秦長春,王國順,李婧

(1.陜西地礦第二綜合物探大隊有限公司,陜西 西安 710016;2.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,陜西 西安 710054)

0 引言

隨著城市的發(fā)展、人口的聚集以及市政建設(shè)的快速發(fā)展[1],大量地鐵、隧道的修建以及其他地下空間的開發(fā)利用,形成了越來越多的人工地下空洞[2]。另一方面,由于城市地下管線的錯綜分布,尤其是下水管道的滲漏,往往造成城市淺地表結(jié)構(gòu)軟化,造成路面塌陷,引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害,造成人員傷亡。因此,隨著城市的快速發(fā)展,地鐵隧道的加速施工,對隧道掘進(jìn)前方不良地質(zhì)體探測的需求也越來越迫切。傳統(tǒng)的電磁類方法在高電磁干擾的城鎮(zhèn)環(huán)境中,難以取得良好的探測效果。而傳統(tǒng)的主動源反射地震法僅能采用激發(fā)能量有限的重錘產(chǎn)作為震源,且采集信號極易被城市活動干擾。主動源面波勘探因抗干擾能力強(qiáng)、采集裝置便捷、施工成本低等特點(diǎn),在城市淺地表勘察、工程物探中越來越受人們的青睞。主動源面波勘探中的瑞利波勘探作為一種工程地質(zhì)勘探方法[3-5],在工程地質(zhì)勘查與檢測中得到廣泛的應(yīng)用[6-8],而且可以利用瑞利波的頻散特征[9-10],反演地下地質(zhì)結(jié)構(gòu),獲取層狀介質(zhì)的橫波速度[11-13]。但在城市環(huán)境下,城市的柏油路面或水泥路面造成常規(guī)檢波器的尾錐無法插入地下,給檢波器的放置造成了極大困難。另一方面,堅硬的城市路面給常規(guī)錘擊震源激發(fā)造成了嚴(yán)重問題。錘擊會造成鐵板彈跳,引起二次激發(fā)問題。錘擊能量有限,極易被堅硬路面限制而無法穿透地下,造成檢波器接收不到來自震源產(chǎn)生的面波信號,無法達(dá)到高分辨成像的目的,需尋求與錘擊震源近似的震源子波[14-16]。

本文針對上述問題,分別對檢波器裝置和震源裝置進(jìn)行了低成本改進(jìn),使得城市環(huán)境中的面波采集工作能夠快速、高效地進(jìn)行。最后通過實(shí)際地鐵工程探測試驗(yàn)來驗(yàn)證改進(jìn)后的面波儀器裝置在城市地鐵勘查中的應(yīng)用效果。

1 檢波器裝置的改進(jìn)

如圖1所示,常規(guī)檢波器往往帶有一個8～10 cm的尾錐,在城市環(huán)境中無法插進(jìn)堅硬的路面。工程施工中常見的做法是在每個檢波器位置放置適量的濕土,將檢波器插入濕土中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這樣的做法可以改善數(shù)據(jù)采集質(zhì)量,但費(fèi)時、費(fèi)力,增加了采集成本。

圖1 常規(guī)檢波器Fig.1 Conventional detector

為解決這一問題,在五金維修點(diǎn)訂做了如圖2所示的三角支架,支架高度略高于尾錐長度,支架頂面為一個5cm×5cm的薄鋼板,鋼板中間鉆有小孔,小孔的大小剛好能夠卡住尾錐與檢波器連接處。支架的3個腿呈三角形分布,焊接在鋼板下面,既保證了支架的穩(wěn)定性又保證了檢波器盡可能地與地面耦合。圖3為檢波器放置在支架上的狀態(tài),實(shí)際操作表明檢波器可以很好地卡在支架上,無松動現(xiàn)象。圖4為使用15磅錘擊震源時,檢波器安裝在三角支架上在堅硬路面上采集的面波記錄與檢波器插入路旁泥土中采集的面波記錄對比。由圖4可知,兩種地震數(shù)據(jù)面波均較發(fā)育,同相軸連續(xù),具有較高的信噪比?？梢姴杉b置改進(jìn)后,數(shù)據(jù)質(zhì)量與傳統(tǒng)采集方法相當(dāng),為城市環(huán)境面波數(shù)據(jù)采集提供了有效的數(shù)據(jù)采集方法。

