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隨著我國城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，對城市地下空間開發(fā)利用的需求愈發(fā)迫切，準(zhǔn)確定位地下空間的地質(zhì)狀況，對于后續(xù)地下空間的開發(fā)利用非常重要，因此，在地球物理探測技術(shù)解決地下空間探測問題方面開展了大量研究探索。本文將對雄安新區(qū)城市地下空間探測技術(shù)研究成果進(jìn)行介紹。

近年來, 我國城鎮(zhèn)化建設(shè)取得較大的發(fā)展, 圍繞適用于城市地下空間探測的地球物理探測技術(shù)研究取得一系列成果, 但總體而言在城市地質(zhì)結(jié)構(gòu)綜合地球物理探測方面存在技術(shù)方法適用性不明確、技術(shù)方法組合使用不系統(tǒng)等問題，在0–200m淺表地層結(jié)構(gòu)精細(xì)分層方面問題尤其突出。結(jié)合實(shí)際需求的高效、經(jīng)濟(jì)、可行性等方面綜合考量和應(yīng)用仍有亟待探索解決的問題，迫切需要開展城市地下空間地球物理探測方法技術(shù)的評價(jià)工作，以建立適用于城市地質(zhì)調(diào)查的地球物理探測技術(shù)方法體系(文冬光和劉長禮，2006；高亞峰和高亞偉，2007； 張茂省等，2018；彭建兵等，2019)。

通過對已有雄安新區(qū)地層分布和地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究成果的研究，雄安新區(qū)工程地質(zhì)條件總體較好，地面沉降較小，地裂縫較少，但不同程度地存在砂土液化、不良地基等問題(郝愛兵等，2018)，迫切需要圍繞工程建設(shè)開展與工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)合的淺層高分辨地球物理調(diào)查，構(gòu)建工程建設(shè)層三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，建立適用于雄安新區(qū)地下空間精細(xì)成像的地球物理探測技術(shù)體系。

地下空間物性特征

通過對雄安新區(qū)300余口工程地質(zhì)鉆孔的測井參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(主要包括：自然伽馬、自然電位、視電阻率、聲波速度、剪切波速度、溫度、井斜等參數(shù))，得到了200m以淺地層物性參數(shù)表(表1)，建立了測區(qū)物性結(jié)構(gòu)模型(圖2)，為雄安新區(qū)第四系內(nèi)部層位劃分、有利含水層識別及場地適宜性評價(jià)等提供了數(shù)據(jù)支撐。

數(shù)據(jù)分析表明，不同巖性的測井響應(yīng)特征差異明顯。從黏土到粗砂，巖石粒度逐漸變粗，視電阻率逐漸升高，自然伽馬逐漸降低，聲波速度、密度、磁化率、極化率整體升高。同時(shí)，聲波速度和密度又受埋深的影響；磁化率受砂類巖石中磁性礦物含量的影響；極化率受砂類巖石中含水飽和度的影響。

第四系地層整體表現(xiàn)為中低伽馬、低阻、低波速、低密度、中低磁、低極化的特征。各地層間物性相近，差異不大。黏土、粉土、砂等不同巖性的自然伽馬、電阻率等物性參數(shù)差異明顯。測區(qū)砂層、黏土層的視電阻率差異明顯，具備巖性地層劃分前提。砂層粒度較粗，呈現(xiàn)高電阻率特征，平均值主要分布在35~70Ω·m之間；黏土層顆粒較細(xì)，呈現(xiàn)低電阻率特征，平均值主要分布在15~30Ω·m 之間。

地下空間探測技術(shù)

