综合勘探技术在地铁工程岩溶探测中的应用研究.pdf

第 卷 增 人民珠江 年 月 :/.:/收稿日期:作者简介:曾建纲()男硕士工程师主要从事工程地质勘察方面的工作 :.通信作者:张小平()男本科高级工程师主要从事工程地质勘察方面的工作 :.综合勘探技术在地铁工程岩溶探测中的应用研究曾建纲张小平董如意(中水珠江规划勘测设计有限公司广东 广州)摘要:岩溶探测对城市轨道交通工程建设具有重要意义 常规地球物理探测方法在城市中开展易受信号干扰或场地环境等条件限制选用抗干扰能力强、城市中易实施的微动/谱比法和高精度重力测量法对浅表层岩溶探测效果开展综合研究 结果表明:微动/谱比法能够有效辨识土石分界面结合重力归一化总梯度和密度反演结果指示的低密度场源分布较为精确地圈定灰岩中发育的岩溶 组合为城市轨道交通建设前期岩溶勘察提供了快速准确的解决方案关键词:微动/谱比法高精度重力岩溶中图分类号:.文献标志码:文章编号:()近年来随着城市轨道交通工程建设在全国各地兴起在工程勘察过程中会遇到更多困难复杂的地质问题如岩溶、断裂、采空区等若工程建设前期未查明异常体的分布形态则在地铁施工过程中很容易引发地面沉降、地面塌陷、基底突水、隧道涌泥、涌水、涌砂等地质灾患 为了在地铁施工过程中幸免于发生事故保护人民生命财产安全则应采取必要而有效的勘探技术手段以查明异常体的具体分布形态、范围等目前单种物探方法在岩溶、断裂、采空区方面的探测上具有较广泛的应用但物探方法的多解性亦给反演解译工作带来实际应用上的困难 另一方面城市中电磁干扰、杂乱的地下管线分布、水泥硬化路面等诸多不利因素限制了传统磁法、电法等的开展 针对上述问题使用抗干扰能力强、城市中易实施的岩溶探测方法是必要的同时利用多种物探方法优势互补的组合探测方案可以减少由物探多解性引起的不确定问题的同时亦可大幅度提升探测效果指导前期勘察过程中的钻孔布置并可利用钻孔实际揭露地质情况对探测的结果进行验证近些年发展起来的微动探测方法为城市地球物理勘探提供了一个崭新的方向 由于其利用天然源信号具有无损、抗干扰的技术优势特别适用于城市强干扰环境 基于微动的/谱比曲线的峰值频率可以用于确定岩溶发育地区的石灰岩界面深度 高精度重力测量以密度差异为探测基础无需在地面布设电缆、打孔布设电极或检波器适合在城市进行高密度、高精度数据采集 本文通过微动/谱比法、高精度重力测量 种方法在某轨道交通工程勘察场地岩溶探测的工程实例来分析该两种物探方法组合在城市内工程场地探测岩溶的优势及不足 研究区概况.区域地质条件研究区位于冲洪积地貌和残丘地貌交汇处地势总体东高西低 出露的地层由新至老主要为第四系:陆相冲积 洪积的砂层、黏性土层、残积土层石炭系壶天组石灰岩石炭系梓门桥组石灰岩 研究区位于广花凹陷的新市向斜的东南翼(图)为构人民珠江 年增刊 造挤压较强烈的地带造成区内局部地段岩体较破碎裂隙极发育岩层产状一般为 古近系始新统布心组三叠系小坪组三叠系大冶组二叠系大隆组二叠系龙潭组二叠系文笔山组二叠系栖霞组石炭系壶天组石炭系梓门桥组石炭系测水组石炭系石磴子组元古界断层研究区位置图 研究区区域地质.水文地质条件及特征根据地下水赋存条件、含水介质及水力特征分析研究区内地下水主要有松散堆积物孔隙水、岩溶裂隙水主要特征如下)第四系松散堆积物孔隙水 孔隙水主要赋存于砂层中根据区内的抽水试验该层属中等强透水层富水性中等 砂层顶部广泛覆盖冲洪积黏性土层由于冲洪积黏性土层透水性小故造成孔隙水具有弱承压性 孔隙水水位埋深较浅一般接受大气降水和地表水的补给受季节性影响较大不同季节水位变化幅度较大)岩溶裂隙水 主要赋存在石炭系壶天组及石炭系梓门桥组的灰岩中溶蚀裂隙和溶洞发育水量中等丰富具承压性 岩溶水富水性强透水性与裂隙、岩溶发育程度有关 溶洞、溶蚀裂隙发育很不均匀裂隙、溶蚀及溶洞不太发育的部位岩层透水性一般较弱溶蚀及裂隙发育的部位透水性一般中等溶洞发育的部位透水性一般较强 岩溶裂隙水受降水、地表水体灌入以及周边岩体侧向径流补给通过径流向排泄区进行排泄.