史 伟
（上海京海工程技术有限公司，上海，200131）
【摘 要】上海市轨道交通14号线工程是上海市中部地区浦西及浦东通向市中心的东西走向的主要轨道交通，在工程勘查中通过运用地球物理勘查技术，查明勘查区水底地形、江底以下各地层分布、不良地质、江底及江底以下沉船、不明地下障碍物的性质及材质等，为工程的顺利实施提供依据。
【关键词】综合地球物理勘查技术；水域探测；应用探讨
一、引言
随着社会经济化建设进程的不断深入，推动着我国轨道交通、市政工程行业的蓬勃发展，工程建设项目越来越多，人们对地铁、市政工程等项目的施工质量给予了高度关注。随着我国科学技术的快速发展，地球物理勘查技术逐渐趋于完善，将该技术应用于地铁工程，不仅为设计、施工提供了大量的前期支撑资料和参考依据，有效提高工程的施工质量，还为整个工程的建设节约了大量的经济成本和时间成本。本文通过对上海市轨迹14号线水域物探工程的阐述，对地球物理勘察技术在水域探测领域的应用现状进行了具体分析，以期可以为我国水域工程建设提供有价值的参考信息，提高我国地球物理勘查技术的应用水平。
二、综合地球物理勘查技术概述
地球物理勘查技术，以下简称“物探”，主要勘查目标物的物理性质，并将地球物理差异看作勘查目标，且借助数理理论，对其进行分析并作出判断。针对不同的探测对象造成的地球物理变化，结合地质天然沉积形态及环境场、人工场的变化，应采用不同的探查方法以及探查仪器，从而判断各类工程中，存在于地下的各种问题，如管线、污染范围、水底地形、不良地质体等等。
对于地铁工程勘查来说，物探技术发挥了极其重要的作用，尤其是水域物探，更是建设过程中的重要组成环节，具有经济、高效、客观、针对性强的特点。而随着经济水平的不断提高，物探技术将会得到不断完善，水域物探精度的不断提高，地球物理勘查技术的应用将越来越广泛。
目前，水域物探技术主要涵盖双频测探、侧扫声呐、浅层剖面、浅层地震、磁测等方法，将这几种探测方式有机结合，即为综合地球物理勘查技术。在地铁工程建设过程中应用该技术，可以进一步提高地质勘查准确性，确保工程安全实施。
三、方法原理与现场勘查
工程概况
针对上海地铁14号线工程来说，这项工程的总线路全长约39.1公里，均为地下线，而工程起点是嘉定封浜，终点是东金桥，沿路共设地铁站点31座。可以有效缓解上海部分城区交通压力，还可以减轻环境污染情况，该项工程在修建过程中，主要采用物理勘查技术，针对工程建设的地下环境进行勘查，包括对地质的勘查以及水底地形的勘查，进一步扫清工程建设中的障碍，促进工程顺利开工。
物探方法选择
水域物探勘查重点有三方面，一是江底的地形；二是江底物体，例如，废弃物、铁锚以及沉船等；三是江底以下的不良地质体，包括沼气、沙层以及炸弹、船体等障碍物。按照空间布局差异，可以将探测目标分为两个区域，第一区域为江底以上；第二区域为江底以下，深度控制在150米以内左右。具体探测方法及应用范围详见表3.2。
表3.2 上海市14号线工程探测方法及应用范围
因此，根据其声学回声原理，为更好的反应江底多层介质的不同、探测浅部障碍物形态，常规测深系统主要由高频测深和低频测深互相独立、互不影响的两部分组成，即双频测深。其中，低频声波发射功率远远大于高频声波，其可以穿越水底较软的沉积层（如浮沙、淤泥等）传递到更深处。再对回声信号进行处理降噪、分析解释，结合水波速、潮位、岸边多点高程联测，便可以准确勘查出江底淤泥及浅部附着物的形态及空间位置。