地下速度結(jié)構(gòu)探測從淺到深探測方法依次為：主動源面波(0–40m)、微動探測(30–100m)、淺層反射地震(50–200m)。

探測的目標(biāo)是研究控制鉆孔之間的巖性層層厚、尖滅等橫向變化。針對反射地震在近地表成像盲區(qū)和低信噪比特征，為了獲得可靠淺層地下結(jié)構(gòu)，采用微動探測技術(shù)彌補(bǔ)100m以淺的地下結(jié)構(gòu)，其中0–40m深度是城市地下空間規(guī)劃和開發(fā)的關(guān)鍵，為進(jìn)一步佐證微動探測結(jié)果和獲得高精度的近地表結(jié)構(gòu)，同時(shí)開展同測線的主動源面波探測，獲得高精度0–40m地下結(jié)構(gòu),指導(dǎo)城市地下空間規(guī)劃開發(fā)?；诘厍蛭锢頊y井對探測結(jié)果的標(biāo)定，通過主動源面波、微動探測、淺層反射地震聯(lián)合獲得自地表到地下200m的地下空間結(jié)構(gòu)。

主動源面波

主動源面波由于其具有分辨率高、分層能力強(qiáng)、施工方便、受高速層影響小等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)已應(yīng)用于近地表地下介質(zhì)成像，土壤壓實(shí)控制和路面評估等，并取得效果。

主動源面波其能量主要集中于距離自由地表約一個(gè)波長范圍內(nèi)傳播的彈性波，它是體波與自由界面或分層介質(zhì)的彈性分界面相互作用產(chǎn)生的一種彈性波。利用面波獲得剪切波速度是面波勘探的主要目的之一，剪切波速度也是工程勘察、地震安全評價(jià)、地基處理效果評價(jià)的重要參數(shù)。

在雄安新區(qū)核心區(qū)主動源面波測試實(shí)驗(yàn)使用接收點(diǎn)距2m、激發(fā)點(diǎn)距4m、排列長度192m的數(shù)據(jù)采集參數(shù)。根據(jù)主動源面波頻散曲線反演測點(diǎn)的剪切波速度結(jié)構(gòu)表明(劉慶華等, 2015)，0–50m深度范圍內(nèi)可識別5套巖性層(如圖3)，分別為粉土層、粉土夾粉砂層、粉質(zhì)黏土層、粉質(zhì)黏土與細(xì)砂互層、黏土層。垂向可識別2–4m的薄層，橫向分辨率取決于測點(diǎn)距(該區(qū)點(diǎn)距離2 m)。但由于主動源面波激發(fā)能量有限，雄安新區(qū)主動源面波探測可靠深度在40m以淺。

微動探測

微動探測儀是利用天然源的微弱震動，通過空間自相關(guān)從臺陣微動數(shù)據(jù)中提取瑞雷波頻散曲線，再經(jīng)反演計(jì)算獲得臺陣下方地層介質(zhì)的橫波速度。

該方法具有抗干擾能力強(qiáng)、綠色環(huán)保的特點(diǎn)，適用于城市強(qiáng)干擾環(huán)境下的地下結(jié)構(gòu)探測，可用于彌補(bǔ)主動源面波在深層的缺失，同時(shí)主動源面波也可以用于補(bǔ)充微動探測在超淺層分辨能力的缺失(微動記錄的數(shù)據(jù)主要集中在低頻段，中高頻缺失)。目前已在城市地質(zhì)調(diào)查、地鐵工程中取得較好的工程地質(zhì)效果(徐佩芬等，2012，2013)。由于微動探測記錄的數(shù)據(jù)主要位于低頻段(深層)，缺少中高頻信息而不能較好擬合貝塞爾曲線使超淺層不能較好的刻畫。雄安新區(qū)應(yīng)用微動主要解決30–100m深度的地下空間分層。雄安新區(qū)微動數(shù)據(jù)采用觀測半徑0.9m、10m、20m和40m的四重圓形觀測臺陣，探測點(diǎn)間距100m的觀測系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理采用空間自相關(guān)法(SPAC法)，在該區(qū)通過實(shí)測得到的速度結(jié)構(gòu)，速度結(jié)構(gòu)自上而下可劃分8套巖性層，依次是粉質(zhì)黏土夾粉土層、粉土夾粉砂層、中細(xì)砂層、粉質(zhì)黏土夾粉土層、粉細(xì)砂層、粉質(zhì)黏土夾砂層、粉細(xì)砂互層，粉質(zhì)黏土夾砂層(圖4)。該方法垂向分辨率為可達(dá)3–5m，橫向分辨率取決于測點(diǎn)距。但隨著勘探深度的增加，微動探測的橫向和縱向分辨率逐漸降低。

