王小安

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院陜西鐵道工程勘察有限公司， 陜西 西安 710000)

0 引言

在我國(guó)的城軌交通建設(shè)中，地鐵的施工方式主要采用成本低廉、效率高的盾構(gòu)法(周陽(yáng)宗，2016)。該方法會(huì)導(dǎo)致局部地層或地質(zhì)結(jié)構(gòu)的損壞，易造成巖土層及地下水的運(yùn)移變化。采用該施工方式的城軌在國(guó)內(nèi)已經(jīng)發(fā)生了多起地面塌陷事故(周杰等，2018)，形成了土洞塌陷地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了威脅，并造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。造成地面塌陷的誘發(fā)因素較多，主要是不良的地層條件和不良地質(zhì)體(周明科等，2019)。在城軌交通中另一大地質(zhì)災(zāi)害就是地下孤石(袁穎等，2019)，其構(gòu)成是花崗巖風(fēng)化球(牛海威等，2017)。由于硬度較大，其主要風(fēng)險(xiǎn)在于損壞盾構(gòu)機(jī)的刀具和刀盤，對(duì)施工造成極大的影響。對(duì)于地下空洞的主要診斷探測(cè)技術(shù)依賴于高密度電阻率法、瞬變電磁法等(朱向陽(yáng)等，2021)。而對(duì)于孤石的探測(cè)方法則包括電阻率跨孔CT法、地震波跨孔CT法以及探地雷達(dá)法等(董耀等，2019)。通過(guò)開展多地球物理場(chǎng)的診斷技術(shù)對(duì)城軌交通的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行分析，可以有效地探查地質(zhì)隱患，指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1 多地球物理場(chǎng)探測(cè)基本理論

1.1 關(guān)鍵信號(hào)技術(shù)特征

利用地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征對(duì)地質(zhì)的界面位置和特性進(jìn)行探查，形成了地面地震波探測(cè)技術(shù)。根據(jù)地震波的發(fā)射偏移成像原理(李啟航等，2020)，通過(guò)觀測(cè)系統(tǒng)的多次激發(fā)，得到地質(zhì)的地震波剖面。本文選取的觀測(cè)系統(tǒng)采用的是共中心點(diǎn)激發(fā)雙邊排列系統(tǒng)(圖1)(周陽(yáng)宗，2016)。P1、P2為反射點(diǎn)。采用一定規(guī)則的移動(dòng)步距，選取多道順移前進(jìn)，在測(cè)線范圍內(nèi)進(jìn)行多次掃描疊加，相當(dāng)于在同一個(gè)反射點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)。依據(jù)反射偏移成像勘探原理，采用偏移成像技術(shù)，通過(guò)多次激發(fā)，得到地震剖面，在給定速度等參數(shù)后將地震時(shí)間剖面轉(zhuǎn)換成空間剖面，可達(dá)到壓制干擾波、增強(qiáng)有效波的效果。系統(tǒng)工作時(shí)是一對(duì)電極依次朝大地供電，而其他所有電極同步開展電位測(cè)量，能同時(shí)采集地下自然電場(chǎng)信號(hào)、一次場(chǎng)信號(hào)和二次場(chǎng)信號(hào)，采集數(shù)據(jù)效率比傳統(tǒng)高密度電法顯著提高(張新，2020)。為了高效地穿透高阻覆蓋層，可以采用地面瞬變電磁法(黃毓銘等，2017)，該方法是以不接地回線發(fā)射脈沖電磁場(chǎng)，讓電磁場(chǎng)感應(yīng)的地下渦流生成空間分布信息(俞仁泉等，2019)。

1.2 快速診斷模式的技術(shù)特征

在地質(zhì)的快速診斷技術(shù)中，地震波跨孔CT探測(cè)技術(shù)和電阻率跨孔CT探測(cè)技術(shù)是應(yīng)用十分廣泛的無(wú)損探測(cè)技術(shù)(吳斌等，2019)。

地震波跨孔CT探測(cè)技術(shù)的核心是采用向目標(biāo)物發(fā)射信號(hào)穿過(guò)物體后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收(高宇豪和蔡永豐，2020)。穿過(guò)物體的信號(hào)已經(jīng)攜帶了物體頻率、電阻率等信息(吳鋒波等，2013)，用以刻畫目標(biāo)物的地震波傳播參數(shù)，主要包含垂向分辨率、水平分辨率和廣義空間分辨率(施有志等，2017)。垂向分辨率可以表征地震剖面上的最小地層厚度，而水平分辨率則表示水平疊加面上的相鄰地質(zhì)體的最小寬度。地震波跨孔CT設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。

