综合物探方法在地铁孤石探测中的应用研究

　　摘要：孤石是花岗岩不均匀风化所残留的风化核，具有空间分布不规律、埋藏深度不定、粒径不均等主要特征，给地铁盾构施工带来重大安全风险.在地铁工程建设中,孤石精准探测一直都是城市地铁盾构施工亟待解决的重要难题之一.本文针对以往单一物探方法探测孤石可靠性和精度相对较低，难以实现孤石体空间精准定位问题，提出一套孤石体精准定位物探方法组合探测技术，即以大深度探地雷达快速侦查孤石体的发育范围、微动法确定垂向边界、等值反磁通瞬变电磁法确定横向边界.福州地铁F1线葫芦山北侧的孤石探测应用示范结果表明：优选物探方法组合充分利用了三种方法之间可实现相互补充、相互验证的优势，有效避免了单方法存在多解性和干扰引起的假异常；结合已知地质和钻孔等资料校准了地层结构，实现了孤石体在三维空间的精准表达，对优化孤石探测技术、节约探测成本和实现无损、绿色勘查具有重要的意义.

　　关键词：优选物探方法组合；孤石探测；大深度探地雷达；微动；等值反磁通瞬变电磁

　　1引言

　　我国南方沿海地区广泛发育燕山期花岗岩，花岗岩构造裂隙发育，基岩易沿裂隙面风化，长期风化过程中，花岗岩中不易风化的残留核（球状风化核），俗称孤石(鲍晓东,2004;刘宏岳等,2004).孤石发育的主要影响因素有花岗岩的矿物组成、结构、构造、岩体节理发育程度、温度、地形、水文条件等等，导致其具有埋藏深度不定、粒径不均、形态各异等随机性特征，但在空间上也具有有以下分布规律：①孤石一般分布于花岗岩隆起区两侧的全-强风化带中，越靠近花岗岩隆起中心位置，粒径越大，数量越多.②随着与花岗岩风化面的距离变小，孤石分布密度减小但体积增大，即有“上多下少，上小下大”的分布规律特性.③风化程度增强时，孤石体积减小，数量会增多，故全风化带中一般存在体积较小的孤石，强风化带中一般存在体积较大的孤石.

　　2方法技术

　　2.1单方法技术简介

　　探地雷达工作原理示意图如图1所示，图中T为发射天线，R为接收天线，x(m)为发射天线T与接收天线R的间距，h(m)为目标体的埋藏深度，r?为地下介质的相对介电常数.该方法利用发射天线T发射高频率宽带调幅脉冲电磁波，接收天线R接收来自地下介质界面的反射波，并根据天线R接收回波的双程时间、幅度和波形等资料，对回波进行相应的数据分析和处理，再结合实际工程地质概况以及其他相关参数，可以推测地下界面或地质体的结构分布、空间位置.本次探测采用加拿大Sensor&Software公司大深度探地雷达(UltrapulseEKKOPRO)仪器.该仪器设备主要有以下三个特点：①发射电压最高可达1000V，远超同类产品；②单点采集时间不足1s,1s可达8192次叠加，时窗长度最高达1200ns;③在不改变采集效率的情况下单道叠加次数最多达到65536次.由于具有较低频率的天线、高达1000V的发射电压、极快的采集速度和极高的叠加次数有效保证了深层信号的信噪比。

　　2.2多方法组合技术体系

　　单一物探方法往往会由于其自身的多解性或外部干扰引起诸多假异常、无异常现象，并且单一物探方法探测孤石体的精度相抵较低，主要以定性识别大型孤石位置为主，无法定量推断孤石大小和边界.通过多种方法试验优选了上述三种物探方法组合，该方法组合具有抗干扰能力强，场地条件受限程度低，工作效率高等诸多优势.本文充分利用大深度探地雷达在面上快速侦查定位孤石发育范围的优势，微动在垂向分层方面的优势，等值反磁通瞬变电磁在横向分辨率高的优势，实现孤石精准探测综合物探方法组合的相互补充和相互验证.

