工程物探在地鐵越江隧道勘查中的應(yīng)用

1、<p>　　工程物探在地鐵越江隧道勘查中的應(yīng)用</p><p>　　摘　要:這里介紹了工程物探在地鐵越江隧道勘查中的應(yīng)用,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件、物性差異和干擾情況,合理地選擇了綜合物探方法技術(shù),為了提高勘查精度,采取了有效措施和適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法,獲得了良好的地質(zhì)效果,為地鐵越江隧道設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞:工程物探;應(yīng)用;合理地選擇;地質(zhì)效果</p>

2、<p><b>　　0 前言</b></p><p>　　為了滿足上海地鐵M8線越江隧道設(shè)計(jì)及盾構(gòu)推進(jìn)工程的需要,在浦西的江邊路輪渡碼頭與浦東的周家嘴輪渡碼頭之間的黃浦江水域(約500m寬)進(jìn)行物探勘查工作,期望在短期內(nèi)快速、經(jīng)濟(jì)地查明江底及江底以下障礙物(如廢棄的構(gòu)筑物、樁基、沉船、鐵錨、炸彈等)的分布情況;查明測(cè)區(qū)內(nèi)江底地形,水面下50m深度范圍內(nèi)的地層分布,包括不良地質(zhì)滑

3、坡等。針對(duì)所要解決問題的性質(zhì)、工作環(huán)境及地質(zhì)情況等,選用了淺層地震、淺層剖面、水上磁測(cè)、側(cè)掃聲納及雙頻測(cè)深等綜合物探方法工作,取得了良好的勘查效果,為地鐵越江隧道設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。</p><p>　　1 工程物探方法技術(shù)的選擇</p><p>　　工程物探之所以能查明有關(guān)的地質(zhì)和工程問題,是因?yàn)橐綔y(cè)的對(duì)象與周圍介質(zhì)之間存在某種物性差異。工區(qū)的地層為第四系的沉積物,地層自上而下一般為淤泥質(zhì)

4、粘土、粘土、粉土、粉砂、砂層等,而要查明的障礙物與地層相比、各地層之間存在有明顯的物性差異,這些差異正是利用物探方法解決問題的前提條件。但由于環(huán)境條件十分復(fù)雜, 地處黃浦江下游,受漲、落潮的影響水流較急,并且黃浦江的二岸均為輪渡碼頭,客運(yùn)十分繁忙,再加上連續(xù)不斷往來的貨運(yùn)船只,這些環(huán)境因素的干擾給探測(cè)工作帶來了較大的困難;并且本次工作所要解決問題的難度很大,因此必須合理地選擇物探方法技術(shù)組合。選擇思路:</p><p

5、>　　(1)采用淺層地震反射波法查明測(cè)區(qū)內(nèi)水面下50m深度范圍內(nèi)的地層分布,包括不良地質(zhì)滑坡及障礙物。</p><p>　　(2)采用淺層剖面法查明測(cè)區(qū)內(nèi)障礙物、淺部地層分布,包括不良地質(zhì)滑坡等。</p><p>　　(3)采用側(cè)掃聲納及磁測(cè)查找測(cè)區(qū)內(nèi)廢棄的構(gòu)筑物、樁基、沉船、鐵錨、炸彈等江底及埋于江底沉積地層中的金屬物體。</p><p>　　(4)采用雙頻

6、測(cè)深查明江底精細(xì)地形的變化情況。</p><p>　　選擇以上幾種物探方法各有優(yōu)點(diǎn)和局限性,但采用綜合物探方法工作,可以取長補(bǔ)短,互相補(bǔ)充,互相驗(yàn)證,滿足工程勘察需要。</p><p>　　本次水域勘查使用的各種物探方法均采用連續(xù)測(cè)量的工作方式,測(cè)點(diǎn)定位采用動(dòng)態(tài)GPS導(dǎo)航系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)將物探儀器與GPS的定位數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)起來,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)定位。為了精確提供深度資料,避免不同時(shí)間潮差對(duì)勘查

7、結(jié)果所帶來的水深影響,在江邊輪渡碼頭每10min做一次潮位觀測(cè),以便進(jìn)行潮位改正。</p><p><b>　　1.1 淺層地震</b></p><p>　　儀器設(shè)備采用:①美國NX淺層地震儀;②激發(fā)震源采用高壓空氣槍震源激發(fā);③接收裝置采用專用的水上漂浮電纜,主頻100Hz,道距2m,道數(shù)24道。</p><p>　　采用水上縱波共反射點(diǎn)疊加