電阻率跨孔CT探測(cè)技術(shù)是對(duì)目標(biāo)物體內(nèi)或表面的電流和電壓進(jìn)行離散式的測(cè)量，從而得到電阻率的方法(丁賀權(quán)，2021)。其通常在野外現(xiàn)場(chǎng)采用地面鉆孔將電法測(cè)線從鉆孔口連接到鉆孔底部，獲取到的鉆孔間電性分布情況對(duì)空間的三位電阻率進(jìn)行推演，得到立體的電性分布圖，在實(shí)際地質(zhì)解釋判斷過(guò)程中需充分了解現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料，再根據(jù)電法探測(cè)結(jié)果進(jìn)行異常體的解釋。電阻率跨孔CT探測(cè)技術(shù)的高采集效率和低廉的施工成本在工程探測(cè)中受到廣泛應(yīng)用。電阻率跨孔CT技術(shù)獲得的結(jié)果十分依賴于相對(duì)圍巖背景的電阻率差異(雷凱和鄭江波，2017)，為了提高勘探靈敏度，可以使用并行電法跨孔CT探測(cè)技術(shù)，并行電法CT探測(cè)的側(cè)向投影示意圖如圖3所示。

在快速診斷技術(shù)中，以地面觀測(cè)系統(tǒng)和跨孔觀測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合的方式進(jìn)行。利用淺層地震、瞬變電磁等多地球物理場(chǎng)技術(shù)進(jìn)行粗略勘察(唐睿等，2021)，然后輔以跨孔CT技術(shù)對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行精細(xì)勘察，同步地面與隧道內(nèi)的數(shù)據(jù)最終形成多地球物理場(chǎng)的隱患診斷分析系統(tǒng)。該專業(yè)分析系統(tǒng)的組成如圖4所示。

2 彈性波數(shù)值模擬理論

對(duì)于各向同性介質(zhì)的三維彈性波方程如公式(1)和公式(2)所示(謝波等，2016)，用以表征速度v與應(yīng)力τ的雙曲線方程。

(1)

(2)

式中，vx，vy，vz分別是三個(gè)方向的速度分量，ρ表示密度；t表示時(shí)間；τxx，τyy，τzz，τxy，τyz，τxz表示各個(gè)方向的應(yīng)力分量；λ和μ表示拉梅系數(shù)。

3 多地球物理場(chǎng)診斷技術(shù)應(yīng)用

3.1 地下孤石、溶洞隱患探測(cè)概況

本文研究地點(diǎn)為廈門高崎站，由于廈門地質(zhì)條件特殊，其軌道交通1號(hào)線一期工程高崎站—集美學(xué)村站，該盾構(gòu)區(qū)間存在較多的孤石和基巖突起，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)造成了較大的困難。因此必須查清孤石的分布情況，在盡可能收集地鐵沿線既有地質(zhì)資料的情況下，采用物探與鉆探相結(jié)合的方法進(jìn)行地鐵沿線的孤石探測(cè)，分析研究孤石發(fā)育規(guī)律。在廈門地鐵高崎站附近，先采用地面淺層地震掃描法和多通道瞬變電磁快速掃描法進(jìn)行探測(cè)區(qū)域的普通調(diào)查工作，再針對(duì)重點(diǎn)異常區(qū)進(jìn)行跨孔電法CT和跨孔地震CT探測(cè)。在已知孤石區(qū)域開展地面淺層地震快速掃描孤石探測(cè)，地面以鉆孔附近己知孤石區(qū)域?yàn)樘綔y(cè)區(qū)間，并加以應(yīng)用勘探技術(shù)。該1號(hào)線城軌的探測(cè)區(qū)域?yàn)榭扇軒r分布區(qū)，巖土種類相對(duì)復(fù)雜。通過(guò)鉆孔的勘察顯示，部分相鄰鉆孔基巖面相對(duì)高差>5 m，且有串珠狀的溶洞。由于地下溶洞一般都分布于灰?guī)r地層中，往往伴有泥漿等雜質(zhì)(趙家福，2020)，且具有較為明顯的阻抗區(qū)別，導(dǎo)致其內(nèi)部地震波的傳播速度降低，伴隨著頻率和能量也會(huì)相對(duì)地發(fā)生變化。根據(jù)其表現(xiàn)出的低速、低電阻率的特征，可采用地面并行電法進(jìn)行粗略勘察，對(duì)于異常區(qū)域再采用電阻率跨孔CT技術(shù)，可獲得綜合的多地球物理場(chǎng)參數(shù)。

3.2 地面多地球物理場(chǎng)快速普查

采用直流電法確定巖溶的位置和分布范圍，利用并行電法布置測(cè)線，設(shè)置勘探參數(shù)如下：電極間距為4 m，供電電壓為96 V，采樣時(shí)間間隔為20 ms。鉆孔剖面圖如圖5所示。高密度直流電阻率法探測(cè)結(jié)果表明在處于13～20 m的位置顯示低阻異常響應(yīng)，視電阻率值在50 Ω·m之下，該地段區(qū)域內(nèi)巖溶較發(fā)育。

3.3 多地球物理場(chǎng)跨孔CT探測(cè)