岩溶发育情况研究区位于可溶岩区地质条件复杂根据前期勘察资料本区内岩溶强发育见洞率为 洞高一般为.平均.洞顶埋深一般为.平均埋深.溶洞内主要为饱水空洞其次为半全充填流塑软塑黏性土.各岩土层物性特征主要针对微动/谱比法探测技术和高精度重力测量方法在城市轨道交通工程岩溶探测中的适宜性进行研究 微动/谱比法通过地表记录的不同频率地震背景噪声的水平分量与垂直分量的比值来确定基岩的深度 高精度重力测量方法是根据溶洞充填物与围岩之间的密度差异所产生的重力异常来推断溶洞的分布情况 通过收集研究区内的前期勘察资料各岩土层的横波波速、密度值见表 表 研究区内各岩土层物性参数岩土名称密度/()变化范围平均值横波波速/()变化范围平均值人工填土.粉质黏土.微风化灰岩.溶洞充填物.从表 中可以看出:第四系覆盖层密度值变化范围一般为./平均值为./下伏基岩微风化灰岩密度值变化范围一般为./平均值为./溶洞充填物密度值变化范围一般为./平均值为./因此第四系覆盖层、溶洞充填物与下伏基岩存在一定的密度差且密度界面比较明显第四系覆盖层横波波速变化范围一般为 /平均值为/下伏基岩微风化灰岩横波波速变化范围一般为 /平均值为 /溶洞充填物横波波速变化范围一般为 /平均值为 /因此第四系覆盖层、溶洞充填物与下伏基岩的横波波速存在超过 /的速度差异物性特征差异非常明显人民珠江 年增刊 数据采集与处理.微动/谱比法微动谱比法的震源主要来自自然现象(潮汐、地震等)和人类活动(工程施工、交通等)激发并经过场地内不同岩土层分界面反射和折射后传播到地面的地震波这些地震波能够清晰地反映地下各岩土层介质信息 微动谱比法探测技术就是基于单点三分量数据中水平分量和垂直分量的谱比(/谱比)特征进行地球物理反演的勘探技术该方法技术抗干扰能力较强受场地条件限制本次使用主动源面波方法在排列前方激发地震波最小偏移距.道距 将设备安置与测点处进行调皮调平操作保证水平稳定后开始数据采集 主动源面波数据采集后保持排列不动继续采集微动背景噪声获得长周期(左右)三分量数据本次数据采集采用 采样间隔局部干扰较大区域采集时长增大至 基于主动源面波、被动源面波和谱比数据采用高信噪比者优先原则对排列内的频散曲线和谱比曲线进行联合建模与反演从而获得各测点下的地层结构分布.高精度重力探测技术在本研究区重力场的分布通常与地下空间物质密度分布不均匀息息相关物质密度的分布受基岩面起伏、岩溶空间分布影响覆盖层下伏基岩的凹陷或凸起会引起物质密度的缺失或剩余当基岩面凸起时会形成重力高异常反之则形成低异常 因此由地下空间物质密度存在差异而引起的重力变化为探测基岩面及岩溶空间分布形态提供了理论依据 高精度重力勘探是一种操作简便、高效的探测技术在可溶岩地区前期的岩溶探测中对于初步圈定岩溶发育空间位置、缩小勘测区域范围具有重要的作用同时其观测分析结果也能为其他物探方法、工程实施等提供借鉴参考重力归一化总梯度法利用地面上实测重力异常值的特征点(如极大点或极小点)或解析函数的奇点探测重力异常的场源体、断裂及密度界面并估计其位置该方法虽不能直接计算场源体、断裂及密度界面的位置和参数但这些构造附近的归一化总梯度解析函数具有收敛性比重力异常在估计场源体和断裂位置及密度界面分布方面更加“直接”和优越见式():()()()()()()()()式中()重力异常归一化总梯度场是一个无量纲的比值()()点处重力异常总梯度值()深度 处水平线上总梯度的平均值、()点处布格重力异常在水平方向和垂直方向的一阶导数 重力测点数在 平面内按一定深度间隔求取各点的()最后绘出()等值线图 实例分析本研究区场地长 宽 区域地貌为冲洪积地貌地面较平坦地面高程为.