8、技術(shù),施工時(shí)將接收電纜牽掛于船尾向后延伸,激發(fā)氣槍同掛于船尾,二者入水一定深度,并保持一定距離,實(shí)行連續(xù)走航定時(shí)激發(fā)與接收。工作前,在現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)真地進(jìn)行了參數(shù)選擇試驗(yàn),合理地選擇工作參數(shù)如下:激發(fā)氣壓為9MPa~12MPa;激發(fā)間隔為5s;震源入水深度為1.0m;電纜入水深度為0.7m;偏移距16.0m;覆蓋次數(shù)為3次;記錄長度為250ms,采樣率為0.2ms。</p><p>　　地震資料處理根據(jù)實(shí)測(cè)的航跡進(jìn)行有效

9、炮序記錄的抽選,重構(gòu)新炮序文件,然后進(jìn)行處理,處理流程為:解編→道編輯→真振幅恢復(fù)→多道反褶積→速度分析→動(dòng)校正→疊加→FK濾波→去噪濾波→動(dòng)平衡等。水上淺層地震勘探中的主要干擾波是水底多次干擾波和交混回響效應(yīng),為了正確地對(duì)有效波(包括水底、第四系主要層位的反射)進(jìn)行有效疊加處理,在對(duì)地震資料進(jìn)行常規(guī)處理的同時(shí),著重進(jìn)行速度分析;在常規(guī)處理的基礎(chǔ)上,再進(jìn)行真振幅恢復(fù)、多道反褶積、FK濾波等特殊處理,以及動(dòng)平衡、剖面濾波、歸一化等修飾處理

10、,以期達(dá)到突出有效波、壓制干擾之目的,最終形成反射地震時(shí)間剖面。</p><p><b>　　1.2 淺層剖面</b></p><p>　　儀器設(shè)備采用:①英國地聲公司生產(chǎn)的Geochirp型淺層剖面儀;②聲波震源為水下拖曳的電火花聲源系統(tǒng),該聲源系統(tǒng)和接收器以固定的間距裝在同一容器中,稱之為拖魚。</p><p>　　工作時(shí)將拖魚固定于船側(cè),

11、入水一定深度,通過信號(hào)電纜和裝在船上的采集系統(tǒng)連接,采用連續(xù)采樣方式工作。工作參數(shù)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定,工作參數(shù)選擇如下:拖魚入水深度2.0m;工作頻率2kHz~7kHz;掃描長度32ms。</p><p>　　淺層剖面資料處理主要是航跡分析、帶通濾波、縱向?yàn)V波、時(shí)深轉(zhuǎn)換等。</p><p><b>　　1.3 水上磁測(cè)</b></p><p>　

12、　采用加拿大產(chǎn)的MP-4型磁力儀。工作時(shí)將磁力儀固定于漂浮器(非金屬)上,拖曳漂浮器的繩索固定于船尾,信號(hào)線與儀器連接,連續(xù)走航自動(dòng)采集,數(shù)據(jù)采集為1次/s。針對(duì)黃浦江水域磁測(cè)干擾較大的特點(diǎn),采取如下措施:①選擇木船;②拖曳電纜離船盡量遠(yuǎn),本次取20m;③必須進(jìn)行日變改正;④操作員及時(shí)記錄測(cè)線周圍的通航及岸邊干擾情況,以便排出過往船只或附近鐵磁性物體的影響。</p><p>　　數(shù)據(jù)處理工作包括:日變改正、坐標(biāo)校

13、正、正常場(chǎng)改正、數(shù)據(jù)切除(干擾信號(hào))、化極、濾波、向上、向下延拓、二階導(dǎo)數(shù)等處理。</p><p><b>　　1.4 側(cè)掃聲納</b></p><p>　　采用英國ULTRAELECTRONICS生產(chǎn)的雙頻高分辨率側(cè)掃聲納系統(tǒng),聲源與采集器均固化在一個(gè)探頭內(nèi)。該系統(tǒng)具有圖像校正、自動(dòng)范圍適應(yīng)增益控制,根據(jù)不同的操作條件,選擇適當(dāng)脈沖長度優(yōu)化聲納成像,對(duì)水底地形、建筑

14、物及沉船等進(jìn)行清晰、直觀的成像。本次橫向勘查范圍每側(cè)為50.0m。</p><p>　　在施工時(shí),可將側(cè)掃聲納掃描拖曳探頭固定于船側(cè),入水深度3.0m,采用船側(cè)懸掛工作方式,連續(xù)采集自動(dòng)記錄。為增加分辨率,選用高頻率325kHz,短脈沖28μs,波束形態(tài)水平角0.6°,垂直角32°。</p><p><b>　　1.5 雙頻測(cè)深</b></p