本次轨交14号线黄浦江某段双频测深探测，仪器探头安装拖放在船舷左侧水下的1.0m处。由于江面有船只往来，因此实际测线要顺江流进行作业，以密集覆盖的方式实施测区测量作业；为了确保测线资料满足工程建设需求，在实际探测过程中，要以测线完全覆盖测区。典型剖面详见图3.3。
图3.3 黄浦江某段局部双频测深典型剖面
侧扫声纳原理及案例
声呐的原理是利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信号处理，完成水下目标的探测。按用途可分为测距声呐、测向声呐、识别声呐等，按按工作方式可分为主动声呐和被动声呐（噪声声呐）。主动声呐是由发射机向水中发射信号，声信号在水中传播时遇到目标而反射，反射的信号由声接收机接收，根据声波在水中的传播速度、发射声信号和接收声信号的时间间隔、声信号返回的方向可以确定水下目标的距离和方位。
侧扫声呐便是主动声呐的一种，其基本原理是通过不断向水底发射声电脉冲信号、并接收其回声信号，记录信号的走时和反射脉冲强度，通过对时深的分析，明确江底地形以及江底物体的尺寸、形态以及位置等。
本次轨交14号线黄浦江某段声呐探测，通过船侧悬挂方式开展侧扫声呐作业，在船侧入水 处吊挂侧扫声呐探头，并将其放置在船舷右侧，在船运动过程中尾浆会产生一定的作用力，促使侧扫声呐探头呈现为水平状态。其信号朝下以扇形形态传播，信号的水平角方向普遍在0.6°～1.9°范围内，垂直角的方向普遍是32°，在作业过程中，船两侧的控制范围在 m左右，探测线呈现为弯曲状态。
黄浦江的江底地形总体表现为江中深，两岸浅的基本对称的特征；浦西码头至浦东防汛墙码头江段，呈U形状，航道偏浦西侧，江底有水流冲刷起伏典型记录详见图3.4-1、图3.4-2。
图3.4-2 黄浦江某段局部江底地形示意图（3D）
浅层剖面法原理及案例
浅层剖面法的原理同双频测深的原理相同，皆是基于水声学原理的，通过强功率电脉冲促使声发射换能器在水中发出声脉冲，水声在遇到不同的介质时发生反射和散射，通过接收反射脉冲，由换能器将反射脉冲转换为电信号，进而通过分析、处理和解释，反映出水下浅部地层、构造及障碍物的形态。
本次轨交14号线黄浦江某段浅层剖面作业，在船舷的左侧入水3.0m处固定拖鱼，在作业过程中采取连续采样以及实时显示的方式。测探方式等同于双频测深，与测深设备同步运行，探测测线要与测深保持一致。
江底地貌基本平坦，只有细微的起伏，西岸最浅、自北向南江底地形基本平坦，无明显差异。典型剖面详见图3.5。
图3.5 黄浦江某段局部浅层剖面法典型剖面
浅层地震原理及案例
浅层地震勘探，又称工程地震勘探，是依据地层的弹性差异，通过研究人工激发地震波或天然场振动波在地层中的传播规律，以探测浅部地质构造、障碍物形态。其基本原理是当人工震源（或天然源）所激发的地震波遇到不同的物体或底层界面时(密度和波速发生变化时)，便产生反射和折射、并且有纵波、横波、面波等之分。而这些不同类型的波具有不同的传播速度、路径、频率和强度、用仪器记录各种波的传播时间和波形特征的变化规律，分析解释地震记录，可以推断出有关岩石性质、管线、地下障碍物结构和几何位置等参数，从而达到勘探的目的。
水域浅层地震主要以以空气枪、电火花为震源，在水中形成地震波，地震波如果遇到（地层）界面或是障碍物时，便会发生透射波与反射波，反射波传入水听器后，再经由电缆传给相关仪器，继而对其实施录制与处理，明确各个反射波的深度范围，从而准确把握江底地层界面与异常物体。
水域浅层地震易受水流、水上交通、多次波干扰、震源的气泡效应等多方面的影响。因此，震源的能量及位置、水听器的间距（即道距）和沉放深度、漂缆的长度（即道数）、拖船速度和测线的布置方向都应根据水流及航务不断试验和调整。