隨著探測深度的增加，微動探測的成本增大、分辨力逐漸降低，而淺層縱波反射地震是城市地下空間探測常用的勘探技術(shù)，通過測井資料約束和振幅屬性分析可獲取高分辨率的地層界面和地層巖性信息(酆少英等, 2010)。但在常規(guī)的反射地震采集中，淺層通常存在數(shù)據(jù)盲區(qū)(采集和處理)，使超淺層不能獲得可靠的成像信息，雄安新區(qū)反射地震通?？勺R別第四系中、下更新統(tǒng)的底界、下更新統(tǒng)上下段界面及上更新統(tǒng)局部底界(如圖5)。0–200m深度范圍內(nèi)，可以分辨長軸大于5m(點(diǎn)距1–2.5m)，厚度大于等于4m的細(xì)砂、中細(xì)砂、中粗砂及砂礫透鏡體。雄安新區(qū)采用淺層反射地震，在深度為0–200m范圍內(nèi)，劃分了10~12個(gè)巖性層，識別了第四系上、中、下更新統(tǒng)的斷裂構(gòu)造形跡(如圖5)。

電性結(jié)構(gòu)探測以高密度電阻率法、抗干擾電測深法及瞬變電磁法等方法為主。高密度電阻率法是一種應(yīng)用于工程物探的勘探技術(shù)，具有自動化程度高、數(shù)據(jù)信息采集量大、反映地下電性結(jié)構(gòu)直觀等特點(diǎn)，是一種明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工程物探的現(xiàn)代勘察技術(shù)(嚴(yán)加永等，2012)。

在雄安新區(qū)采用高密度電阻率法探測了0–100m深度范圍內(nèi)的細(xì)砂、中細(xì)砂、中粗砂和砂礫與砂質(zhì)黏土、粉土互層。其橫向分辨率取決于測點(diǎn)距，縱向分辨率約為5m。在第四系劃分了4個(gè)主要電性層，相對高阻段(主要含水層)分布于深度15–30m以及深度40–80m的范圍。基于高密度電阻率法探測結(jié)果推測的有利含水層如圖6所示。但由于雄安新區(qū)大量的電磁干擾，使常規(guī)的高密度電法不能廣泛開展。必須在強(qiáng)干擾區(qū)域補(bǔ)充開展抗干擾電法探測。

抗干擾電測深法可在信噪比為–20dB(即干擾信號是有用信號10倍)條件下，通過偽隨機(jī)信號的相關(guān)檢測特性實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電磁干擾下高精度數(shù)據(jù)采集，獲得地下信息的有效數(shù)據(jù)。該方法利用電性差異提取地層埋深、層位、構(gòu)造、軟土層、持力層、含水特征等信息(羅先中等，2014)，分辨能力可達(dá)1~3 Ω·m。在雄安新區(qū)淺部砂層電阻率為25~70 Ω·m條件下，我們采用抗干擾電測深法探測，結(jié)合鉆孔標(biāo)定對第四系劃分了三個(gè)大層和七個(gè)小層。其中，大王鎮(zhèn)以西至三臺鎮(zhèn)區(qū)塊主要含水層(砂層) 在15–35m和40–70m兩個(gè)深度范圍；而大王鎮(zhèn)以東至平王鄉(xiāng)主要含水層(砂層)變厚變深為10~20m?；诳垢蓴_電測深法結(jié)合測井解釋推測的古河道(電阻率大于30 Ω·m)如圖7所示。但常規(guī)電法探測深度有限，且探測成本高，不能快速、高效的完成區(qū)域的掃面測量。而低分辨率瞬變電磁可作為一種有效的補(bǔ)充手段。

