1、工程物探在地铁越江隧道勘查中的应用摘 要:这里介绍了工程物探在地铁越江隧道勘查中的应用,根据现场条件、物性差异和干扰情况,合理地选择了综合物探方法技术,为了提高勘查精度,采取了有效措施和适当的数据处理方法,获得了良好的地质效果,为地铁越江隧道设计提供了科学依据。关键词:工程物探;应用;合理地选择;地质效果0 前言为了满足上海地铁 M8 线越江隧道设计及盾构推进工程的需要,在浦西的江边路轮渡码头与浦东的周家嘴轮渡码头之间的黄浦江水域(约500m 宽)进行物探勘查工作,期望在短期内快速、经济地查明江底及江底以下障碍物(如废弃的构筑物、桩基、沉船、铁锚、炸弹等)的分布情况;查明测区内江底地形,水面下
2、 50m 深度范围内的地层分布,包括不良地质滑坡等。针对所要解决问题的性质、工作环境及地质情况等,选用了浅层地震、浅层剖面、水上磁测、侧扫声纳及双频测深等综合物探方法工作,取得了良好的勘查效果,为地铁越江隧道设计提供了依据。1 工程物探方法技术的选择工程物探之所以能查明有关的地质和工程问题,是因为要探测的对象与周围介质之间存在某种物性差异。工区的地层为第四系的沉积物,地层自上而下一般为淤泥质粘土、粘土、粉土、粉砂、砂层等,而要查明的障碍物与地层相比、各地层之间存在有明显的物性差异,这些差异正是利用物探方法解决问题的前提条件。但由于环境条件十分复杂, 地处黄浦江下游,受涨、落潮的影响水流较急,并
3、且黄浦江的二岸均为轮渡码头,客运十分繁忙,再加上连续不断往来的货运船只,这些环境因素的干扰给探测工作带来了较大的困难;并且本次工作所要解决问题的难度很大,因此必须合理地选择物探方法技术组合。选择思路:(1)采用浅层地震反射波法查明测区内水面下 50m 深度范围内的地层分布,包括不良地质滑坡及障碍物。(2)采用浅层剖面法查明测区内障碍物、浅部地层分布,包括不良地质滑坡等。(3)采用侧扫声纳及磁测查找测区内废弃的构筑物、桩基、沉船、铁锚、炸弹等江底及埋于江底沉积地层中的金属物体。(4)采用双频测深查明江底精细地形的变化情况。选择以上几种物探方法各有优点和局限性,但采用综合物探方法工作,可以取长补短
4、,互相补充,互相验证,满足工程勘察需要。本次水域勘查使用的各种物探方法均采用连续测量的工作方式,测点定位采用动态 GPS 导航系统,数据采集系统自动将物探仪器与 GPS 的定位数据对应起来,实现了实时定位。为了精确提供深度资料,避免不同时间潮差对勘查结果所带来的水深影响,在江边轮渡码头每 10min 做一次潮位观测,以便进行潮位改正。1.1 浅层地震仪器设备采用:美国 NX 浅层地震仪;激发震源采用高压空气枪震源激发;接收装置采用专用的水上漂浮电缆,主频 100Hz,道距 2m,道数 24 道。采用水上纵波共反射点叠加技术,施工时将接收电缆牵挂于船尾向后延伸,激发气枪同挂于船尾,二者入水一定深
5、度,并保持一定距离,实行连续走航定时激发与接收。工作前,在现场认真地进行了参数选择试验,合理地选择工作参数如下:激发气压为 9MPa12MPa;激发间隔为 5s;震源入水深度为 1.0m;电缆入水深度为 0.7m;偏移距 16.0m;覆盖次数为 3 次;记录长度为 250ms,采样率为 0.2ms。地震资料处理根据实测的航迹进行有效炮序记录的抽选,重构新炮序文件,然后进行处理,处理流程为:解编道编辑真振幅恢复多道反褶积速度分析动校正叠加FK 滤波去噪滤波动平衡等。水上浅层地震勘探中的主要干扰波是水底多次干扰波和交混回响效应,为了正确地对有效波(包括水底、第四系主要层位的反射)进行有效叠加处理,
