工程物探在地鐵越江隧道勘查中的應用

1、<p>　　工程物探在地鐵越江隧道勘查中的應用</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用,根據現(xiàn)場條件、物性差異和干擾情況,合理地選擇了綜合物探方法技術,為了提高勘查精度,采取了有效措施和適當?shù)臄?shù)據處理方法,獲得了良好的地質效果,為地鐵越江隧道設計提供了科學依據。</p><p>　　關鍵詞:工程物探;應用;合理地選擇;地質效果</p>

2、<p><b>　　0 前言</b></p><p>　　為了滿足上海地鐵M8線越江隧道設計及盾構推進工程的需要,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)進行物探勘查工作,期望在短期內快速、經濟地查明江底及江底以下障礙物(如廢棄的構筑物、樁基、沉船、鐵錨、炸彈等)的分布情況;查明測區(qū)內江底地形,水面下50m深度范圍內的地層分布,包括不良地質滑

3、坡等。針對所要解決問題的性質、工作環(huán)境及地質情況等,選用了淺層地震、淺層剖面、水上磁測、側掃聲納及雙頻測深等綜合物探方法工作,取得了良好的勘查效果,為地鐵越江隧道設計提供了依據。</p><p>　　1 工程物探方法技術的選擇</p><p>　　工程物探之所以能查明有關的地質和工程問題,是因為要探測的對象與周圍介質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

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,客運十分繁忙,再加上連續(xù)不斷往來的貨運船只,這些環(huán)境因素的干擾給探測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組合。選擇思路:</p><p

5、>　　(1)采用淺層地震反射波法查明測區(qū)內水面下50m深度范圍內的地層分布,包括不良地質滑坡及障礙物。</p><p>　　(2)采用淺層剖面法查明測區(qū)內障礙物、淺部地層分布,包括不良地質滑坡等。</p><p>　　(3)采用側掃聲納及磁測查找測區(qū)內廢棄的構筑物、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、測深查明江底精細地形的變化情況。</p><p>　　選擇以上幾種物探方法各有優(yōu)點和局限性,但采用綜合物探方法工作,可以取長補短,互相補充,互相驗證,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)測量的工作方式,測點定位采用動態(tài)GPS導航系統(tǒng),數(shù)據采集系統(tǒng)自動將物探儀器與GPS的定位數(shù)據對應起來,實現(xiàn)了實時定位。為了精確提供深度資料,避免不同時間潮差對勘查

7、結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,以便進行潮位改正。</p><p><b>　　1.1 淺層地震</b></p><p>　　儀器設備采用: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疊加

8、技術,施工時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,實行連續(xù)走航定時激發(fā)與接收。工作前,在現(xiàn)場認真地進行了參數(shù)選擇試驗,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>　　地震資料處理根據實測的航跡進行有效

9、炮序記錄的抽選,重構新炮序文件,然后進行處理,處理流程為:解編→道編輯→真振幅恢復→多道反褶積→速度分析→動校正→疊加→FK濾波→去噪濾波→動平衡等。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,為了正確地對有效波(包括水底、第四系主要層位的反射)進行有效疊加處理,在對地震資料進行常規(guī)處理的同時,著重進行速度分析;在常規(guī)處理的基礎上,再進行真振幅恢復、多道反褶積、FK濾波等特殊處理,以及動平衡、剖面濾波、歸一化等修飾處理

10、,以期達到突出有效波、壓制干擾之目的,最終形成反射地震時間剖面。</p><p><b>　　1.2 淺層剖面</b></p><p>　　儀器設備采用:①英國地聲公司生產的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>　　工作時將拖魚固定于船側,

11、入水一定深度,通過信號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)場試驗確定,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、縱向濾波、時深轉換等。</p><p><b>　　1.3 水上磁測</b></p><p>　

12、　采用加拿大產的MP-4型磁力儀。工作時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,信號線與儀器連接,連續(xù)走航自動采集,數(shù)據采集為1次/s。針對黃浦江水域磁測干擾較大的特點,采取如下措施:①選擇木船;②拖曳電纜離船盡量遠,本次取20m;③必須進行日變改正;④操作員及時記錄測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)據處理工作包括:日變改正、坐標校

13、正、正常場改正、數(shù)據切除(干擾信號)、化極、濾波、向上、向下延拓、二階導數(shù)等處理。</p><p><b>　　1.4 側掃聲納</b></p><p>　　采用英國ULTRAELECTRONICS生產的雙頻高分辨率側掃聲納系統(tǒng),聲源與采集器均固化在一個探頭內。該系統(tǒng)具有圖像校正、自動范圍適應增益控制,根據不同的操作條件,選擇適當脈沖長度優(yōu)化聲納成像,對水底地形、建筑

