工程物探在南京地鐵勘察中的應用

摘 要:工程物探是解決工程地質問題的一種技術方法，通過介紹不同物探方法在南京地鐵工程各階段的應用所取得的經驗，分析該方法技術在城市地鐵中應用的優點及其不足。
工程物探與鉆探一樣是解決工程地質問題的一種方法技術，其在大型橋梁、核電站、公路等勘察方面已得到廣泛的應用。由于地鐵線路均選擇在城市的繁華地帶，該方法更能顯現其獨特的優勢。南京地鐵在1號線、2號線工程籌備、設計、施工各個階段均采用工程物探方法進行過勘察，取得了一些較為成功的經驗。
一、在工程可行性研究階段可以全面快速了解沿線地質全貌
地鐵2號線一期工程西起河西地區途經漢中路、中山東路、孝陵衛東至馬群橫穿城市繁華的商業區—新街口地區。項目承接單位克服了各種干擾大、夜間施工時間短及雨水天氣多等諸多不利因素，經近2個月的外業施工，共完成淺層地震反射剖面20km。PS測井一孔，鉆探驗證孔2個，并在部分疑難勘察地段，配合進行了淺層地震折射、探地雷達、面波勘察，水域淺層地震縱波反射等物探方法。工作結果提供了地鐵2號線一期工程沿線覆蓋層主要分層厚度及基巖埋深、形態，發現斷裂點異常5處，結合沿線城市建筑的工勘結果，分段對沿線工程地質條件進行評價，提交一份比較完整的工程地質資料，供立項及初步設計使用。主要工作方法及成果簡介如下。
地鐵2號線穿越了南京市最繁華的中山東路、漢中路等商業中心，白天及傍晚人流不息，各種振動較為強烈，嚴重影響地震勘察效果。為此，本次工作全部選擇在凌晨0:00時至4:00時干擾較小時施工。
1.陸域勘察
經試驗,陸域采用縱波法勘察第四系分層較差，抗干擾能力也弱，而橫波反射效果較好，因此僅在馬群至孝陵衛局部基巖較淺地段使用輔以折射波法，大部分陸域施工采用橫波反射法，施工參數如下：
道間距：2m、排列長度：46m、疊加次數4次、炮間距：6m
偏移距：中間激發、采樣率：1ms、記錄長度：1024ms。
2.水域地震
在逸仙橋及漢中門外秦淮河兩段水域采用縱波反射法。由于水面較窄，水流十分小，水深也較淺，經試驗采用地震映象法施工，施工參數如下：
炮間距：1m、偏移距：4m、激發能量：2000J
采樣率：0.12ms、記錄長度：128ms。
3.資料處理
根據單炮記錄特征及勘探目的層的要求，首先對野外地震儀采集的有效炮文件中的空道及廢道進行剔除，然后依次輸入到計算機中進行數據處理，工作流程為：數據解編→動平衡→頻譜分析→濾波→速度分析→抽道→動校正→剖面輸出。
在上述常規處理的基礎上，后期在工作站上進行真振幅恢復，多道反褶積Fk濾波等特殊處理，以及動平衡、剖面濾波、歸一化處理，以期達到突出有效波、壓制干擾波之目的，形成最終地震時間剖面.
根據各測線地震時間剖面圖，在認真有效波的相位對比和同相軸追蹤的基礎上，首先控制標準層位，并對其連續追蹤，之后對第四系層位進行對比分析、劃定。在以上相應分析，劃定的基礎上結合鉆孔資料，模擬從地表至基巖以150～200m/s的遞增地層平均速度進行逐層時深換算，最后繪制物探解釋剖面圖。
二、在設計階段用以彌補特殊地段鉆探工作的不足
1.南京鐵路站前廣場采用綜合物探的方法，解決不同基巖的分界及巖溶的工程地質問題
1993年地鐵1號線選線論證時，曾在工程地質勘察J49孔強風化灰巖中發現有溶洞存在，引起了南京地鐵籌建處的重視，如進行加密鉆探工作，難度較大。1998年委托工程物探單位采用綜合物探手段對南京鐵路站前廣場地下巖溶發育狀況進行勘察，為地鐵設計提供工程地質依據。
采用以淺層地震橫波反射方法為主，縱波反射、探地雷達探測為輔，跨孔地震波層析成像驗證的工作方法。
管家橋—御道街局部橫波反射時間部面圖
T5波組反映了基巖形態，在同一測線上，具有兩個特征， 一是兩側同相軸間不明顯錯斷接觸，另一是兩側同相軸間是斜坡過渡接觸，西側同相軸較光滑，而東側稍有起伏；推斷上述兩種特征為兩側不同巖性接觸界線之反映，結合鉆孔資料分析，兩側為中三疊統周沖組灰巖，較均質，估計它在該區膏鹽不發育，古環境為低地形；西側為燕山期閃長玢巖，古環境為高地形，因風化剝蝕作用形成了其表面不平整，見微小起伏特征。根據閃長玢巖與灰巖形態特征推測兩者間的界線大致沿地鐵1號站位北緣展布，該界線向西可能在J48鉆孔南側通過后往西北拐折，即玖園內屬閃長玢巖分布區。
T5波組以下尚存在二組較強烈的反射波組（T51與T52），其形態與T5不盡相同，推斷它可能與基巖內不同的風化界面有關。由上述3個基巖反射波組連續性特征分析，認為存在兩種異常：，一是T5波組完整，但其下兩個波組出現能量減弱，缺失或波形雜亂特征 Ⅳ線橫波反射地震時間剖面圖
