地震反射通常采用電火花震源激發(fā)彈性波，利用多道檢波器的漂浮電纜接收地下反射信號(hào)組成自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

根據(jù)長(zhǎng)沙軌道交通4號(hào)線(xiàn)湘江隧道過(guò)江段物探任務(wù)要求，沿4號(hào)線(xiàn)湘江隧道左線(xiàn)、右線(xiàn)共布置三極電測(cè)深測(cè)線(xiàn)2條（左測(cè)線(xiàn)、右測(cè)線(xiàn)）如表1所示，在左線(xiàn)、右線(xiàn)的中間布置地震反射測(cè)線(xiàn)1條（中間測(cè)線(xiàn)）如表2所示。

表1 湘江隧道電測(cè)深工作布置及測(cè)點(diǎn)編號(hào)表

表2 湘江隧道地震反射工作布置及測(cè)點(diǎn)編號(hào)表

4.物探方法原理

電測(cè)深法勘探是以巖土體之間電學(xué)性質(zhì)（電阻率）的差異為基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)和研究與這些差異有關(guān)的電場(chǎng)在空間上的分布特點(diǎn)和變化規(guī)律查明地下地質(zhì)構(gòu)造、巖土體分界面、巖溶發(fā)育情況等地下電性不均勻體（巖溶、風(fēng)化層、斷層、滑坡體等）的一種工程物探方法[2]。

電測(cè)深方法通過(guò)供電電極向地下供入直流電流，建立人工電場(chǎng)，通過(guò)改變供電（A、B極）、測(cè)量（M、N極）裝置的排列、極距大小和相對(duì)位置改變電流在地下的分布情況，在地面測(cè)量電場(chǎng)的變化，由此解釋探測(cè)出地層電阻率深度的變化，達(dá)到測(cè)深的目的。

地震反射法是利用人工在地面或水中激發(fā)的彈性波在彈性介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到物性分界面（波阻抗=ρ×v）差異將發(fā)生反射、繞射和產(chǎn)生頻散的特性[3]，通過(guò)儀器和檢波器接收其反射波信號(hào)，記錄分析各種波的旅行時(shí)間并根據(jù)波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，反演地層的物性參數(shù)，獲取物性分界面位置和埋深，從而達(dá)到工程地質(zhì)勘察的目的[4]。

5.應(yīng)用效果

針對(duì)長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線(xiàn)過(guò)湘江段勘察探測(cè)工作范圍內(nèi)基巖面起伏形態(tài)及風(fēng)化層厚度的變化、主要隱伏斷裂構(gòu)造的空間展布特征，構(gòu)造破碎帶寬度、不同巖性接觸帶位置及形態(tài)，采用多種物探方法查明了該段區(qū)域構(gòu)造特征以及不良地質(zhì)體分布，為施工提供可靠依據(jù)[5]。

5.1 電測(cè)深法成果解釋

從電性上分析地下為3層電性層：表層電阻率20Ω·m～150Ω·m推斷為粘土、砂、卵石土(含水深)；中間層電阻率50Ω·m～80Ω·m推斷為強(qiáng)風(fēng)化礫巖；下層100Ω·m～150Ω·m推斷為中風(fēng)化礫巖及深部的白云巖（ZCK31+975～ZCK32+050、ZCK32+180～ZCK32+380段推斷在60m～65m以下為白云巖）。

5.1.1 左測(cè)線(xiàn)電測(cè)深成果解釋

從等視電阻率斷面圖結(jié)合視電阻率曲線(xiàn)分析看，該段有幾處向下凹型的低電阻率異常：ZCK31+813～+840，ZCK31+927～+975，ZCK32+055～+130，ZCK32+140～+165，ZCK32+415～ +445，ZCK32+580～ +615，ZCK32+655～+670，ZCK32+705～+725其中ZCK31+813～+840、ZCK32+655～+670段內(nèi)的鉆孔揭示沒(méi)有地質(zhì)異常；ZCK31+970處的鉆孔揭示6.3m～45m為礫巖的強(qiáng)風(fēng)化層，比正常強(qiáng)風(fēng)化層6m～32m要厚，CK31+927～+975異常為裂隙發(fā)育、巖性破碎所致；ZCK32+055～+130段低電阻率異常不是很明顯， ZCK32+067～+134鉆探揭示下部為構(gòu)造角礫巖，該段異常為巖性變化所致；ZCK32+140～+165、ZCK32+580～+615、ZCK32+705～+730 3段異常內(nèi)的鉆孔揭示強(qiáng)風(fēng)化層明顯變厚所致，為巖性破碎異常；其他地段無(wú)明顯的異常，如圖2所示。

