综合物探方法在徐州市城市轨道交通6号线断裂和溶洞探测中的应用.pdf

SEISMOLOGICAL AND GEOMAGNETICOBSERVATION AND RESEARCH第 44 卷 第 2 期2023 年 4 月Vol.44 No.2Apr.2023地 震 地 磁 观 测 与 研 究doi:10.3969/j.issn.1003-3246.2023.02.022第一作者简介：赵远程（1992），男，工程师，硕士，主要从事工程地球物理勘察工作。E-mail：zycbeijing_本文收到日期：2023-02-20综合物探方法在徐州市城市轨道交通 6号线断裂和溶洞探测中的应用赵远程（中国北京 102600 中铁第五勘察设计院集团有限公司）摘要 徐州市城市轨道交通 6 号线设计路线穿过徐州市区，沿线车流量较大、地下管线复杂，且存在断裂和多处溶洞。为查明研究区 060 m 深度范围内断裂、溶洞的发育特征，结合城区工作环境，沿线路中线布设测线，采用瞬变电磁法和地质雷达法进行综合探测。对于等值反磁通瞬变电磁法，在探测前进行抗电性干扰能力和反演参数试验。对瞬变电磁实测数据进行精细化处理，反演结果表明：在剖面西侧 260540 m 区段存在断裂 F1，倾角约 60，宽度约 280 m，断裂带内岩体破碎，岩溶发育；在剖面东侧 1 0601 210 m区段呈低阻异常，显示为邵楼断裂（F60），倾向 SE，倾角 7075，为一压扭性同生正断层；断裂 F1为邵楼断裂（F60）的次生断裂。探地雷达结果表明，在反演剖面 280340 m 区段 1216 m 深度和 410510 m 区段 1117 m 深度处有岩溶发育。对瞬变电磁探测的岩溶异常进行钻孔验证，结果表明物探推断的异常可靠，异常深度与钻孔结果略有差异。关键词 地铁勘察；瞬变电磁；地质雷达；断裂；岩溶0 引言随着城市化进程的加速，城市轨道交通快速发展。地铁采用电力牵引，以其修建速度快、运量大等特点，成为未来城市交通建设的主要方向之一。徐州市为加强区域经济发展，改善交通环境，计划修建轨道交通 6 号线一期工程，线路全长约 22.72 km。在工程建设前需要对线路进行地质勘察，物探探测属于地质勘察中必要的方法手段。地球物理勘探的理论基础是，利用目标体与周边介质的物理性质差异，选择合适的地球物理方法和相对应的仪器设备，通过对观测物理场的分析研究，探查地质界线、地质构造及其他目标（李学军，2009）。通常城市地球物理勘察方法有高密度电法、地质雷达法、微动法、瞬变电磁法、横波地震反射法等（黄毓铭等，2017；蔡勤波等，2021；李士永，2021；吴建伟等，2022；余涛等，2022）。相对普通工程勘察，地铁勘察具有勘察精度要求高、场地局限性大的特点。对于徐州市城市轨道交通6号线一期工程，因工区位于市区，人文条件复杂，机械振动、过往车辆较多，干扰严重，不适合采用地震波法进行勘察，且勘察路段多为硬化路面，普通直流电法难以实施。等值反磁通瞬变电磁法具有灵敏度高、分辨率强、探测深度大、灵活多变适应性强以及轻便快速等优点，探地雷达具有快速便捷、操作简单、抗干扰和场地171第 2 期适应能力强、探测分辨率高等优势（廖志伟等，2022），最终选取高精度等值反磁通瞬变电磁法和地质雷达法进行探测，并用地质钻孔对推断的物探异常进行验证，表明探测结果可靠。1 研究背景徐州市城市轨道交通 6 号线一期工程为一条反“L”型轨道交通线路。工程起点为黄山路与湘江路交叉口的黄山路站，终止于徐州东站东广场，途经铜山区、云龙区与开发区，主要沿湘江路、利民路、汉风路、云台路敷设。线路建成后，将连通铜山新区、新城区及高铁东站，串联铜山新区中心、新城行政商务中心、新城区客运站、高铁站等大型客流集散点。6 号线一期工程线路全长约 22.72 km，全部为地下线，共设站 16 座，其中勘察 03标段的范围为商聚路西站（不含）塘坊村站 惠民家园站 新城区客运站站 丽水路站，共 4 站 4 区间，长约 5.1 km（图 1）。区域地质资料显示，在勘察 03 标段商聚路西站和塘坊村站附近岩溶发育，且存在断层。为了查明岩溶、断裂的发育情况，在该区域进行物探探测工作，场地现状为市政道路，道路北侧主要为空地及在建工地，道路南侧为绿化用地，工区地形整体平坦。图 1 徐州市城市轨道交通 6 号线一期工程线路走向示意图Fig.1 Schematic diagram of the route alignment of the first phase of Xuzhou Urban Rail Transit Line 6徐州市位于华北地台鲁西台背斜西南部边缘地带，构造部位为徐宿弧形构造中段（图2），东距郯庐深大断裂带约 100 km，区域上构造形迹主要有华夏系生成、新华夏系改造归并的一系列 NNENE 向复式褶皱及与之大致平行的压 压扭性断裂，NW 向张 张扭性废黄河断裂横切徐宿弧形构造形成负地形。