14、物及沉船等進行清晰、直觀的成像。本次橫向勘查范圍每側為50.0m。</p><p>　　在施工時,可將側掃聲納掃描拖曳探頭固定于船側,入水深度3.0m,采用船側懸掛工作方式,連續(xù)采集自動記錄。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 雙頻測深</b></p

15、><p>　　采用美國內層空間技術公司INNERSPACEINC.USA生產的449M型雙頻測深儀。施工時將雙頻測深的換能器固定于船側,連續(xù)走航測試,經試驗選用發(fā)射頻率208kHz,發(fā)射功率250W,脈沖長度0.15μs。測試工作前后均要對測深儀器進行標定。</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,江中心至近南岸側江底地形基本平坦,只有細微的起伏。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。測區(qū)內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淺層剖面、淺層地震時間剖面反射波組的波形特征,通過對波組的走時、頻率、相位、強度及連續(xù)性等對比分析,將測區(qū)80.0m深度范圍內劃分為六個有效波組(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呈黑色,能量強,可連續(xù)追蹤;在淺震剖

18、面上反映其反射能量強、連續(xù)性好、起伏大,由二個同相軸構成,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呈淺灰色,能量較強,可連續(xù)追蹤,為淤泥質雜填土與粉質粘土之間的分層面的反映。</p><p>　　(3)T2波組:地震反射能量強弱不一,總體較平緩,由一個同相軸構成,相位出現(xiàn)在23ms~28ms,為粉質粘土和淤泥質粘土之間分界面的反映

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

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

21、砂質粉土(T3~T4)、粉細砂(T4~T5)、粘土(T5~以下)。淺層地震的其它時間剖面與圖5相比,測區(qū)內所有地震時間剖面有效反射波的走時、相位特征幾乎一致,說明區(qū)內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,測區(qū)內無滑坡體。</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)三個物探異常,其中圖6為1號異常淺層

22、剖面圖,該異常體位于測區(qū)最北側的碼頭附近,規(guī)模稍大,在淺層剖面上反映為一清晰可見的亮點呈黑色的短同相軸,同相軸的傾角較大,為異常體一側的反映,異常體呈不規(guī)則枝狀分布,最大長度約64m,寬約15.5m,頂標高-18.5m,底標高-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,達到了相互印證的目的。測區(qū)內磁場分布特征看較平緩,對

23、應三個異常體均無磁異常,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,對解釋提供了進一步的佐證,又補充了淺剖、淺層地震存在的不足。經過對綜合物探成果資料、地層分布特征的綜合分析,推斷三個異常為不均勻地質體引起。</p><p><b>　　3 結論</b></p><p>　　物探作為工程建設勘查的輔助手段,必須針對工程的需要選用合適的勘查

24、方法技術,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區(qū)內水面下50m深度范圍內的地層分布,包括不良地質滑坡及障礙物。但前者對規(guī)模較小的障礙物或超淺地層(水面下20m以內)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;后者由于江底以下第四系地層對聲波吸收較明顯,因此主要用于超淺地層(水面下20m以內)分層和障礙物探測,二種方法互相補充、驗證。</p><p&g

25、t;　　采用側掃聲納、磁測查找測區(qū)內廢棄的構筑物、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,側掃聲納探測分辨率很高(江底直徑10mm鋼絲繩能清除的測到),但只能探測江底表面的物體,對埋于地下的物體無能為力;磁測可以探測江底及江底以下的金屬物體,并可為淺層地震、淺層剖面探測的金屬障礙物定性提供依據。采用雙頻測深查明了江底精細地形(精度0.1m)的變化情況,為劃分的地層和探測的障礙物確定符合工程要求的高程提供可靠的數(shù)據,也

26、為地鐵設計埋深提供了可靠的依據。</p><p>　　總之,利用綜合物探資料解釋可以互相補充、印證,目前該解釋推斷成果經過地鐵隧道施工驗證,證明資料準確、可靠,為地鐵越江隧道設計提供了科學依據。</p><p>　　本成果主要參考上海京海工程技術公司馬文亮、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告》,在此,向參加本工作的同志表示感

27、謝。</p><p><b>　　參考文獻:</b></p><p>　　[1]劉建軍.工程物探在城市工程建設中的應用實例[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雜條件下的應用[J].城市勘測,1997(4):31·</p><p

28、>　　[3]劉建生,馬蔭生,錢耀中.物探技術在大橋建設工程中的應用[J].上海地質,2006,(2):1·</p><p>　　[4]賈學天,羅傳根.工程物探在水域勘察中的應用[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:地質出版社,1991.</p><p&g

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