由于地面探測(cè)會(huì)受到多種因素的干擾，孔內(nèi)勘察具備較好的精度，作為主要精細(xì)勘探手段，采用彈性波跨孔CT和電阻率跨孔CT相結(jié)合的探測(cè)技術(shù)對(duì)城軌線路上的巖溶進(jìn)行全面的精細(xì)勘察。

彈性波跨孔CT現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)孔的布置示意圖如圖6所示。采用電火花震源設(shè)備作為激發(fā)震源(陳秀清等，2019)。試驗(yàn)采用一次激發(fā)64道同時(shí)接收，炮間距設(shè)置為1 m，采樣頻率設(shè)置為50 kHz。采樣長(zhǎng)度為4K，電火花震源能量為5 kV。采用單孔激發(fā)單孔接收的觀測(cè)系統(tǒng)。

電阻率跨孔CT試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置探測(cè)示意圖如圖7所示，采集方法為并行電法(AM)，供電電壓為96 V，利用并行電法采集方法，選擇20～200 ms的采樣時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)。

電磁波跨孔CT試驗(yàn)使用的儀器為JW6Q電磁波CT儀。電磁波CT試驗(yàn)主要用以確定工作頻率和下天線長(zhǎng)度。在下天線選擇方面，實(shí)際探測(cè)中由于天線會(huì)存在天線效應(yīng)(喻佑順，2019)，對(duì)探測(cè)結(jié)果造成一定程度的影響，所以在下天線選擇方面要進(jìn)行試驗(yàn)，選取長(zhǎng)度最合適的下天線。其不同頻率的電磁波信號(hào)在地層中的吸收系數(shù)不同，會(huì)直接影響采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量。高頻率天線分辨率高，但信號(hào)被嚴(yán)重吸收；低頻率天線穿透性強(qiáng)，但分辨率低。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，選擇工作頻率為24 MHz、28 MHz、32 MHz，下天線的長(zhǎng)度選擇為1 m。其跨孔CT現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)工作示意圖如圖8所示。

綜合上述的跨孔CT探測(cè)技術(shù)，對(duì)同一剖面同時(shí)采用三種探測(cè)方法對(duì)地下溶洞進(jìn)行勘探，獲得不同的地球物理參數(shù)。歸納不同物理探測(cè)結(jié)果并進(jìn)行解釋，進(jìn)一步提高精度。在該剖面靠近鉆孔處，標(biāo)高為-23～-27 m處存在低阻異常區(qū)，視電阻率值低于100 Ω·m，可以推測(cè)為巖溶發(fā)育區(qū)，而在標(biāo)高為-15.72 m的位置由于存在低速異常區(qū)，其速度在3000 m/s之下，可以推測(cè)為小溶洞。有2處高視吸收異常區(qū)域分布在標(biāo)高-15 m左右和標(biāo)高-23～-27 m的位置，其吸收系數(shù)在6 dB/m之上，推測(cè)為裂隙發(fā)育區(qū)軟弱層。

通過(guò)對(duì)比結(jié)果分析，地下溶洞剖面的三種跨孔CT方法結(jié)果顯示基本一致，尤其對(duì)于較淺底部的基巖面異常區(qū)和剖面下部的異常區(qū)深度位置獲得的結(jié)果基本相同。

4 結(jié)論與展望

本文通過(guò)分析在城軌交通建設(shè)中常見(jiàn)的地面塌陷和孤石等地質(zhì)隱患問(wèn)題，利用彈性波數(shù)值模擬理論，實(shí)現(xiàn)快速診斷模式。本文開發(fā)出了一套適合軌道交通沿線地質(zhì)隱患探查的快速、可靠、智能的多地球物理場(chǎng)診斷分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)的診斷方法通過(guò)對(duì)土洞塌陷的地震波跨孔CT和電阻率跨孔CT進(jìn)行三維數(shù)值模擬，極大地提高施工現(xiàn)場(chǎng)的工作效率。利用地面淺層地震快速掃描系統(tǒng)和跨孔CT多地球物理場(chǎng)勘探診斷技術(shù)，在廈門高崎站的城軌交通線路上進(jìn)行應(yīng)用，在提高勘探準(zhǔn)確度的同時(shí)，也會(huì)降低施工成本造價(jià)。通過(guò)工程模擬實(shí)踐，采納該快速診斷系統(tǒng)，可以大大減少施工鉆孔的數(shù)量，從而達(dá)到縮短施工周期的目的，有利于正確地指導(dǎo)工程實(shí)踐。在未來(lái)的研究中，可以采用對(duì)多地球物理場(chǎng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)城軌交通運(yùn)營(yíng)中隧道滲漏等地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警作用，并應(yīng)用于煤礦采空區(qū)的探測(cè)、庫(kù)(壩)區(qū)及電廠的選址等存在地質(zhì)隱患的診斷。