15、><p>　　采用美國內(nèi)層空間技術(shù)公司INNERSPACEINC.USA生產(chǎn)的449M型雙頻測(cè)深儀。施工時(shí)將雙頻測(cè)深的換能器固定于船側(cè),連續(xù)走航測(cè)試,經(jīng)試驗(yàn)選用發(fā)射頻率208kHz,發(fā)射功率250W,脈沖長度0.15μs。測(cè)試工作前后均要對(duì)測(cè)深儀器進(jìn)行標(biāo)定。</p><p>　　2 綜合資料的分析與解釋</p><p>　　2.1 江底地形特征</p>&

16、lt;p>　　從雙頻測(cè)深剖面圖、淺層剖面圖及解釋的江底地形剖面圖可以看出,黃浦江北岸附近江底坡度較緩,南岸附近江底坡度稍陡,江中心至近南岸側(cè)江底地形基本平坦,只有細(xì)微的起伏。北岸最淺處高程為2m,江中最深處高程為-12.03m,南岸最淺處高程為1.3m。測(cè)區(qū)內(nèi)自東向西江底地形基本平坦,除江中最深處略有變化外,均無明顯差異。</p><p>　　2.2 江底地層劃分</p><p>　

17、　2.2.1 淺層剖面、淺層地震波組特征分析</p><p>　　物探波組劃分主要依據(jù)淺層剖面、淺層地震時(shí)間剖面反射波組的波形特征,通過對(duì)波組的走時(shí)、頻率、相位、強(qiáng)度及連續(xù)性等對(duì)比分析,將測(cè)區(qū)80.0m深度范圍內(nèi)劃分為六個(gè)有效波組(T1、T′、T2、T3、T4、T5),見下頁圖4及圖5,分述如下:</p><p>　　(1)T1波組:在淺層剖面上反映亮點(diǎn)呈黑色,能量強(qiáng),可連續(xù)追蹤;在淺震剖

18、面上反映其反射能量強(qiáng)、連續(xù)性好、起伏大,由二個(gè)同相軸構(gòu)成,相位出現(xiàn)在6ms~20ms,為江底反映。</p><p>　　(2)T1′波組:在淺層剖面上反映亮點(diǎn)呈淺灰色,能量較強(qiáng),可連續(xù)追蹤,為淤泥質(zhì)雜填土與粉質(zhì)粘土之間的分層面的反映。</p><p>　　(3)T2波組:地震反射能量強(qiáng)弱不一,總體較平緩,由一個(gè)同相軸構(gòu)成,相位出現(xiàn)在23ms~28ms,為粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粘土之間分界面的反映

19、。</p><p>　　(4)T3波組:反射能量強(qiáng)弱不一,整條測(cè)線可連續(xù)追蹤,較平緩,由一個(gè)同相軸構(gòu)成,相位出現(xiàn)在32ms~40ms,為淤泥質(zhì)粘土與砂質(zhì)粉土之間的分界面的反映。</p><p>　　(5)T4波組:反射能量較強(qiáng),整條測(cè)線可連續(xù)追蹤,界面平緩,由一個(gè)同相軸構(gòu)成,相位出現(xiàn)在42ms~50ms;為砂質(zhì)粉土與粉細(xì)砂之間的分界面的反映。</p><p>　　(

20、6)T5波組:反射能量較強(qiáng),整條測(cè)線可連續(xù)追蹤,較平緩,由一個(gè)同相軸構(gòu)成,相位出現(xiàn)在90ms~100ms,為粉細(xì)砂與粘土的分界面的反映。</p><p>　　2.2.2 地質(zhì)分層</p><p>　　經(jīng)過對(duì)淺層剖面、淺層地震波組特征的分析,并結(jié)合地質(zhì)資料,將第四系的沉積地層劃分為六層,見圖六,自上而下推測(cè)為:淤泥質(zhì)雜填土(T1~T1′)、粉質(zhì)粘土(T1′~T2)、淤泥質(zhì)粘土(T2~T3)、

21、砂質(zhì)粉土(T3~T4)、粉細(xì)砂(T4~T5)、粘土(T5~以下)。淺層地震的其它時(shí)間剖面與圖5相比,測(cè)區(qū)內(nèi)所有地震時(shí)間剖面有效反射波的走時(shí)、相位特征幾乎一致,說明區(qū)內(nèi)地層巖性基本沒有變化,江底沉積層中無明顯的軟弱夾層存在,地層分布較平緩,測(cè)區(qū)內(nèi)無滑坡體。</p><p>　　2.3 物探異常的綜合解釋</p><p>　　本次采用綜合物探方法工作,共發(fā)現(xiàn)三個(gè)物探異常,其中圖6為1號(hào)異常淺層