二是T5波組出現局部紊亂特征，G3、G4孔揭示為閃長玢巖內矽卡巖化、大理巖化灰巖存在，推斷它可能屬捕擄體。
2.南京車站地鐵站采用工程物探的方法，搞清了基巖面變化復雜的地質情況，調整了初步設計線路位置
2000年南京站地鐵站在進行詳勘時發現50m間距的鉆孔勘察，未能控制住區內基巖起伏形態。在區內如鐵軌間、站臺內特殊地段均不能再加密布設鉆孔。采用淺層地震橫波反射及面波2種工程物探的方法，查清了區內第四系厚度的變化及基巖起伏形態。確定區內基巖起伏埋深在4～31m之間，幅差達27m。其中在火車站出站口附近及西側地下通道以西為基巖埋深突變區，分別向北、向東急劇拉開。這一結論與初勘結果差別較大，致使地鐵入站的線路進行了設計調整。
3.紅山動物園采用工程物探方法彌補了鉆探工作難以解決的地質問題
2001年4月南京地鐵1號線已分段進入施工及詳勘階段，在南京—東井亭區間詳勘中，于紅山動物園XND11、XND14孔中見溶洞現象，引起地鐵指揮部及工程監理單位的重視。由于區內地處動物園珍禽孵化廠內，鉆孔的噪聲影響珍禽的生活，使鉆探工作不能進行。采用工程物探方法，要求查明基巖起伏形態，埋深及地下巖溶、斷裂分布特征。
結合本區地貌（丘陵）及地質條件分析，認為單一的物探方法難以解決所查明的地質問題，擬采用綜合物探技術，其思路為：
采用淺層地震橫波反射法確定區內基巖面宏觀形態，埋深及部分溶洞。
采用瞬變電磁測深確定區內巖溶及斷裂分布特征。
采用高密度電法對上述兩種方法推斷成果進行核查和評價。
通過本次綜合物探勘察，得到了區內基巖的埋深及形態，基巖面形態北東側呈隆起，南東側呈單斜特征。
由基巖隆起往南西側，分布一條北北東向淺部巖溶帶，寬3.4～14m，控制長度95m左右，該帶巖溶連通性為管道～滲透流，流向南西，是本區淺部重要的輸水線。基巖隆起及其北側，推測分布另一淺部巖溶帶，控制長度約15m，水流向北。在北－東北向淺部巖溶帶之下存在一條貫通全區的深部巖溶帶，兩者間水力聯系弱。推斷本區存在兩條北西向斷裂，F1為斷裂破碎或裂隙帶，傾向南，F2為扭性斷裂，陡傾。
上述工作結果（見圖3）彌補了鉆探工作的不足，完成了詳勘任務。
三、采用工程物探的方法解決施工階段的疑難問題
尋找地下不明障礙物
南京地鐵1號線T15標段采用盾構方法施工，需要安全穿過玄武湖隧道下方。玄武湖隧道在施工過程進行過地基加固處理。需物探查明土層內壓密注漿加固施工中殘留鋼管和直徑大于5cm以上的石塊。該項目工作采用美國產SIR-2型探地雷達及其配套500MHz、100MHz屏蔽天線。探測方式為沿剖面的連續掃描，線距按1m間距布設。
使用100MHz屏蔽天線時所選用記錄長度分別為200ns、250ns、300ns，使用500MHz屏蔽天線時所選用記錄長度分別為200ns、250ns。
結果對玄武湖隧道的底部混凝土與下方鋪墊碎石層情況吻合，壓密注漿后在淤泥粉質黏土層內水泥固結的形狀，范圍均有反映。并發現兩處良導體的異常，后經委托方核實為玄武湖公路隧道泄水管。結論認為：在探測范圍內下方未發現壓密注漿殘留鋼管和直徑大于50cm的石塊。委托方盾構已安全通過玄武湖公路隧道下方。
四、工程物探在地鐵勘察中的優缺點
1.優 點
（1）避免立項前期投入大規模的地質鉆探工作和需要的市政、交警等多方面的協助及地下管線、人防工程等各方面的資料。
（2）工程物探方法是采用儀器進行探測→無損探測，回避鉆探勘察對城市環境、交通……等環境影響問題。
（3）節省了立項經費。南京地鐵2號線一期工程20km的工程物探勘察費用為40余萬元，大大低于同期常規地質勘察費用。
（4）在相對短的時間內，提供沿線幾十千米的較完整的工程地質資料，提供基巖、主要工程地質層位的埋深、斷裂構造、古河道的分布等情況。
（5）工程物探一般可連續觀測，對解決層位起伏變化比較大的斷裂分布的地質問題，優于常規鉆探“點測”的結果。
2.缺 點
（1）需要探測目標具有物性前提（如密度、電、磁等物性），不同巖層介質物性差越大，勘察效果越好。如“粉砂”與“細砂”這類物性差相對較小的層位劃分就不如鉆探勘察結果明了詳細。
（2）工程物探是一種間接勘察，外業數據采集后一般需要數據處理及地質解釋之后才能得到較為滿意的結果，這些均與勘察單位所采用的方法、技術、地質解釋水平密切相關。
（3）不能提供工程上所需要的各項巖土力學參數，必須與鉆探工作配合才能獲取工程上所需的最佳結果。