　　3研究区地质和物性特征

　　本次试验区段为福州地铁F1沿线机场-大鹤段，位于福州市长乐区大鹤村路段（如图5所示）.该区段及周边出露地层较简单，主要发育晚侏罗世-晚白垩世地层及第四纪地层.根据该区段的野外钻探、现场原位测试及室内土工实验成果(陈建兴,2019)得到该区地岩土地层主要分布为：上覆人工填土（Q4ml）、全新统第四系地层长乐组（海陆交互相层Q4mc，风积层Q4eol，海陆交互层Q4m）、上更新统东山组（Q3m）、更新统残积层（Qel），下伏基岩为燕山晚期花岗岩（γ53）.其中，上覆人工填土主要包括杂填土、填砂和填石，揭露厚度0.2～5.4m；全新统第四系地层长乐组主要包括粉质黏土、粉细砂、淤泥质土、泥质粉细砂、含泥粉细砂，揭露厚度0.6～19.1m；上更新统东山组（Q3m）主要包括粉质黏土、含砂粉质黏土、泥质粉细砂、含泥粗中砂，揭露厚度0.5～15.7m；更新统残积层（Qel）主要包括坡积粉质黏土和残积砂质粘性土，揭露厚度0.2～19.71m；下伏基岩为燕山晚期花岗岩（γ53）,主要包括全风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩、中风化花岗岩、中风化凝灰熔岩，揭露厚度0.1～25.99m.

　　4多方法数据采集与处理

　　研究区位于福州市长乐区葫芦山北侧的农田荒地(如图6所示)，周边电磁干扰相对较少，地表主要上覆填砂，中间第四系岩性地层依次为粉质黏土、粉细砂、(含泥)粉细砂、淤泥质土、残积砂质黏性土等，下伏基岩依次为全风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩、中风化花岗岩.本次工作主要目的是查明盾构区间内孤石发育位置，分布范围，为保障地铁盾构安全施工提供基础资料.研究区隶属于福州地铁F1线机场-大鹤段钻MJKZ3-25-163～MJKZ3-25-172盾构区间，双向盾构中心线完成6条大深度探地雷达、微动、等值反磁通瞬变电磁测线，点距1m，线距3m，测线长度均为140m.

　　5地质-地球物理综合解释

　　下面以8线(图6中左边第三条线)二维剖面为例，结合图4提出的多方法综合解释流程开展本文三种测量方法的地质-地球物理综合解释，综合物探成果剖面如下图7所示.从图中可以看出：微动视横波速度剖面(图7(a))整体垂向上呈现由浅到深速度不断增加特征，存在明显界面信息,横向高速体顶面变化平缓，反映深部基岩面展布特征；视电阻率剖面(图7(b))整体表现为中高阻-低阻-高阻3层结构；大深度探地雷达剖面(图7(c))显示电磁干扰相对较弱，同相轴连续性较好，对浅表强风化花岗岩顶面反映较好，但对地下深部信号响应较弱.结合钻孔岩性资料，从横波速度剖面(图7(a))划分三个岩性层位，分别为粉细砂层、全-强风化花岗岩层、中风化花岗岩层.其中，粉细砂层底面海拔5～-10m，平均厚度10～20m，呈褐黄色，中密～密实为主，饱和，以粉细砂为主，局部夹有中粗砂，以视横波速度<400m/s划分，在剖面上显示厚度逐渐增加；全-强风化花岗岩层底面海拔-10～-20m，平均厚度8～15m，呈灰黄色，含大量中粗粒石英颗粒、云母及长石，长石大部分风化成粘土矿物，岩石风化剧烈，以横波速度400～550m/s划分，在剖面横向维度上厚度分布变化明显，70～90m区段存在全-强风化花岗岩层凹陷；中风化花岗岩层上顶面海拔-10～-20m，呈灰白色、灰色等，粗粒花岗结构，块状构造，裂隙发育，以横波速度>600m/s划分，层厚分布不均匀.在剖面横向维度120～125m段有一次级断裂发育，与已知钻孔剖面显示基岩面迅速下降相吻合。

　　结论

　　1)本文提出了一套面向孤石探测的优选物探组合方法技术体系和工作流程，充分利用三种方法的异常互补和相互验证的优势，有效避免了干扰引起的假异常，明显提升了孤石体的探测精度，实现了孤石体在三维空间的定量表达.

　　2)当某一水平位置正下方存在多层孤石，且孤石体在垂向上的间隔较小时，使得物探异常在垂向上难以区分多层孤石体，仅显示为一个整体异常，或由于孤石体积太小，很难引起明显的物探异常响应，故优选物探方法组合技术在垂向分辨率方面仍有待进一步提高.

　　3)在地质-地球物理综合解释中，需要充分结合已知钻孔、地质资料用于标定地层岩性界面，进一步提升全-强风化层孤石体的探测精度.

　　References附中文参考文献

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　　赵东东1,张宝松1*，宗全兵2，范福来3，高伟4，李路4，许佳佳5

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