劉大祥

（上海市地質(zhì)勘查技術(shù)研究院，上海 200072）

1 引言

工程勘察是建筑工程建設(shè)前期必不可缺的一個重要工作環(huán)節(jié)，而地下障礙物探測則是工程勘察任務(wù)中的一項重要組成部分[1-2]。在大面積鉆探前期，如何準(zhǔn)確快速定位地下障礙物的位置及深度，為項目設(shè)計及施工安全提供可靠的基礎(chǔ)依據(jù)資料，則成了一個重要的難題。瞬態(tài)面波法作為近年來發(fā)展較快、應(yīng)用較廣的一種淺層物探方法[3-7]，利用其散射特征和頻散效應(yīng)可以確定地下障礙物的平面位置和深度范圍[8]。本文結(jié)合場地工程勘察實例進行瞬態(tài)面波法在地下障礙物探測中的適用性研究。

2 瞬態(tài)面波法原理及工作參數(shù)

2.1 原理

瞬態(tài)面波法勘探是利用瞬態(tài)沖擊力作震源激發(fā)面波，地表在脈沖荷載作用下，產(chǎn)生波動（圖1）。在離震源一定距離處，布置傳感器來記錄面波的垂直分量。對紀(jì)錄的面波信號作頻譜分析和處理，計算并繪制VR-λ頻散曲線，根據(jù)頻散曲線特征分析解決地質(zhì)問題。

瞬態(tài)瑞雷面波法勘探在采集各頻段瑞雷波垂向分量的基礎(chǔ)上，通過波形可以判斷異常體的位置，經(jīng)數(shù)據(jù)處理可得到地下各層介質(zhì)的瑞雷波速度和對應(yīng)的頻率，通過頻率--深度的轉(zhuǎn)換就得到了地層的瑞雷波速度剖面，而瑞雷面波速度與橫波速度比較接近，其實也就獲得了地層橫波速度剖面[9-11]。如地下介質(zhì)有疏松脫空等現(xiàn)象存在，它們的橫波速度相對正常土層會表現(xiàn)出明顯的差別，在橫波速度剖面圖上就會出現(xiàn)局部的速度異常區(qū)域，由此通過速度剖面中的異常判斷地下異常區(qū)域。

2.2 探測儀器及參數(shù)選擇

實際工作采用美國Geode 智能數(shù)字地震儀和4.5Hz檢波器，震源為落球。選擇24 道展開排列，道距0.5m，偏移距4m 的采集觀測系統(tǒng)。采樣間隔：0.125ms；記錄長度：1000ms。面波法野外探測布置示意見圖2。數(shù)據(jù)處理采用Geogiga9.3 版本的面波處理系統(tǒng)，對面波信號進行編輯、頻譜分析、速度拾取、頻散曲線分析、反演等數(shù)據(jù)處理，通過面波剖面波形形態(tài)變化及速度曲線變化來確定地下障礙物情況。

圖2 瞬態(tài)面波法野外測試方法示意圖

3 實際案例應(yīng)用與分析

上海市長寧區(qū)某地塊準(zhǔn)備新建一高壓電站，因場地東側(cè)臨近地鐵線路，為維護地鐵線路結(jié)構(gòu)安全，需在場地內(nèi)部臨地鐵一側(cè)設(shè)計六根20m 長鉆孔灌注樁。因地塊內(nèi)部東南側(cè)疑似下穿一根直徑Ф1800mm 雨水管道，具體平面位置及深度不詳，為確保鉆孔灌注樁設(shè)計位置避開此段污水管道，需查明其具體情況。場地周圍整體地形為南高北低。圍繞地塊東南側(cè)布置L1～L4 四條地震測線，炮點設(shè)于測線東側(cè)，如圖3 所示。

四條測線瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)處理后單炮記錄剖面及頻散曲線如圖4～11 所示。

圖4 L1 測線單炮記錄剖面圖

如圖4 瞬態(tài)面波波形剖面圖所示，L1 測線水平位置第10 道左右，存在明顯的繞射波弧形異常，反映了此處雨水管道的存在。圖5 為L1 測線瞬態(tài)面波頻散曲線圖，從中可見，埋深約5.0m 處存在 “之”字形回折[12]，波速由450m/s 降為130m/s，這顯然是由在該深度雨水管道與周圍介質(zhì)存在的波速差異所致，反映了此處雨水管道頂部埋深約5.0m。