圖2 三角支架Fig.2 Triangular bracket

圖3 安裝了檢波器的三角支架Fig.3 Triangular bracket where the geophone is installed

a—檢波器在三角支架上在堅硬路面的面波記錄;b—檢波器插入泥土中的面波記錄

a—surface waves records on hard pavement when the geophone is on a triangular bracket;b—surface wave records when the geophone is inserted into the soil

圖4 面波記錄對比
Fig.4 Comparison of surface wave records

2 震源裝置的改進(jìn)及優(yōu)點(diǎn)

常規(guī)面波勘探常采用如圖5所示的重錘作為震源,如在堅硬路面上錘擊激發(fā)容易產(chǎn)生二次擊震且激發(fā)能量難以穿透地下,從而導(dǎo)致采集記錄信號弱,噪聲干擾嚴(yán)重,存在二次激發(fā)同相軸等問題,給后續(xù)的資料處理解釋造成極大困難。

圖5 普通重錘Fig.5 Normal heavy hammer

2.1 震源裝置的改進(jìn)

針對錘擊震源激發(fā)能量弱的問題,我們購置了國標(biāo)重型63.5 kg觸探儀,僅利用其63.5 kg的穿心重錘作為震源,如圖6所示。當(dāng)然也可以到五金加工企業(yè)定制重錘,但其制作成本并不比直接購置整套觸探儀花費(fèi)低。

圖6 穿心重錘Fig.6 Perforated heavy hammer

重錘問題解決后,還面臨野外施工起重的問題,我們又購置了消防應(yīng)急救援三腳架,如圖7所示,該三腳架配備手動絞盤,可將重錘輕松升起。為解決重錘用三腳架升起后自由下落的問題,我們又購置了100 kg永磁起重器,如圖8所示,該設(shè)備配有吊環(huán)和磁力切換手柄。配合三腳架絞盤,可將觸探儀重錘輕松升起,再通過磁力切換手柄,使重錘脫磁,實(shí)現(xiàn)自由下落。

圖7 應(yīng)急救援三腳架Fig.7 Emergency rescue tripod

圖8 永磁起重機(jī)Fig.8 Permanent magnet crane

經(jīng)3種設(shè)備優(yōu)化組合后即構(gòu)成了我們優(yōu)化改進(jìn)后的震源裝置,如圖9所示,該裝置可實(shí)現(xiàn)手動絞盤起升,手動脫磁下落,野外操作簡便、省力、快捷。

圖9 優(yōu)化改進(jìn)后的震源裝置系統(tǒng)Fig.9 Optimized and improved source device system

圖10為利用15磅錘擊震源和利用優(yōu)化改進(jìn)后的震源裝置系統(tǒng)在同一測點(diǎn)水泥路面上采集的面波記錄對比:采用15磅錘擊震源時,地面不僅要墊厚層土壤,還需放置鐵板,且采集的面波記錄能量較低,信噪比差,易存在二次擊震問題;利用改進(jìn)后震源采集時,只需在地面墊適量的土壤,無需其他工序,且面波記錄能量顯著增強(qiáng),信噪比顯著提高,說明改進(jìn)后的采集裝置在城市環(huán)境中與常規(guī)采集裝置相比具有突出的優(yōu)勢。

a—利用15磅錘擊震源的面波記錄;b—利用改進(jìn)后震源的面波記錄

圖11為利用15磅錘擊震源,檢波器在泥土中采集的面波記錄(圖11a)、在水泥路面上采集的面波記錄(圖11b),和利用優(yōu)化改進(jìn)后的震源裝置系統(tǒng)在水泥路面上采集的面波記錄(圖11c)對比。由圖11可見,利用15磅錘擊震源采集的兩種地震數(shù)據(jù)面波均較發(fā)育,同相軸連續(xù),具有較高的信噪比,但和利用優(yōu)化改進(jìn)后的震源裝置系統(tǒng)采集的地震數(shù)據(jù)相比,采集的面波記錄能量較低,信噪比較低,且施工過程中易存在二次擊震問題;改進(jìn)震源后,面波記錄能量顯著增強(qiáng),信噪比顯著提高,不存在二次擊震,說明改進(jìn)后的采集裝置優(yōu)勢突出。

a—泥土中的面波記錄;b—水泥路面上的面波記錄;c—水泥路面上改進(jìn)后震源的面波記錄

2.2 裝置改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

綜上所述,裝置改進(jìn)有如下優(yōu)點(diǎn):