圖2 左測(cè)線(xiàn)ZCK31+755～ZCK32+775等視電阻率斷面圖

5.1.2 右測(cè)線(xiàn)電測(cè)深成果解釋

從右測(cè)線(xiàn)等視電阻率斷面圖結(jié)合電阻率等曲線(xiàn)分析看，該段有幾處向下凹型的低電阻率異常：YCK31+827～+855、YCK31+943～ +990、YCK32+070～ +140、YCK32+145～ +175、YCK32+285～ +310、YCK32+420～ +450、YCK32+565～ +630、YCK32+670～ +682、YCK32+710～+725，其中CK31+827～+855、YCK32+670～+682異常鉆孔揭示無(wú)明顯的地質(zhì)異常，YCK31+943～+990、YCK32+145～+175、YCK32+285～+310、YCK32+420～+450、YCK32+565～+630、YCK32+710～+725內(nèi)鉆孔揭示，強(qiáng)風(fēng)化層變厚，為裂隙發(fā)育、巖性破碎所致；YCK32+070～+140鉆探揭示下部為構(gòu)造角礫巖，該段異常為巖性變化所致；其他地段無(wú)明顯的地質(zhì)異常，如圖3所示。

圖3 右測(cè)線(xiàn) AK31+700～AK32+715等視電阻率斷面圖

5.2 地震反射法成果解釋

水域部分完成里程為YCK31+950～YCK32+755段，根據(jù)地震反射勘探時(shí)間剖面圖，YCK31+950～YCK32+755段圖中從上往下分為3層：第一層為水、粉砂、圓礫土、卵石,地震縱波速度VP=1.4km/s～2.1km/s；中間層推斷為強(qiáng)風(fēng)化礫巖、砂巖，地震縱波速度VP=2.0km/s～2.5km/s；底層推斷為中風(fēng)化礫巖、砂巖，與弱風(fēng)化礫巖、砂巖難以區(qū)分，地震縱波速度VP=2.5km/s～3.2km/s。

根據(jù)水域基巖面附近地震波場(chǎng)特征并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料、鉆探資料綜合分析該段不良地質(zhì)情況如下：YCK32+040～YCK32+067、YCK32+155～YCK32+185、YCK32+652～YCK32+677 3段范圍內(nèi)及YCK32+732處地震波同相軸連續(xù)性較差，振幅強(qiáng)弱變化，頻率變低，推測(cè)下部巖性破碎，裂隙發(fā)育。YCK32+067～YCK32+134的地震反射異常經(jīng)鉆探揭示下部為構(gòu)造角礫巖，如圖4所示。

圖4 水上地震資料處理剖面成果圖

6.結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線(xiàn)過(guò)湘江段物探任務(wù)，有針對(duì)性地選擇合適的物探方法以及測(cè)線(xiàn)布置方式進(jìn)行綜合勘探。查明了該段區(qū)域構(gòu)造特征以及不良地質(zhì)體分布，為施工提供可靠依據(jù)。

（2）物探探測(cè)出ZCK32+055～+130或YCK32+070～+140段為巖性分界異常（存在斷層的可能），后經(jīng)鉆探驗(yàn)證為構(gòu)造角礫巖，其他地段未發(fā)現(xiàn)明顯的斷層構(gòu)造異常。

（3）物探探測(cè)出區(qū)內(nèi)裂隙或巖性破碎發(fā)育，經(jīng)鉆孔驗(yàn)證的巖性破碎或裂隙發(fā)育，這些裂隙或巖性破碎影響著基巖的風(fēng)化程度，導(dǎo)致巖層完整性及穩(wěn)定性都較差。

（4）經(jīng)鉆探驗(yàn)證分析物探異常為斷層破碎帶，二里半壓性斷裂（F35）次級(jí)隱伏斷裂（F35-1）：根據(jù)資料分析，該隱伏斷裂在本區(qū)間里程ZCK32+028～ZCK32+098間與線(xiàn)路交匯，其中M4Z3-XJ24～XJ28鉆孔內(nèi)揭露角礫巖，埋深大于33m，為隱伏老斷裂，未切穿上覆白堊系地層，白堊紀(jì)以來(lái)無(wú)活動(dòng)。