相对高差 共布设 条平行的高精度重力、微动综合剖面 受场地环境影响本次共进行 次数据采集其中图 所示 剖面成果实际为 剖面成果 剖面成果实际为 剖面成果.剖面物探推断成果重力剩余重力曲线呈现宽缓变化低值异常说明异常目标体深且体积大物性反演密度断面为复杂局部低值重力异常水平总梯度模局部相对低值根据微动计算出/值基岩面在 左右呈现局部低值据此圈定异常范围宽分别为.、.、.异常顶底高.、.、.分别起名为 、钻孔、证实 异常为溶洞引起钻孔 证实 异常为溶洞引起钻孔 证实 异常为溶洞引起 由于这 个异常空间近推断该处形成局部发育溶洞群(图)人民珠江 年增刊.剖面物探推断成果重力剩余重力曲线呈现宽缓低值异常物性反演密度断面为复杂局部低值重力异常水平总梯度模局部相对低值根据微动计算出/计算基岩面 对应局部低值据此圈定异常范围宽分别为.、.、.异常顶底高.、.、.分别起名为 、前期钻孔 证实 异常为溶洞引起由于这 个异常空间近推断该处形成局部发育溶洞群 图 高精度重力、微动反演综合剖面)图 工程地质剖面人民珠江 年增刊 结论)根据微动/谱比法探测成果显示该方法能够比较有效地在纵向上辨识出具有物性差异的岩土分界线 通常第四系覆盖层与石灰岩物性差异大两者之间的速度变化也大根据该特性可以有效地辨识基岩面埋深及基岩面的起伏形态而石灰岩内发育的岩溶与石灰岩之间的波速差异显著因此利用微动/谱比法辨识岩溶效果比较明显)高精度重力探测技术能够比较有效地应用于城市轨道交通岩溶勘察、基岩面刻画等方面横向分辨率较高 当测点下方存在岩溶时重力值出现比较明显的下降趋势当测点下方未揭露岩溶且基岩较为完整时重力值会出现较明显的上升趋势根据该重力特性可以比较有效地圈定岩溶的平面发育位置结合钻孔揭露情况亦能反演出岩溶在纵向上发育的规模大小及其标高情况)综合微动/谱比法与高精度重力辨识出岩溶的平面位置圈出了溶洞 个通过布置钻孔验证探测结果比较可靠 该方法组合可在城市轨道交通建设前期勘察阶段推广应用参考文献:曾建纲包勋.跨孔地震 在城市轨道交通岩溶勘察中的应用研究.人民珠江():.周洪博郝喆陈红丹.综合物探法在矿区岩溶地面塌陷勘查中的应用.防灾减灾学报():.郑智杰敖文龙曾洁等.综合物探法在柳州泗角村岩溶塌陷区调查中的应用.水文地质工程地质():.黄光明赵举兴李长安等.岩溶区地下溶洞综合物探探测试验研究:以福建省永安大湖盆地为例.地球物理学进展():.郑福龙余舟蔡从德等.微重力和微动法相结合的隐伏岩溶探测效果分析:以长宁某页岩气钻井平台为例.地球物理学进展:.:/./.温来福郝海强刘志远等.综合物探在山西省某煤矿采空区探测中的应用.工程地球物理学报():.徐佩芬李传金凌甦群等.利用微动勘察方法探测煤矿陷落柱.地球物理学报():.徐佩芬侍文凌苏群等.二维微动剖面探测“孤石”:以深圳地铁 号线为例.地球物理学报():.徐佩芬李世豪杜建国等.微动探测:地层分层和隐伏断裂构造探测的新方法.岩石学报():.李传金杜亚楠游志伟等.微动数据平稳性检验方法的适用性分析.地球物理学进展():.徐燕君陈明伍卓鹤等.高精度重力在城市地下空间探测研究中的应用.地质学刊():.刘伟甘伏平周启友等.高密度电阻率成像法与微动谱比法探测岩溶区塌陷的地质背景:以广东省高要市蛟塘镇塱下村塌陷区为例.地质与勘探():.张若晗徐佩芬凌甦群等.基于微动/谱比法的土石分界面探测研究:以济南中心城区为例.地球物理学报():.张文辉金维浚张衡.用/谱比法与折射微动法确定表土层参数.地震():.陈贻祥.地面微重力方法在地质灾害调查中的应用效果.中国岩溶():.郇恒飞高铁赵海卿等.高精度重力测量在抚顺煤矿采空区探测中的应用.煤田地质与勘探():.张毅徐如刚余勇等.高精度重力测量在隐伏断层探测中的应用.国际地震动态():.曾华霖.重力场与重力勘探.北京:地质出版社.(责任编辑:向 飞)