6、在对地震资料进行常规处理的同时,着重进行速度分析;在常规处理的基础上,再进行真振幅恢复、多道反褶积、FK 滤波等特殊处理,以及动平衡、剖面滤波、归一化等修饰处理,以期达到突出有效波、压制干扰之目的,最终形成反射地震时间剖面。1.2 浅层剖面仪器设备采用:英国地声公司生产的 Geochirp 型浅层剖面仪;声波震源为水下拖曳的电火花声源系统,该声源系统和接收器以固定的间距装在同一容器中,称之为拖鱼。工作时将拖鱼固定于船侧,入水一定深度,通过信号电缆和装在船上的采集系统连接,采用连续采样方式工作。工作参数通过现场试验确定,工作参数选择如下:拖鱼入水深度 2.0m;工作频率 2kHz7kHz;扫描长
7、度32ms。浅层剖面资料处理主要是航迹分析、带通滤波、纵向滤波、时深转换等。1.3 水上磁测采用加拿大产的 MP-4 型磁力仪。工作时将磁力仪固定于漂浮器(非金属)上,拖曳漂浮器的绳索固定于船尾,信号线与仪器连接,连续走航自动采集,数据采集为 1 次/s。针对黄浦江水域磁测干扰较大的特点,采取如下措施:选择木船;拖曳电缆离船尽量远,本次取 20m;必须进行日变改正;操作员及时记录测线周围的通航及岸边干扰情况,以便排出过往船只或附近铁磁性物体的影响。数据处理工作包括:日变改正、坐标校正、正常场改正、数据切除(干扰信号)、化极、滤波、向上、向下延拓、二阶导数等处理。1.4 侧扫声纳采用英国 ULT
8、RAELECTRONICS 生产的双频高分辨率侧扫声纳系统,声源与采集器均固化在一个探头内。该系统具有图像校正、自动范围适应增益控制,根据不同的操作条件,选择适当脉冲长度优化声纳成像,对水底地形、建筑物及沉船等进行清晰、直观的成像。本次横向勘查范围每侧为 50.0m。在施工时,可将侧扫声纳扫描拖曳探头固定于船侧,入水深度 3.0m,采用船侧悬挂工作方式,连续采集自动记录。为增加分辨率,选用高频率325kHz,短脉冲 28s,波束形态水平角 0.6,垂直角 32。1.5 双频测深采用美国内层空间技术公司 INNERSPACEINC.USA 生产的 449M 型双频测深仪。施工时将双频测深的换能器
9、固定于船侧,连续走航测试,经试验选用发射频率 208kHz,发射功率 250W,脉冲长度 0.15s。测试工作前后均要对测深仪器进行标定。2 综合资料的分析与解释2.1 江底地形特征从双频测深剖面图、浅层剖面图及解释的江底地形剖面图可以看出,黄浦江北岸附近江底坡度较缓,南岸附近江底坡度稍陡,江中心至近南岸侧江底地形基本平坦,只有细微的起伏。北岸最浅处高程为 2m,江中最深处高程为-12.03m,南岸最浅处高程为 1.3m。测区内自东向西江底地形基本平坦,除江中最深处略有变化外,均无明显差异。2.2 江底地层划分2.2.1 浅层剖面、浅层地震波组特征分析物探波组划分主要依据浅层剖面、浅层地震时间
10、剖面反射波组的波形特征,通过对波组的走时、频率、相位、强度及连续性等对比分析,将测区 80.0m 深度范围内划分为六个有效波组(T1、T、T2、T3、T4、T5),见下页图 4 及图 5,分述如下:(1)T1 波组:在浅层剖面上反映亮点呈黑色,能量强,可连续追踪;在浅震剖面上反映其反射能量强、连续性好、起伏大,由二个同相轴构成,相位出现在 6ms20ms,为江底反映。(2)T1波组:在浅层剖面上反映亮点呈浅灰色,能量较强,可连续追踪,为淤泥质杂填土与粉质粘土之间的分层面的反映。(3)T2 波组:地震反射能量强弱不一,总体较平缓,由一个同相轴构成,相位出现在 23ms28ms,为粉质粘土和淤泥质
