主动源面波采集装置改进及在地铁施工勘察中的应用

doi:10.11720/wtyht.2024.1132

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摘要

随着城市的快速发展,地铁隧道的加速施工,对隧道掘进前方不良地质体探测的需求越来越迫切。传统的电磁类方法在高电磁干扰的城镇环境中,难以取得良好的探测效果。主动源面波勘探因抗干扰能力强、采集装置便捷、施工成本低等特点,在城市浅地表勘察、工程物探中越来越受人们的青睐。而传统的主动源反射地震法仅能采用激发能量有限的重锤作为震源,且采集信号极易被城市活动干扰,同时城市柏油或水泥路面不利于检波器的放置以及锤击震源信号的激发,本文针对这一问题,分别对检波器装置和震源装置进行了低成本改进,改进后的面波采集装置使用起来方便高效。经实际工程探测验证,装置改进后所采集的面波信号能量强、信噪比高,数据质量好,反演成像效果好,揭示的地质缺陷与实际情况对应良好。改进后的采集装置在城市主动源面波勘探中,具有良好的推广价值和借鉴意义。

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	秦长春
	王国顺
	李婧

关键词 ：主动源面波, 采集装置, 地铁工程, 城市环境, 工程勘察

Abstract：

With the rapid development of cities and the accelerated construction of subway tunnels,there is an urgent demand for the detection of unfavorable geological bodies ahead of tunnel excavation.It is difficult for traditional electromagnetic methods to yield excellent detection results in an urban environment with high electromagnetic interference.Active-source surface wave exploration has gained increasing popularity in shallow superficial exploration and engineering geophysical prospecting in cities due to its strong anti-interference,convenient acquisition devices,and low construction cost.However,the traditional active-source reflection seismic method uses only a heavy hammer with limited excitation energy as a seismic source,and the collected signals are prone to be disturbed by urban activities.Meanwhile,the asphalt or cement pavement in urban areas is unfavorable for the placement of geophones and the excitation of seismic signals from a hammer.Given these,this study improved the geophones and seismic source devices at low costs,obtaining a more efficient and user-friendly surface wave acquisition device.As confirmed by practical engineering exploration,the improved device can collect surface-wave signals with strong energy and high signal-to-noise ratios,resulting in high-quality data,desirable inversion and imaging results,and high consistency between the geological defects and actual geological conditions.The improved acquisition device can be extensively promoted and referenced in active-source surface wave exploration in cities.

Key words： active source surface wave acquisition device subway project urban environment engineering exploration

收稿日期: 2023-04-20 修回日期: 2023-12-26 出版日期: 2024-02-20

ZTFLH:

P631.4

基金资助:陕西省地质勘查基金项目(61201707319)

作者简介: 秦长春(1984-),男,地球物理勘查与遥感高级工程师,2006年本科毕业于中国地质大学(武汉)地球物理学专业,获学士学位,2014年7月获中国地质大学(北京)地质工程领域工程硕士学位,长期从事地球物理勘查及相关研究工作。Email:1006324483@qq.com

引用本文:

秦长春, 王国顺, 李婧. 主动源面波采集装置改进及在地铁施工勘察中的应用[J]. 物探与化探, 2024, 48(1): 264-271.
QIN Chang-Chun, WANG Guo-Shun, LI Jing. Improvement in active-source surface wave acquisition device and its application in subway construction exploration. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(1): 264-271.

链接本文:

https://www.wutanyuhuatan.com/CN/10.11720/wtyht.2024.1132 或 https://www.wutanyuhuatan.com/CN/Y2024/V48/I1/264