本次轨交14号线黄浦江某段浅层地震勘探，设置偏移距为0m，激发气压控制在 左右，水听器入水深度为1m。
测区范围内江底深度50.0m内各地层的分布、起伏及变化规律，地层自上而下分为淤泥质粉质粘土、粘土、砂质粘土及粉砂，且整个地层岩性分布较为稳定，无明显陡坡现象，无明显滑坡体存在。所有时间剖面图中未出现反射波组的绕射、错断等现象，据此推断在勘查区域内不存在和地层密度差异较大的障碍物。典型剖面详见图3.6。
图3.6 黄浦江某段局部浅层地震典型剖面
磁测原理及案例
磁测的原理是由于天然磁场的存在，自然界中的各类物体都具有磁性，其周边空间便会形成磁场，相较天然磁场，此类磁场被称为磁异常。不同物体，其磁性也存在一定的差异，自然而然磁场强度也存在差异。基于物体的空间分布差异，物体空间磁场分布特征也存在一定的差异性。探测区域次澶分布特征主要取决于区域内部物体空间位置以及分布情况，因此，利用特定以期对磁场分布情况进行有效探测与记录，便可以明确降低地质体的形态与位置。
本次轨交14号线黄浦江某段磁测作业，在船尾处以拖曳的方式安装磁力仪探头，探头位置与信标仪天线的间距为35米，探头的入水深度约为3.5m，在实际探测过程中，船只会延照事先所设计的测线航行，逐个记录各个采样点磁场值，促使磁场值和定位数据有机结合，从而形成一个整体文件，即江底异常体的剖面图，从而明确江底铁磁性异物的具体分布情况。
根据水域磁法采集获得的数据，总体而言，测区磁异常等值线变化比较平缓。在测区西侧与东侧出现两片低磁值区，分析认为由两处异常由岸边码头所引起，结合浅层剖面及侧扫声呐资料综合分析认为，测区范围内未发现由规模性障碍物或不良地质体引起的地磁异常现象。典型剖面详见图3.7。
图3.7 黄浦江某段局部W-E方向的地磁平面分布图
四、结束语
随着经济的发展、城市的建设，如何合理、快捷、节约的完成各类建设，已成为衡量现代化建设的一个重要的标准。
针对地球物理勘查技术而言，其在技术发展和应用过程中，在个别方面必定还存在一定的缺陷或是弊端，但因其具有实测灵活、成果连续、不破坏环境和现状、针对性强、成本节约等优点，在轨道交通、市政工程建设过程中发挥了越来越重要的作用。在规划之初，物探成果是工程建设可行性评价的重要资料；在设计过程中，物探成果及各阶段的参数更是成为确定设计参数及合适工法的重要依据；在施工过程中，物探成果及其针对性的服务为工程的顺利实施提供了强有力的保障。
因此，在未来，地球物理勘查技术具有非常好的前景需求，尤其是在水域工程中具有不可替代的作用。通过技术人员不断的探索与完善，加强理论研究，针对技术中的不足，不断调整仪器及实测方法，必定能够不断拓展地球物理勘查技术的应用领域，为各类建设的顺利完成保驾护航。
参考文献：
[1]袁桂琴,熊盛青,孟庆敏,周锡华,林品荣,王书民,高文利,徐明才,史大年,李秋生.地球物理勘查技术与应用研究[J].地质学报,2011（11）:1744-1805.
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论文作者:史伟
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年11月供稿
论文发表时间:2016/1/28
标签：黄浦江论文; 物探论文; 剖面论文; 工程论文; 水域论文; 技术论文; 地球物理论文; 《工程建设标准化》2015年11月供稿论文;