圖5 L1 測線頻散曲線圖

如圖6 瞬態(tài)面波波形剖面圖所示，L2 測線水平位置第14 道左右，存在明顯的面波反射異常，反映了此處可能為雨水管壁。圖7為L2測線瞬態(tài)面波頻散曲線圖，從中可見，埋深約3.0m 處存在 “之”字形回折，波速由350m/s 降為140m/s，這同樣是由在該深度雨水管道與周圍介質(zhì)存在的波速差異所致，反映了此處雨水管道埋深約3.0m。

圖6 L2 測線單炮記錄剖面圖

圖7 L2 測線頻散曲線圖

如圖8 瞬面波波形剖面圖所示，L3 測線水平位置第1 道及第17 道左右，存在明顯的面波反射異常反映了此處可能為雨水管壁兩側(cè)。圖9 為L3 測線瞬態(tài)面波頻散曲線圖，從中可見，埋深約3.2m 處存在 “之”字形回折，波速由150m/s 降為100m/s，這同樣是由在該深度雨水管道與周圍介質(zhì)存在的波速差異所致，反映了此處雨水管道埋深約3.2m。

圖9 L3 測線頻散曲線圖

如圖10 瞬態(tài)面波波形剖面圖所示，L4 測線水平位置第16 道左右，存在明顯的繞射波弧形異常，反映了此處雨水管道的存在。圖11 為L4 測線瞬態(tài)面波頻散曲線圖，從中可見，埋深約3.4m 處存在 “之”字形回折，波速由220m/s 降為100m/s，這同樣是由在該深度雨水管道與周圍介質(zhì)存在的波速差異所致，反映了此處雨水管道頂部埋深約3.4m。

圖10 L4 測線單炮記錄剖面圖

圖11 L4 測線頻散曲線圖

綜合上述瞬態(tài)面波法探測結(jié)果分析，結(jié)合異常點所在位置，推測此Ф1800mm 雨水管道位置如圖12 所示。

圖12 瞬態(tài)面波法結(jié)果及雨水管道推測位置示意圖

為證明瞬態(tài)面波法探測結(jié)果的可靠性，及對此物探結(jié)果的進一步分析，針對雨水管道推測位置進行了鉆孔驗證，共計作業(yè)8 孔次，結(jié)果如圖13 所示。

圖13 鉆孔位置及成果示意圖

ZK1、ZK2、ZK3：鉆探深度4.1m，未見雨水管道；ZK4：鉆探深度3.1m，見雨水管道；ZK5：鉆探深度3.0m，見雨水管道；ZK6：鉆探深度2.8m，見雨水管道；ZK7：鉆探深度3.0m，見雨水管道；ZK8：鉆探深度6.0m，未見雨水管道。

鉆孔驗證結(jié)果顯示：瞬態(tài)面波法結(jié)果推測雨水管道邊界內(nèi)的ZK4、ZK5、ZK6、ZK7 孔都探到了此雨水管道本身，且埋深基本位于3.0m 左右；推測邊界外的ZK1、ZK2、ZK3、ZK8 孔則未探到此雨水管道，且鉆孔深度基本達到4m 以上。兩種方法探測結(jié)果較為一致。

4 結(jié)論

（1）由于雨水管道的存在，面波在傳播過程中遇到不同波阻抗界面時，在界面上產(chǎn)生波的反射，在波形圖中存在明顯的面波的反射波異常，以及會在管道頂部位置產(chǎn)生明顯的繞射波異常。

（2）通過分析面波的剖面形態(tài)，可快速定位目標(biāo)體的平面位置；分析其頻散曲線，可快速確定目標(biāo)體的深度范圍。此工程中，雨水管道整體下穿于地塊的東南側(cè)，走向為SW-NE；西南側(cè)地形相對較高，管道地面深度為5.0m，東北側(cè)地形相對較低，管道地面深度為3.0m。

（3）瞬態(tài)面波法具有簡單、快捷、應(yīng)用性廣、抗干擾強等優(yōu)點，可快速判斷出障礙物的位置及深度范圍。此物探工程中瞬態(tài)面波法結(jié)果推測的雨水管道位置及深度與鉆孔驗證結(jié)果保持了高度的一致性，為后續(xù)工程的安全設(shè)計及施工提供了有效的基礎(chǔ)資料保障，同時也更加說明了瞬態(tài)面波法在工程勘察中的重要作用及具備高度的可靠性。