1)裝置改進(jìn)的費(fèi)用低。加工每一個三腳支架需10 元,48個三腳支架共需480 元。國標(biāo)重型63.5 kg觸探儀購置價格800 元。消防應(yīng)急救援三腳架購置價格在600 元。永磁起重器購置價格在200 元。儀器裝置的改進(jìn)共花費(fèi)2 080 元。

2)省時省力。測量50個點(diǎn)的單條剖面在裝置未改進(jìn)之前需要花費(fèi)3～4 h,且使用重錘敲擊特別消耗施工人員體力;改進(jìn)后測量只需要2 h,且節(jié)省施工人員體力,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化震源。

3)信號強(qiáng)度大。由15磅左右的重錘更換為重量為60 kg,落錘后震動幅度大、面波信號強(qiáng),檢波器采集到的有用信號隨之增加,有利于采集信噪比更高的信息。

3 主動源面波儀器裝置改進(jìn)后在城市地鐵勘查中的應(yīng)用

將本文改進(jìn)后的數(shù)據(jù)采集裝置應(yīng)用于西安地鐵勘查,因裝置改進(jìn)后檢波器可接收到信號更強(qiáng)、信噪比更高的數(shù)據(jù),大大提高了數(shù)據(jù)的精度,更有利于資料的解釋。在西安地鐵10號線施工勘查過程中發(fā)揮了重要作用。

3.1 地層概況

勘查區(qū)深度60.0 m范圍內(nèi)的地層主要由第四系全新統(tǒng)人工填土;上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土、殘積古土壤,中更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土、砂類土組成。共劃分為9個工程地質(zhì)層,地層描述見表1。

表1 勘查區(qū)地層綜合描述Table 1 Stratigraphic comprehensive description of the exploration area

3.2 面波觀測系統(tǒng)

在研究已有工作資料和現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上,確定了面波方法的可行性,即地下各巖層存在剪切波速度差異。在實(shí)際工作前,認(rèn)真地做了多參數(shù)現(xiàn)場試驗(yàn),確定最佳的工作參數(shù),得到了較好的實(shí)驗(yàn)記錄。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的采集參數(shù),展開實(shí)際工作,在每個測點(diǎn)根據(jù)實(shí)際情況采集了2炮記錄,保證數(shù)據(jù)充足,質(zhì)量過關(guān)。

本文涉及項(xiàng)目使用時的儀器設(shè)備主要有Geopenminiseis48A工程地震儀,24道接收線2根,4.5 Hz垂直檢波器48個,檢波器三角支架48個,炮線1根,優(yōu)化組合震源1套,外觸發(fā)線1根。數(shù)據(jù)采集時,落錘下方墊有濕土,接收道距0.5 m,偏移距4 m,24道接收,激發(fā)點(diǎn)距2 m。

面波勘查測線布置如圖12所示,Line1測線長度15 m,采集了31個測點(diǎn)的數(shù)據(jù),每個測點(diǎn)2炮;Line2測線長度3 m,采集了7個測點(diǎn)的數(shù)據(jù),每個測點(diǎn)2炮。

圖12 測線布置方位示意Fig.12 Schematic diagram of the orientation of the survey line layout

圖13為每條測線上其中一點(diǎn)的面波記錄和對應(yīng)的頻散曲線,由圖可見,利用改進(jìn)后的震源系統(tǒng)采集的面波記錄能量強(qiáng)、信噪比高,頻散曲線收斂性好。