徐州市区主要有 NENNE 向和 NWNWW 向 2 组断裂构造，其中 NENNE 向断层多为逆断层，NWNWW 向断层多为正断层。受郯庐大断裂影响，工区发育有邵楼断裂（F60），断面倾向 SE，倾角大于 45，为潘塘中新生代断裂盆地的西缘断裂，其北部自大庙镇向南延申，经柳集、棠张镇，到达永安赵远程：综合物探方法在徐州市城市轨道交通 6 号线断裂和溶洞探测中的应用地震地磁观测与研究44 卷 172镇附近，长约 60 km。该断裂为正断层，下盘为震旦系张渠组白云岩，上盘为白垩系上统王氏组粉砂岩（陈丁等，2011；熊彩霞等，2018）。图 2 徐州区域地质构造简图Fig.2 Geological sketch of the Xuzhou region(study area in blue)01020 km复式向斜图 例复式背斜实测断层推测断层主要断层拟建线路研究区33 5834 36N117 43E116 4820500杭京运河废黄河贾汪区云龙区鼓楼区泉山区铜山区zzzzF60F60F2F3zF1研究区第四系覆盖层包括第四系全新统人工填土、粉土、粉砂、黏土及第四系上更新统黏土，基岩主要为震旦系石灰岩、白云岩及白垩系粉砂岩、砾岩。地表主要为杂填土（局部地段较厚），其结构松散，成分复杂，物理力学性质较差。人工填土层以下为第四系粉土和黏土，粉土呈稍密 中密状，黏土以可塑为主，压缩性中等，该组地层土质结构稍好，土质相对均匀，物理力学性质稍好。下伏震旦系张渠组石灰岩和白云岩，较硬岩，呈中厚层状构造，裂隙稍发育，充填方解石脉，胶结良好，岩溶属弱 中等发育。研究区地表主要为杂填土，其结构松散，成分复杂，物理力学性质较差，地层为水平层状结构。第四系覆盖层主要为人工填土、粉土和黏土，下伏基岩为震旦系张渠组石灰岩，基岩和第四系覆盖层的电性差异较大，覆盖层电阻率值一般不超过 100 m，基岩电阻率一般在几百至几千欧姆米。在岩溶空洞与断裂发育地带，电阻率和介电常数均与围岩有明显差异，这种物性差异（表 1）是瞬变电磁法和地质雷达法的基础。表 1 岩性主要物性参数Table 1 Main physical parameters of lithology岩石名称电阻率/(m)材料相对介电常数 r黏土100101黏土812粉土101102空气1砂岩101103水80砾岩101104砂岩911石灰岩102104石灰岩78白云岩102104白云岩8173第 2 期2 方法简介等值反磁通瞬变电磁法（HPTEM）是原瞬变电磁方法技术的改进，又称高精度瞬变电磁法（王凯，2012；Xi et al，2016；杨建明等，2018；Long et al，2020；万小乐，2022；王亮等，2022；张孝勇等，2022；亓庆新等，2022），是测量等值反磁通瞬态电磁场衰减扩散的一种新的瞬变电磁法，其探测深度一般是 5 100 m。等值反磁通法采用上下平行共轴的 2 组相同的通以反向电流的线圈为发射源，且在该双线圈源合成的一次场零磁通平面上，测量对地中心耦合的纯二次场，装置示意见图 3。双线圈在地面发射瞬态脉冲电磁场信号，其中一组线圈置于近地表面，在瞬态脉冲断电瞬间，近地表叠加磁场最大。因此，在相同变化时间下，感应涡流的极大值面集中在近地表，感应涡流产生的磁场最强，随着关断间歇的延时，地表感应涡流逐渐衰减又产生新的涡流极大值面，并逐渐向远离发射线圈的深部、边部方向扩散，根据地表接收到的涡流场信号随时间的衰减规律，即可获得地下电导率信息，这就是等值反磁通瞬变电磁法的物理原理。地质雷达法（Ground Penetrating Radar，简称 GPR）是用来探测浅层地质结构、构造和岩溶等地质情况的一种物探方法（刘宗辉等，2019；李兆祥等，2021），有连续、间断 2 种探测方式，探测深度一般是 0 20 m。其原理是利用天线发射和接收高频电磁波来探测介质内部物质特性和分布规律（图 4）。该方法具有探测速度快、采集数据量大、定位准确、操作灵活、可实现连续透视扫描以及二维彩色图像实时显示等独特优点。发送线圈发送线圈接收线圈接收器控制器ddIIz图 3 等值反磁通瞬变电磁装置示意Fig.3 Schematic diagram of equivalent reverse flux transient electromagnetic device接收器发射器地层1地层2目标体图 4 地质雷达探测原理Fig.4 Principle map of GPR detection3 数据采集及处理3.1 数据采集计划沿轨道中线布设瞬变电磁测线，现场踏勘发现轨道中线附近存在高压直流输电线，为研究该线路对电磁数据的影响，分别在距高压线 0 m、1 m、2 m、4 m、7 m、10 m、15 m、20 m、30 m 位置开展对比试验，结果见图 5。