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物探方法在黄河隧道穿越工程中的应用

发表时间：2020/11/17 来源：《基层建设》2020年第22期作者：田伟

[导读] 摘要：物探工作期间正值冬季，工程穿越黄河处主河道宽约240m，水深1～5m，水流较为湍急，自西南向东北方向流动，两岸农田地形平坦，地表植被发育，多为芦苇，杂草覆盖，地表为第四系地层覆盖，主要由浅灰色、土黄色黏土层，粉土和细砂层组成。

        台前黄河河务局河南 457600
        摘要：物探工作期间正值冬季，工程穿越黄河处主河道宽约240m，水深1～5m，水流较为湍急，自西南向东北方向流动，两岸农田地形平坦，地表植被发育，多为芦苇，杂草覆盖，地表为第四系地层覆盖，主要由浅灰色、土黄色黏土层，粉土和细砂层组成。钻孔实际揭露厚度大于60m，地层含水率高，电阻率值一般在10～100Ω•m，随着地层含水性和矿化度多少而变化。含水矿化度高时，电阻率降低，当地层中出现一定规模的空洞或地质异常时也会引起电阻率的异常，从而为以导电性差异为应用前提的高密度电阻率法探测技术的应用提供了良好的地球物理前提。
        关键词：物探方法；黄河隧道；穿越工程；应用
        1隧道工程物探地球物理条件
        隧道工程物探中，覆盖层是指松散低速层，包括第四系粘土层、全、强风化基岩。覆盖层纵波平均速度较低，一般在600～1500m/s，弱、微风化基岩纵波速度一般大于2000m/s。覆盖层与弱、微风化基岩存在较在的波速差异，覆盖层与弱、微风化基岩间也一般存在明显电性差异，具备地震折射法、高密度电法勘察的地球物理前提。
        隧道段断裂构造用岩溶等不良地质体发育时，因为基岩破碎至波速明显降低，破碎含水性高而至明显低电性;基岩岩性变化时，岩性分界线两侧往往有明显波速或电性差异。具备应用地震折射波、高密度电法、大地电磁测深法（EH-4）勘察断裂构造等不良地质体及确定岩性分界的地球物理前提。
        2方法的基本原理
        工程物探方法种类多，需要根据探测对象的物性差异和规模以及不同方法的适用性有针对性地选择。通过仪器观测自然或人工物理场的变化，确定地下地质体的空间展布范围(大小、形状、埋深等)并测定岩土体的物性参数。常用的物探方法包括浅层地震法、高密度电阻率法、瞬变电磁法、探地雷达法等，各种物探方法都有其特定的条件性和局限性，成果解译均不同程度地存在多解性。因此，常常选择多种方法进行综合物探勘查，并利用已有地质、钻探资料进行校正。
        2.1高密度电阻率法
        高密度电阻率法集中了电剖面法和电测深法，其原理与普通电阻率法相同，所不同的是在观测中设置了高密度的观测点，是一种阵列勘探方法，电极布置一次性完成，减少了因电极设置引起的故障和干扰，可以选用多种电极排列方式进行测量。通过对地表不同部位人工电场的扫描测量，获得丰富的有关地电断面的信息，同时野外数据采集实现了自动化或半自动化，提高了数据采集速度，避免了手工误操作。野外采集到的原始数据传入计算机后，经过数据格式转换、点号改正、坏点剔除、深度转换、地形改正、数据反演和数据成图等流程处理后，形成视电阻率断面图像，可以详细反映地下介质视电阻率水平和垂直方向上的变化，推断解释地下地质体的情况。
        2.2探地雷达法
        探地雷达法以地下介质的介电常数差异为基础，通过发射天线向地下以宽频带短脉冲形式发射高频电磁波，雷达电磁波在地下传播过程中遇到存在电性差异的地层介质或地质异常目标体时，发生反射返回地面，由接收天线接收并记录，高频电磁波在介质中传播时，其传播路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性特征及几何形态而变化。通过对时域波形的采集、处理和分析，依据波的旅行时间(双程走时)、波形、强度、几何形态等因素，来确定地下分界面或地质体的空间位置及结构等参数。探地雷达法具有分辨率高、探测速度快、可实现连续扫描结果实时显示等优点。
        受地层介电常数和雷达天线频率影响，该方法主要应用在几米到30m左右的深度范围，地层相对介电常数大小随着含水率的增大而增大，基本上可以认为呈线性关系，雷达天线中心频率的大小直接关系到电磁波的透地能力。一般来说，探测深度与天线频率呈反比关系。
        3实际应用效果
        3.1探地雷达法
        探地雷达测量工作分为3段:黄河东、西两岸和黄河水面段，采用SIＲ-4000型探地雷达及其100MHz和200MHz屏蔽天线以及40MHz非屏蔽低频天线，黄河两岸地段采用点测方式，点距0.5m，叠加次数为40次。