22、剖面圖,該異常體位于測(cè)區(qū)最北側(cè)的碼頭附近,規(guī)模稍大,在淺層剖面上反映為一清晰可見的亮點(diǎn)呈黑色的短同相軸,同相軸的傾角較大,為異常體一側(cè)的反映,異常體呈不規(guī)則枝狀分布,最大長度約64m,寬約15.5m,頂標(biāo)高-18.5m,底標(biāo)高-31.9m。該異常體在淺層地震剖面圖上也有反映,見圖7。另外二個(gè)異常在淺層剖面圖上反映較明顯,呈弧形和單邊拋物線形同相軸,在淺層地震剖面圖上也有不同程度地反映,達(dá)到了相互印證的目的。測(cè)區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)分布特征看較平緩,對(duì)

23、應(yīng)三個(gè)異常體均無磁異常,從而可排除金屬物體(如沉船、鐵錨、鋼筋混凝土樁或塊體等)引起異常的可能性,對(duì)解釋提供了進(jìn)一步的佐證,又補(bǔ)充了淺剖、淺層地震存在的不足。經(jīng)過對(duì)綜合物探成果資料、地層分布特征的綜合分析,推斷三個(gè)異常為不均勻地質(zhì)體引起。</p><p><b>　　3 結(jié)論</b></p><p>　　物探作為工程建設(shè)勘查的輔助手段,必須針對(duì)工程的需要選用合適的勘查

24、方法技術(shù),本次采用的幾種綜合物探方法組合,取得了較好的勘查成果。采用淺層地震、淺層剖面法查明了測(cè)區(qū)內(nèi)水面下50m深度范圍內(nèi)的地層分布,包括不良地質(zhì)滑坡及障礙物。但前者對(duì)規(guī)模較小的障礙物或超淺地層(水面下20m以內(nèi))分層難以分辨,因此主要用于水面20m以下地層分層和障礙物探測(cè);后者由于江底以下第四系地層對(duì)聲波吸收較明顯,因此主要用于超淺地層(水面下20m以內(nèi))分層和障礙物探測(cè),二種方法互相補(bǔ)充、驗(yàn)證。</p><p&g

25、t;　　采用側(cè)掃聲納、磁測(cè)查找測(cè)區(qū)內(nèi)廢棄的構(gòu)筑物、樁基、沉船、鐵錨、炸彈等江底及埋于江底沉積地層中的金屬物體,側(cè)掃聲納探測(cè)分辨率很高(江底直徑10mm鋼絲繩能清除的測(cè)到),但只能探測(cè)江底表面的物體,對(duì)埋于地下的物體無能為力;磁測(cè)可以探測(cè)江底及江底以下的金屬物體,并可為淺層地震、淺層剖面探測(cè)的金屬障礙物定性提供依據(jù)。采用雙頻測(cè)深查明了江底精細(xì)地形(精度0.1m)的變化情況,為劃分的地層和探測(cè)的障礙物確定符合工程要求的高程提供可靠的數(shù)據(jù),也

26、為地鐵設(shè)計(jì)埋深提供了可靠的依據(jù)。</p><p>　　總之,利用綜合物探資料解釋可以互相補(bǔ)充、印證,目前該解釋推斷成果經(jīng)過地鐵隧道施工驗(yàn)證,證明資料準(zhǔn)確、可靠,為地鐵越江隧道設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。</p><p>　　本成果主要參考上海京海工程技術(shù)公司馬文亮、盧秋芽、劉建軍等2001年12月編寫的《上海市軌道交通楊浦線(M8線)工程黃浦江中段水上物探勘查報(bào)告》,在此,向參加本工作的同志表示感

27、謝。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn):</b></p><p>　　[1]劉建軍.工程物探在城市工程建設(shè)中的應(yīng)用實(shí)例[J].物化探譯叢,1998,(3):43·</p><p>　　[2]劉建軍,馬文亮,段常在.綜合工程物探在十分復(fù)雜條件下的應(yīng)用[J].城市勘測(cè),1997(4):31·</p><p

28、>　　[3]劉建生,馬蔭生,錢耀中.物探技術(shù)在大橋建設(shè)工程中的應(yīng)用[J].上海地質(zhì),2006,(2):1·</p><p>　　[4]賈學(xué)天,羅傳根.工程物探在水域勘察中的應(yīng)用[J].中國市政工程,2003,(6):59·</p><p>　　[5]王慶海,徐明才.抗干擾高分辨率淺層地震勘探[M].北京:地質(zhì)出版社,1991.</p><p&g

29、t;　　[6]王振東.淺層地震勘探應(yīng)用[M]·北京:地質(zhì)出版社,1988·</p><p>　　[7]陳國祥,賈學(xué)天,陳哲.工程物探方法在淺海域地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用[J].江蘇地質(zhì),2004,(28):145·</p><p>　　[8]柯長志,金翔龍,梁居廷,等.海洋調(diào)查規(guī)范-海洋地質(zhì)地球物理勘察,(GB/T13909-92),國家技術(shù)監(jiān)督局,1992,12月&