由图 5 可见，瞬变电磁能量衰减曲线衰减趋势基本一致，越靠近高压直流输电线，曲线尾支波动越大，数据质量越差；随着测点远离高压直流输电线，曲线尾枝波动逐渐减小。因此，为保证瞬变电磁观测数据质量，测点与高压直流输电线在地面投影的直线距离应大于 10 m。赵远程：综合物探方法在徐州市城市轨道交通 6 号线断裂和溶洞探测中的应用地震地磁观测与研究44 卷 174图 5 高压直流输电线路不同距离下的瞬变电磁能量衰减曲线对比Fig.5 Comparison of transient electromagnetic energy decay curves at different distances on high voltage DC transmission lines(c)2 m(d)4 m(a)0 m(b)1 m(e)7 m(f)10 m(g)15 m(h)20 m(i)30 m1010210310410510-210-410-610-81010210310410510-210-410-610-81010210310410510-210-410-610-81010210310410510-210-410-610-81010210310410510-210-410-610-81010210310410510-210-410-610-81010210310410510-210-410-610-81010210310410510-210-410-610-81010210310410510-210-410-610-8数据/V数据/V衰减时间/s衰减时间/s衰减时间/s数据/V现场测量轨道中线距高压直流输电线距离大于 20 m，根据上述试验可知，该线路对瞬变电磁数据采集基本无影响，故沿轨道交通线路中线布置一条瞬变电磁剖面和一条地质雷达测线，两者重合，测线全长 1 200 m。测线起点为商聚路西站，终点为塘坊村站，瞬变电磁测点间距为 5 m。测线布设见图 6。图 6 工区物探测线布设Fig.6 The layout of the geophysical exploration line in the work area商聚路西站塘坊村站1 200 m点距5 m轨道中线瞬变电磁测点地质雷达测线（1）地质雷达法：使用 SIR4000（劳雷公司研制）进行数据采集，设备参数如下：天线中心频率为 100 MHz，介电常数为 8，每秒扫描数 100，采样点数为 1 024，带通滤波范围（25 300）MHz。地质雷达法沿布置的测线进行连续测量方式的数据采集，测线全长 1 200 m，根据场地实际情况，分段进行数据采集，将测线分为 8 个区段，分别为 0290 m、175第 2 期290 520 m、520 580 m、580 670 m、670 770 m、770 930 m、930 1 060 m、1 060 1 200 m。在早晚车流量干扰影响较弱时采集数据，数据质量满足规范要求。（2）瞬变电磁法：使用 HPTEM-18 高精度瞬变电磁仪（湖南五维地质科技有限公司研制）进行数据采集，设备参数如下：发射频率为 6.25 Hz，叠加周期 500，重复 2 次。本次瞬变电磁数据采集时段选择在早晚，人文干扰相对较少，可为后续地质解释提供高质量的野外数据。3.2 数据处理（1）采用 RADAN7 软件对地质雷达数据进行处理。数据资料经预处理，进行时间零点调节、距离归一、背景去噪、道间能量平均、垂直带通滤波（25 MHz 150 MHz）等处理，最后输出成果图。（2）采用 5DEM 数据处理系统对高精度瞬变法资料进行处理。根据野外记录剔除金属器械引起的数据异常；对于来自天然电磁场和人工电场所引起的漏电及电磁波干扰，采取频谱分析与手工圆滑相结合的方法加以排除，之后进行去噪、静态校正及近场校正等处理，对曲线和视电阻率进行分析，使用瞬态弛豫反演方法对数据进行反演。设置反演约束系数为1，反演系数为0.2。然而，基准电阻率值不同，会导致反演结果在深度上发生变化。因此，在地质资料已知区域进行瞬变电磁数据反演试验，剖面长 200 m，基准电阻率值分别为 10 m、50 m、100 m、500 m、1 000 m、5 000 m，反演结果见图 7。