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黄河水面采用连续测量方式，扫描数、采样频率、记录长度以及发射与接收天线间距等技术参数根据现场试验和各不同频率天线特征调整，兼顾目标体深度与尺寸，在满足分辨率且场地条件允许下，尽量选择主频较低的天线，航迹由GPS实时记录。数据处理采用ＲADAN7探地雷达后处理软件，对原始数据进行调零、滤波、去噪、均衡等处理，利用地层介质电磁波传播速度完成雷达波双程走时的时深换算后，用作判读、解释和计算的基本图件。
        采集水面的雷达数据时，将雷达天线和GPS固定在橡皮筏上，用尼龙绳将橡皮筏与快艇连接，尽量保持二者较远的距离，以避免快艇对雷达天线的干扰。操作人员在快艇上适时调整采集参数并监控采集质量，快艇在保证直线行驶的前提下尽量放慢速度。根据施工钻孔资料，黄河两岸地表分布1～3m的粉土，深部均为细砂，介质均一，在雷达探测剖面上，雷达波呈均匀层状，在测量的深度范围内没有发现明显的地下障碍物及其他地质异常。
        从探地雷达水上测量剖面结果来看，河道两侧反射波清晰，完整连续，没有发现异常反射波形。河底反射波平整连续，没有发现地质异常或水底障碍物引起的波形变化。在探地雷达后处理软件ＲAD-AN7中完成对河底反射层位的标定、追踪，根据对应关系计算出追踪层位的深度，再进行高程校正得到河底标高，将所有测线的层位数据汇总后绘制出测区内黄河河底等高线平面图，测线穿越段黄河河床标高在+1102.5～+1106.0m(。
        3.2高密度电阻率法
        野外使用DZD-8型高密度电阻率法仪，采用温纳(WN)α装置电极排列，120道电极穿越黄河水陆联合长剖面连续采集，电极间隔5m，隔离系数n(min)=1;n(max)=20。数据处理反演使用Ｒes2dinv软件，反演使用联合反演最小二乘法，利用Ｒes2dinv软件中的“预处理”功能将坏点剔除，并进行适当滤波处理，地形改正和深度转换后，生成反演成果图件。穿越黄河水面时，将电缆绑在粗尼龙绳上，两端固定在河岸，每道电极均固定在40cm×40cm、厚5cm的泡沫板上，并采用防水胶带缠绕，防止漏电和倾覆，这样电缆和电极均匀分布在间隔5m的泡沫板上，可以确保每道电极漂浮在水面。横向由粗尼龙绳固定，保证测线基本呈曲率较小的弯线，事先计算好长剖面重复电极数，即可保证河面的电极只需要测量1次，减小施工难度。高密度测线起点在滨河大道路边，横穿黄河，160～350m处为黄河河道段。2条测线间隔80m，从反演剖面来看，结果基本一致，可以分为3个部分。其中，黄河西岸视电阻率呈现中高阻特征，电阻率变化范围在30～60Ω•m，视电阻率值变化均匀，范围较小，结合钻孔资料，推断为地下水矿化度较低引起，西岸地下水补给来源为第四系松散岩类孔隙水，矿化度较低。160～210m位置出现视电阻率值局部异常，异常值变化范围较小，深度在15m左右，结合钻孔资料推断为松散物粒径变化所引起。70～90m位置是盾构井位置，300～330m处推断解释为古河道。东岸视电阻率呈现低阻特征，电阻率变化范围在5～10Ω•m，推断为地下水矿化度较高的细砂引起，变化幅度不大，横向差异性小，介质较均匀。
        电阻率低主要受地下水矿化度高的影响，黄河东岸地层受到高矿化度地下水影响无法划分地层，需要依靠钻孔划分地层。高矿化度地下水有可能对地下建筑腐蚀较强，在施工时应引起足够重视。在探测深度范围内，未发现明显的地下障碍物及地质异常体。
        结束语
        此次工程物探勘察工作围绕勘查任务要求，有针对性采用探地雷达和高密度电阻率法穿越黄河水域，绘制了黄河河底标高等值线图、中轴线河底地形剖面图。查清了探测深度范围内地层结构，详细排查了地下障碍物及地质异常体。
        (1)2种工作方法是穿越水域施工有效的物探方法，经与钻孔资料对比，解释结果可靠，精度满足探测要求，为工程建设提供了可靠的基础资料。节约了勘察成本，经济效益明显，也为类似水域工程物探勘察积累了经验。
        (2)总结了探地雷达和高密度电阻率法在水域施工的技术难点，提出了切实可行的解决措施，野外资料采集质量满足设计质量技术指标;黄河水流较为湍急，2种方法在河道测量过程中都难以完全做到直线施工，此外黄河含泥沙量给探测的结果带来一定影响。
        参考文献
        [1]张胜业.应用地球物理学原理[M].武汉:中国地质大学出版社，2004
        [2]邱小峰.高密度电阻率法在探测地下雨污水管道中的应用[J].工程地球物理学报，2019，16(1):97-100.