a—1線2測點(diǎn)的面波記錄;b—1線2測點(diǎn)的頻散曲線;c—2線2測點(diǎn)的面波記錄;d—2線2測點(diǎn)的頻散曲線

3.3 剖面推斷及解釋

1)Line1推斷及解釋

將采集的1線面波數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,反演結(jié)果如圖14所示,測線為SN走向,樁號從1 011(南端起始點(diǎn))～1 131(北端終止點(diǎn)),兩個樁號之間間距為0.5 m。由剖面反演圖可見,在地表以下0～5 m是一高速層,根據(jù)前期巖土工程勘查結(jié)果顯示該層為人工填土層,其中樁號1 075～1 087下方出現(xiàn)明顯高速異常,推斷為施工壓實(shí)緊壓結(jié)果;在地表以下5～10 m范圍內(nèi)為一個低速層—①異常區(qū),根據(jù)前期巖土工程勘查結(jié)果可知,該層主要由濕陷性黃土組成,濕陷性黃土具自重濕陷性,自穩(wěn)性一般,遇水易軟化,浸水后對坑壁穩(wěn)定不利;在地表以下10～22 m間斷出現(xiàn)3個低速異常區(qū)②③④,與原狀地層不一致,故在此深度圈定3個低速異常區(qū),②異常區(qū)位于南端起點(diǎn)北向6 m左右,區(qū)塊大小(橫向×縱向)約6 m×5 m,結(jié)合異常區(qū)周邊速度分析,推斷該區(qū)為滲水區(qū)。③異常區(qū)位于②異常區(qū)北向8 m左右,異常區(qū)大小約15 m×8 m,該異常上方低速層出現(xiàn)局部下沉現(xiàn)象。④異常區(qū)位于終點(diǎn)附近,區(qū)塊大小約15 m×10 m,上方低速層偶見速度不連續(xù)現(xiàn)象。③④異常區(qū)在水平方向上表現(xiàn)為不連續(xù),因新黃土具自重濕陷性,自穩(wěn)性一般,遇水易軟化,推測③④低速異常區(qū)為含水區(qū)。

圖14 Line1面波頻散曲線反演二維橫波速度—深度剖面Fig.14 1 Line surface wave dispersion curve inverts two-dimensional shear wave velocity-depth profile

2)Line2推斷及解釋

將采集的2線面波數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,反演結(jié)果如圖15所示,測線為EW走向,樁號從1 011(西端起始點(diǎn))～1 035(東端終止點(diǎn)),兩個樁號之間間距為0.5 m。由剖面反演圖可見,在地表以下0～5 m是一個高速層,根據(jù)前期巖土工程勘查結(jié)果顯示該層為人工填土層;在地表以下5～10 m范圍內(nèi)為一個低速層—①異常區(qū),根據(jù)前期巖土工程勘查結(jié)果可知,該層主要由濕陷性黃土組成,濕陷性黃土具自重濕陷性,自穩(wěn)性一般,遇水易軟化,浸水后對坑壁穩(wěn)定不利;在地表以下12～22 m存在一個低速異常區(qū)②,該異常位于西端起點(diǎn)東向5 m左右,區(qū)塊大小4 m×9 m,異常上方低速層出現(xiàn)局部下沉現(xiàn)象。因新黃土具自重濕陷性,自穩(wěn)性一般,遇水易軟化,推測低速異常區(qū)域②為含水區(qū)。

圖15 Line2面波頻散曲線反演二維橫波速度—深度剖面Fig.15 2 Line surface wave dispersion curve inverts two-dimensional shear wave velocity-depth profile

3)綜合分析

測線布設(shè)上,本次任務(wù)布設(shè)的1線第17測點(diǎn)和2線第4測點(diǎn)重合,1線③異常區(qū)與2線②異常區(qū)垂直交叉,探測結(jié)果基本一致。經(jīng)綜合分析,推斷此區(qū)域?yàn)楹畢^(qū)。區(qū)域大小:南北寬15 m,東西寬4 m,垂向深度9 m(地表以下12～21 m)。

3.4 工程驗(yàn)證

為保障地鐵施工安全,對1線、2線的低速異常區(qū)分別進(jìn)行了處理,其中1、2線重合點(diǎn)附近的鉆孔結(jié)果顯示垂向12.2～20.8 m處為含水區(qū),對該區(qū)域進(jìn)行注漿,注入的水泥方量與所推測的含水區(qū)體積大小基本一致。

4 結(jié)論

本文中改進(jìn)的采集裝置成本低廉,工作省力、方便、快捷。實(shí)際工作表明,使用該裝置采集的面波信號能量強(qiáng)、信噪比高、數(shù)據(jù)質(zhì)量好,反演成像效果佳。鉆探、注漿等工程驗(yàn)證處理結(jié)果揭示的地質(zhì)缺陷與推斷地下不良病害體基本一致,解釋推斷準(zhǔn)確可靠。綜上所述,改進(jìn)后的采集裝置在城市主動源面波勘探中,具有良好的推廣價值和借鑒意義。