瞬變電磁法是時(shí)間域電磁法，其探測深度與發(fā)射電流、發(fā)射回線大小等參數(shù)密切相關(guān)(薛國強(qiáng)等，2007)。瞬變電磁法可進(jìn)行掃面測量，能夠發(fā)揮其快速、高效、成本低等優(yōu)勢，可快速掌握淺部三維電性結(jié)構(gòu)特征，圈定地下水有利區(qū)，為地下水資源調(diào)查提供支撐。綜合考慮在雄安新區(qū)探測目標(biāo)及施工效率，通過野外現(xiàn)場試驗(yàn)，采用發(fā)射回線邊長100m、發(fā)射電流17A、發(fā)射基頻12.5Hz的中心回線裝置，采樣率4μs，采樣窗口31個(gè)，固定下降沿0.5ms, 疊加次數(shù)128~1024次，在測量剖面的縱向深度上，劃分了6個(gè)主要電性層位，主要含水層位于100–200m以及350–500m深度范圍。

地下空間探測技術(shù)體系

在對雄安新區(qū)近地表地質(zhì)特征分析基礎(chǔ)上，針對雄安新區(qū)地下空間探測的地質(zhì)目標(biāo)—淺部沉積物巖性、沉積層結(jié)構(gòu)、砂層、黏土層等空間分布及地下含水層、持力層等地下空間資源評價(jià)，在雄安新區(qū)核心區(qū)同一剖面上開展主動源面波法、微動探測法、淺層反射地震、高密度電阻率法、抗干擾電測深法、瞬變電磁法及多參數(shù)測井探測，結(jié)合工程鉆孔資料，給出了不同探測方法技術(shù)結(jié)果的地質(zhì)解釋，得出了研究區(qū)地下空間基本框架結(jié)構(gòu)。對比不同地球物理方法探測結(jié)果與鉆孔資料，分析不同地球物理方法對不同地質(zhì)目標(biāo)探測的分辨水平、解決地質(zhì)問題的能力及應(yīng)用效果，結(jié)合地下空間物性數(shù)據(jù)標(biāo)定，總結(jié)出地球物理方法在雄安新區(qū)實(shí)際綜合探測效果(表2)。

進(jìn)一步梳理了工作區(qū)地下巖層不同物性參數(shù)分布規(guī)律，研究了不同地球物理方法解決地質(zhì)問題的能力，基于地下速度結(jié)構(gòu)探測和電性結(jié)構(gòu)探測的劃分和實(shí)際探測效果，建立了雄安新區(qū)地下結(jié)構(gòu)探測模式，提出了雄安新區(qū)開展城市地下空間探測的方法技術(shù)體系(圖8)。

1. 通過對雄安新區(qū)工程鉆孔測井物性資料分析研究，建立了雄安新區(qū)地下空間的綜合物性參數(shù)柱子，有助于雄安新區(qū)地球物理資料的標(biāo)定和綜合解釋；

2. 在雄安新區(qū)核心區(qū)進(jìn)行了主動源面波法、微動探測法、淺層反射地震、高密度電阻率法、抗干擾電測深法、瞬變電磁法及多參數(shù)測井探測，結(jié)合工程鉆孔資料，對探測資料進(jìn)行綜合解釋，取得了較好的地質(zhì)效果，同時(shí)對這些方法的適用性及解決地質(zhì)問題的能力進(jìn)行了檢驗(yàn)；

3. 結(jié)合實(shí)際探測結(jié)果，對雄安新區(qū)地下空間的地球物理探測方法解決地質(zhì)問題的能力和分辨效果進(jìn)行了分析研究，優(yōu)選出有效的方法技術(shù)組合，建立了地下空間探測模式，提出了雄安新區(qū)城市地下空間探測技術(shù)體系，為雄安新區(qū)的規(guī)劃建設(shè)、地下空間開發(fā)利用提供了技術(shù)支撐。

除針對雄安新區(qū)地下空間探測技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究外，成都同樣基于地球物理探測方法進(jìn)行了成都市城市地下空間探測的研究。

成都地下空間探測

結(jié)合成都市地層分布、城市建筑物特點(diǎn)，采用成都市城市地下空間探測應(yīng)用反射波法、面波法（主動源和被動源聯(lián)合勘探）、等值反磁通瞬變電磁法，其次以直流電測深（包括高密度電阻率法）、探地雷達(dá)等，輔助手段為折射波法、放射性測量和測井、波速測試等方法，對成都市地下空間三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)開展了探測工作。并得到如下結(jié)論：

參考文獻(xiàn)

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