Fig.1 常规检波器

Fig.2 三角支架

Fig.3 安装了检波器的三角支架

Fig.4 面波记录对比
a—检波器在三角支架上在坚硬路面的面波记录;b—检波器插入泥土中的面波记录

Fig.5 普通重锤

Fig.6 穿心重锤

Fig.7 应急救援三脚架

Fig.8 永磁起重机

Fig.9 优化改进后的震源装置系统

Fig.10 面波记录对比
a—利用15磅锤击震源的面波记录;b—利用改进后震源的面波记录

Fig.11 面波记录对比
a—泥土中的面波记录;b—水泥路面上的面波记录;c—水泥路面上改进后震源的面波记录

土层编号	土层名称与时代成因	范围值/m			岩性描述
土层编号	土层名称与时代成因	层厚	层底深度	层底高程	颜色	密实度	包含物及其它特征
1-1( $Q 4 m l$ )	杂填土	0.7	0.7	391.99	杂色	稍密	杂色,稍湿,土质不均,成份以建筑垃圾为主,含少量黏性土。地表0.2m为混凝土路面。
1-2( $Q 4 m l$ )	素填土	1.8~3.0 (平均2.44)	1.8~3.0	391.18~389.49	褐黄色	稍密	以黏性土为主,含少量碎砖块,土质疏密不均,顶部通常有0.2~0.3 m的砼地面。
3-1-1( $Q 3 e o l$ )	新黄土	9.5~13.1 (平均10.89)	12.5~14.2	380.35~378.29	褐黄色	/	土质均匀,大孔、针孔及垂直节理发育,含钙膜,偶见蜗牛壳。具湿陷性。I_L=0.05, a_1-2=0.49 MPa^-1,属中偏高压缩性土。
3-2( $Q 3 e l$ )	古土壤	1.1~5.2 (平均4.46)	17.0~18.5	375.98~374.19	黄褐~黄褐色	/	土质较均,局部略显团粒结构,具大孔、针孔。含较多钙质条斑,底部0.2 m含较多钙质结核,粒径一般0.5~1 cm,大者2~3 cm,具湿陷性;I_L=0.27, a_1-2=0.28 MPa^-1,属中等压缩性土。
3-4( $Q 3 a l$ )	粉质黏土	1.1~14.8 (平均4.47)	30.8~56.4	361.73~335.56	灰黄~黄灰色	/	土质均匀,含氧化铁条纹及锰质斑点,局部含钙质粉末。液性指数I_L=0.25,a_1-2=0.23 MPa^-1,属中等压缩性土。
3-5( $Q 3 a l$ )	粉土	0.5~0.9 (平均4.47)	18.4~19.0	373.69~373.59	褐黄色	密实	厚度小,不连续。分布于3-2层古土壤之下。土质均匀,较纯净,含钙质条斑,具针孔。W=18.5%,e=0.543,a_1-2=0.13 MPa^-1,属中偏低压缩性土。
3-6( $Q 3 a l$ )	细砂	1.5~6.6 (平均3.54)	18.5~33.6	374.18~359.38	灰黄~褐黄	密实	以透镜体状分布于3-7层中,稍湿~饱和,颗粒成分以石英、长石为主,局部夹粉质粘土、粉土薄层。N=55.4击;属低压缩性土,密实。
3-7( $Q 3 a l$ )	中砂	1.2~11.2 (平均4.09)	27.5~53.0	364.49~338.96	灰黄色	密实	分布于场地中部,与3-4粉质黏土交互出现,局部地段相变为粗砂。颗粒成分以石英、长石为主,局部含砾,分选好,级配不良,夹粉质黏土、粉细砂、粗砂、砾砂等夹层,含砾。N=58.1击,密实;属低压缩性土
3-8( $Q 3 a l$ )	粗砂	9.4	29.6	362.93	灰黄色	密实	以透镜体状夹于3-7中砂层中。颗粒成分以石英、长石为主,局部含砾,分选好,级配不良,夹粉质黏土、粉细砂、砾砂等夹层,含砾。N=63.5击,密实。低压缩性土。

Table 1 勘查区地层综合描述

Fig.12 测线布置方位示意

Fig.13 面波记录和对应的频散曲线
a—1线2测点的面波记录;b—1线2测点的频散曲线;c—2线2测点的面波记录;d—2线2测点的频散曲线

Fig.14 Line1面波频散曲线反演二维横波速度—深度剖面

Fig.15 Line2面波频散曲线反演二维横波速度—深度剖面

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