图 7 不同基准电阻率值的反演成果Fig.7 The results of the inversion of different reference resistivity values1501501501501502002002002002002002002002502502502502501008060402000408012016020024028032036040030030030030030040040040040040040040040050050050050008016024032040048056064072080030030030040040040040040050050050050050050050050050060060060060060070010080604020001002003004005006007008009001000500500500750750750750100010001000100010001000100012501250020040060080010001200140016001800200075075075010001000100012501250125012501250125015001500150017501750020406080100 120 140 160 180 2001008060402000300600900120015001800210024001000100015001500150020002000200025002500250025003000300030003500020406080100 120 140 160 180 20004008001200160020002400280032003600400044004800(a)10 m(c)100 m(d)500 m(e)1 000 m(f)5 000 m电阻率/m电阻率/m电阻率/m电阻率/m电阻率/m电阻率/m(b)50 m深度/m深度/m深度/m长度/m长度/mh 21 mh 29 mh 37 mh 45 mh 53 mh=68 mHHHHHH赵远程：综合物探方法在徐州市城市轨道交通 6 号线断裂和溶洞探测中的应用地震地磁观测与研究44 卷 176由图 7 可知，基准电阻率值不同，反演结果的整体特征仍较相似，但在深度上存在明显差异。以图中高阻体 H 的顶界面为例进行统计分析，可知在基准电阻率值为 10 m、50 m、100 m、500 m、1 000 m、5 000 m 时，其顶界面深度分别约为21 m、29 m、37 m、45 m、53 m 和 68 m。研究区已知地质资料表明，地表层为厚约 1 2 m 的素填土，3 20 m 深度为第四系的粉土和黏土，其下为基岩，可知将基准电阻率值设置为 10 m，反演获得的高阻体顶界面与已知下伏基岩顶界面吻合。因此，反演时将基准电阻率值设定为 10 m。4 结果解释及钻孔验证4.1 结果解释（1）地质雷达成像。对采集的 8 段地质雷达数据进行精细处理，得到雷达成像图，见图 8，可见在深度 18 30 m 范围内为无效信号（不做参考解释）；在剖面 280 340 m 区段 12 16 m 深度和剖面 410 510 m 区段 11 17 m 深度范围内存在明显强反射现象，结合地质情况，判断该区域岩体破碎、岩溶发育。图 8 地质雷达成像剖面Fig.8 Geological radar imaging profiles10004000102030500600700800900100011001200深度/m长度/m200300岩溶发育（2）瞬变电磁反演。瞬变电磁反演结果见图 9，图中红色代表高电阻率，蓝色代表低电阻率。在近地表015 m深度范围内，地层表现为低电阻率特征，电阻率值小于80 m，推断为粉土和黏土。随着深度增加，电阻率值增高，横向表现出分块特征，在反演剖面 0260 m、560 1 060 m 区段表现为明显的高阻特征，电阻率值大于 200 m，根据钻孔资料解释为白云岩。图 9 瞬变电磁反演成果Fig.9 The result of transient electromagnetic inversion0100500100200300400500600长度/m白云岩250250200250200250150200邵楼断裂断层角砾岩岩溶Y6岩溶Y1断裂F1断裂F1岩溶F60Y7Y3Y2Y4Y5150200200250Y8断层角砾岩覆盖层白云岩深度/m电阻率/（m）西东Z12Z1Z3Z4700800900100011001200350300250200150100500177第 2 期在瞬变电磁反演剖面西侧，200 500 m 区段为明显的低阻体，表现为电性梯度带，电阻率值为 150 200 m，结合区域构造资料，推断为邵楼断裂的次级断裂 F1，宽度约为 280 m，倾向 SE，倾角约 60，断层内部岩体破碎，具有一定含水性。图中紫色线条圈出的封闭及半封闭低电阻率异常体（Y2、Y3、Y4、Y5），电阻率值小于 100 m，推断为岩溶发育。这些岩溶分布在 18 40 m 深度范围内，与地质雷达成像（图 8）揭示的异常分布范围相吻合。