11、粘土之间分界面的反映。(4)T3 波组:反射能量强弱不一,整条测线可连续追踪,较平缓,由一个同相轴构成,相位出现在 32ms40ms,为淤泥质粘土与砂质粉土之间的分界面的反映。(5)T4 波组:反射能量较强,整条测线可连续追踪,界面平缓,由一个同相轴构成,相位出现在 42ms50ms;为砂质粉土与粉细砂之间的分界面的反映。(6)T5 波组:反射能量较强,整条测线可连续追踪,较平缓,由一个同相轴构成,相位出现在 90ms100ms,为粉细砂与粘土的分界面的反映。2.2.2 地质分层经过对浅层剖面、浅层地震波组特征的分析,并结合地质资料,将第四系的沉积地层划分为六层,见图六,自上而下推测为:淤泥质
12、杂填土(T1T1)、粉质粘土(T1T2)、淤泥质粘土(T2T3)、砂质粉土(T3T4)、粉细砂(T4T5)、粘土(T5以下)。浅层地震的其它时间剖面与图 5 相比,测区内所有地震时间剖面有效反射波的走时、相位特征几乎一致,说明区内地层岩性基本没有变化,江底沉积层中无明显的软弱夹层存在,地层分布较平缓,测区内无滑坡体。2.3 物探异常的综合解释本次采用综合物探方法工作,共发现三个物探异常,其中图 6 为 1号异常浅层剖面图,该异常体位于测区最北侧的码头附近,规模稍大,在浅层剖面上反映为一清晰可见的亮点呈黑色的短同相轴,同相轴的倾角较大,为异常体一侧的反映,异常体呈不规则枝状分布,最大长度约 64
13、m,宽约15.5m,顶标高-18.5m,底标高-31.9m。该异常体在浅层地震剖面图上也有反映,见图 7。另外二个异常在浅层剖面图上反映较明显,呈弧形和单边抛物线形同相轴,在浅层地震剖面图上也有不同程度地反映,达到了相互印证的目的。测区内磁场分布特征看较平缓,对应三个异常体均无磁异常,从而可排除金属物体(如沉船、铁锚、钢筋混凝土桩或块体等)引起异常的可能性,对解释提供了进一步的佐证,又补充了浅剖、浅层地震存在的不足。经过对综合物探成果资料、地层分布特征的综合分析,推断三个异常为不均匀地质体引起。3 结论物探作为工程建设勘查的辅助手段,必须针对工程的需要选用合适的勘查方法技术,本次采用的几种综合
14、物探方法组合,取得了较好的勘查成果。采用浅层地震、浅层剖面法查明了测区内水面下 50m 深度范围内的地层分布,包括不良地质滑坡及障碍物。但前者对规模较小的障碍物或超浅地层(水面下 20m 以内)分层难以分辨,因此主要用于水面 20m 以下地层分层和障碍物探测;后者由于江底以下第四系地层对声波吸收较明显,因此主要用于超浅地层(水面下 20m 以内)分层和障碍物探测,二种方法互相补充、验证。采用侧扫声纳、磁测查找测区内废弃的构筑物、桩基、沉船、铁锚、炸弹等江底及埋于江底沉积地层中的金属物体,侧扫声纳探测分辨率很高(江底直径 10mm 钢丝绳能清除的测到),但只能探测江底表面的物体,对埋于地下的物体
15、无能为力;磁测可以探测江底及江底以下的金属物体,并可为浅层地震、浅层剖面探测的金属障碍物定性提供依据。采用双频测深查明了江底精细地形(精度 0.1m)的变化情况,为划分的地层和探测的障碍物确定符合工程要求的高程提供可靠的数据,也为地铁设计埋深提供了可靠的依据。总之,利用综合物探资料解释可以互相补充、印证,目前该解释推断成果经过地铁隧道施工验证,证明资料准确、可靠,为地铁越江隧道设计提供了科学依据。本成果主要参考上海京海工程技术公司马文亮、卢秋芽、刘建军等 2001 年 12 月编写的上海市轨道交通杨浦线(M8 线)工程黄浦江中段水上物探勘查报告,在此,向参加本工作的同志表示感谢。参考文献:1刘
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