在瞬变电磁反演剖面东侧，1 060 1 210 m 区段表现为明显的低阻特征，电阻率值约为150200 m，根据已知地质资料，将其解译为邵楼断裂（F60），囿于测线长度限制，未能揭示该断裂的东侧边界。邵楼断裂倾向为 SE，倾角 70 75，推测其呈 NE 走向。据区域地质资料分析，该断裂具有多期活动特性，早期为压扭性，因受构造应力作用，上盘产生大幅度斜落，故推测断裂为一压扭性同生正断裂。4.2 钻孔验证布置 4 个钻孔，钻孔编号依次为 Z1、Z2、Z3和 Z4（图 9），取芯验证物探反演异常的可靠性，结果见图 10、表 2。其中，钻孔 Z1揭示了断层角砾岩，且存在明显擦痕 图10(a)，验证了物探反演所推断的断层 F1。钻孔 Z2岩芯表明，30.2 32 m 深度段为空溶洞，32 38.7 m 深度段为充填型溶洞，充填物为黏土，在 30 30.2 m、38.7 40 m 深度段为断层角砾岩 图 10(b)，物探反演推断的岩溶异常 Y3深度范围为 20 37 m。钻孔 Z3岩芯显示，10.7 24.4 m 深度段为充填型溶洞，充填物为黏土，在 10 10.7 m、24.4 25 m 深度段为断层角砾岩 图 10(c)，物探反演推断的岩溶异常 Y7深度范围为12 26 m。钻孔 Z4揭示，24.3 29 m 深度段为充填型溶洞，充填物为黏土，在 29 33.4 m 深度段为空溶洞，在 20 21.7 m 深度段为泥质白云岩，21.7 24.3 m、33.4 35 m 深度段为断层角砾岩 图 10(d)，物探反演推断的岩溶异常 Y8深度范围为 2238 m。钻孔资料验证了物探反演解译结果的可靠性和相对准确性。图 10 钻孔 Z1、Z2、Z3和 Z4取芯验证结果Fig.10 Results of core verification of boreholes Z1,Z2,Z3,and Z4充填溶洞空溶洞充填溶洞充填溶洞空溶洞(a)钻孔Z1(b)钻孔Z2(3040 m)(c)钻孔Z3(1025 m)(d)钻孔Z4(2035 m)断层角砾岩断层角砾岩断层角砾岩泥质白云岩赵远程：综合物探方法在徐州市城市轨道交通 6 号线断裂和溶洞探测中的应用地震地磁观测与研究44 卷 178表 2 物探异常与钻探结果对比Table 2 Comparison of physical anomalies with drilling results物探异常编号物探异常深度/m钻孔编号钻探验证深度/m异常描述Y32037Z230.232空溶洞3238.7充填型溶洞Y71226Z310.724.4充填型溶洞Y82238Z424.329充填型溶洞2933.4空溶洞5 结论与建议本次瞬变电磁法干扰试验表明，测点与高压直流输电线的地面投影位置距离在 10 m以上，才能保证探测数据不受影响。瞬变电磁反演结果显示，剖面西侧 260 540 m 区段的低阻体为邵楼断裂的次级断裂 F1，倾向 SE，倾角约 60，宽度约 280 m，断裂带内岩体破碎，岩溶发育；电阻率值小于 100 m 的封闭及半封闭低阻异常体为溶洞。剖面东侧 1 060 1 210 m 区段的低阻异常体为邵楼断裂（F60），倾向 SE，倾角 70 75，走向 NE，为一压扭性正断层。钻孔结果分别对断裂 F1和岩溶 Y3、Y7和 Y8进行了验证，结果表明，物探解释异常与实际吻合，证明了物探结果的可靠性。地球物理反演存在多解性，加之受车辆干扰及地下管线、高压直流输电线分布等影响，在城市地铁地球物理勘察中，应尽量选取具有抗干扰能力强的综合地球物理探测方法，同时综合多物性、多参数进行分析，深入理解不同方法反演结果的差异性，切实有效地服务于实际需求。参考文献蔡勤波，罗振丽，穆建强，等.高密度电法在城市勘察中的应用 J.勘察科学技术，2021，（3）：56-60.陈丁，张景发，朱鲁，等.徐州废黄河断裂带的空间展布与活动性研究 J.地震地质，2011，33（1）：67-78.doi：10.3969/j.issn.0253-4967.2011.01.007.黄毓铭，张晓峰，谢尚平，等.综合物探方法在南宁地铁溶洞探测中的应用 J.地球物理学进展，2017，32（3）：1 352-1 359.李士永.物探技术在城市轨道交通岩溶勘察中的应用 J.山西建筑，2021，47（3）：64-65.李学军.城市工程地球物理探测技术应用 城市工程地球物理探测规范（CJJ7 2007）编制综述 J.工程勘察，2009，37（3）：83-88.李兆祥，贺剑波，李昌宁，等.地质雷达和微动探测技术在地铁勘察中的综合应用 J.冶金管理，2021，（9）：97-98.廖志伟，邹其峰.等值反磁通瞬变电磁与地质雷达组合在塌陷渗漏探测中的应用 J.世界有色金属，2022，（7）：169-171.刘宗辉，刘毛毛，周东，等.基于探地雷达属性分析的典型岩溶不良地质识别方法 J.岩土力学，2019，40（8）：3 282-3 290.doi：10.16285/j.rsm.2018.0796.龙霞，席振铢，周胜，等.等值反磁通原理瞬变电磁法探测薄层能力 J.地球物理学进展，2020，35（2）：753-759.亓庆新，席振铢，徐昱，等.等值反磁通瞬变电磁法天线零磁通面位置的确定方法 J.物探与化探，2022，46（6）：1 540-1 544.doi：10.11720/wtyht.2022.1599.万小乐.等值反磁通瞬变电磁法在城市轨道交通岩溶勘察中的应用 J.地质学刊，2022，46（4）：436-440.王凯.瞬变电磁法探测煤矿充水采空区响应特征分析 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the development characteristics of fractures and caves in the study area within a depth range of 0-60 m,a survey line was laid along the centre line of the line in combination with the working environment of the urban area,and a combination of transient electromagnetic method and geo-radar method was used for the detection.For the equivalent inverse flux transient electromagnetic method,tests on electrical interference resistance and inversion parameters were carried out prior to detection.Refinement of the transient electromagnetic measured data was carried out,and the inversion results show that:in the 260-540 m section on the west side of the profile,there is a fracture F1 with a dip of about 60 and a width of about 280 m.The rock body in the fracture zone is broken and karst is developed;in the 1 060-1 210 m section on the east side of the profile,there is a low-resistance anomaly,indicating the Shaolou fracture(F60),which tends to SE and dips 70-75,is a compression-torsional syngenetic orthotropic fault;Fault F1 is a secondary fault of the Shaolou Fault(F60).Ground-penetrating radar results indicate karst development at depths of 12-16 m in the 280-340 m section and 11-17 m in the 410-510 m section of the inversion profile.The karst anomalies from the transient electromagnetic sounding were verified by drilling,and the results indicate that the anomalies inferred from the physical sounding are reliable,with slight discrepancies between the depth of the anomalies and the drilling results.Keywords:rail transit survey，transient electromagnetic，ground penetrating radar，fault，Karst赵远程：综合物探方法在徐州市城市轨道交通 6 号线断裂和溶洞探测中的应用