基于SPAC法和电磁波CT法探测城市地下岩溶结构的对比研究

发布时间：2020-03-25 17:38

【摘要】：岩溶是一种典型的危害工程建设的不良地质现象。岩溶区发生地面塌陷呈现强突发性、大破坏性等特征,给居民生活、工程建设以及周边环境带来潜在威胁,岩溶灾害问题已是许多城市建设中亟需解决的问题。武汉建成区分布着几条近东西向的灰岩条带,而该地区轨道交通建设规模在不断加大且会穿越这些灰岩条带,这严重影响地铁施工及运营安全。因此,查明岩溶分布规律对岩溶灾害预测以及治理有重大意义。地球物理探测法为岩溶探测提供有效的方法,其中,SPAC法(Spatial autocorrelation method,以下简称SPAC法)作为一种物探新技术,可以应用于城市地下岩溶结构探测。本文利用SPAC法探测武汉地铁8号线洪山区政府站~省农科院站区间岩溶分布情况,并根据钻孔结果,与电磁波CT法探测岩溶结果进行对比分析。主要研究成果如下:(1)查阅测区工程地质背景资料,对武汉岩溶地质灾害进行整理,并分析场地地层基本情况。(2)介绍了微动探测的理论基础,SPAC法原理,野外数据采集时的注意事项,以排除干扰保证数据的准确性。微动台阵受建成区场地情况影响,选取微动单点测深以及微动二维剖面探测的方式。运用SPAC法从微动信号中提取瑞雷波频散曲线后,利用邻域算法反演地下S波速度结构。(3)根据钻孔结果,将SPAC法与电磁波CT法探测城市地下岩溶结构进行对比分析,总结两种方法在实际现场工作中的优缺点,证实两种方法的可靠性和准确性。SPAC法探测结果表明,场地地下介质结构可以分为四层,第一层,微动探测该地层底界约为3m,速度为159m/s;第二层,微动探测该地层底界为15m,速度为249m/s;第三层,微动探测该地层底界为20m,速度范围为497m/s;余下为第四层,微动探测速度范围为1108~1379m/s。电磁波CT法探测结果为基岩与覆盖面界线埋深约25m,较完整基岩顶板界线埋深约为33.5m,而编号为4052处推测为溶洞,实际上是硅质岩导致岩性变化,对探测产生一定干扰。SPAC法根据岩土性质差异,横波速度不同,能较好分辨土和岩层的界面,包括土层之间的界面地层界面;电磁波CT法根据视吸收系数高低来辨别地层,能较好分辨土和岩层界面,以及较完整和风化岩的界面,同时其探测效果受岩性影响较大。SPAC法观测点下伏基岩发现有低速区现象,解释为溶洞,共有一个溶洞。该溶洞顶板埋深为30m,对应的垂高为10m。电磁波CT法探测显示钻孔YRK4107处有两个溶洞,埋深为29m、46m,对应的垂高分别为3.6m、4.1m。两种方法都能探测出岩溶位置,溶洞大小范围有区别。SPAC法主要从定性方面来测出低速区即溶洞情况,还能探测破碎带或者充填情况的溶洞等,同时能不依赖钻孔或测井进行观测;电磁波CT法能较为准确探测溶位置和规模,以及在探测岩溶条带更准确一些,另外观测时依赖钻孔或测井。(4)获得单点测深的S波速度结构,以及获得整个观测二维剖面的速度变化图,并确定每个界面的深度以及低速层位置来寻找低速区,即溶洞位置、规模等。微动二维剖面探测岩溶,获得结论如下:1)测区内溶洞段波速500m/s以下,岩溶发育段600~1050m/s,岩溶不发育段1050~1379m/s;将灰岩区S波速度500m/s以下作为判断溶洞或溶穴的依据。2)该测线覆盖层在8~25m,上面地层为第四系覆盖层,主要由素填土、杂填土、粉质黏土以及红黏土组成,波速异常变化较大,土层性质不均匀。下伏层为基岩,即灰岩。3)在测线第一个观测点处,有波速异常区,推测为溶洞,溶洞顶板埋深为28m,垂高约为5m。第三个观测点处,有波速异常区,推测为溶洞,溶洞顶板埋深为33m,垂高约为8m。另在第四个观测点处,揭露低速区,推测为溶洞,溶洞顶板埋深为44m,垂高约为2m。4)整条剖面埋深50m以下,岩溶不发育。5)二维微动剖面S波速度在横向上不连续,发育形式主要为岩溶管道类型。
【图文】：

- 9 -图 2.1 武汉碳酸盐岩分布情况以及观测场地位置表 2.1 武汉地区石灰岩条带分布与地铁线路关系石灰岩条带编号石灰岩条带名称石灰岩条带发育规模石灰岩条带与地铁线路关系L1 天兴洲条带 东西长约 38km 3 号线三金潭L2 大桥条带 东西长 40km 4/6 号线钟家村，，2/4 号线洪山广场，3 号线王家湾L3 白沙洲条带 东西长约 60km 6 号线红建路，3 号线升官渡，2号线卓刀泉，2 号线南延线及 11 号线东段L4 沌口江夏条带 长约 57km 6 号线及 2 号线南延线L5 军山条带 长约 35km --L6 汉南条带 长约 34km --

中国地震局地震研究所硕士学位论文CMG-40T（即三分量地震仪），CMG-DM24（即 24 位数据采集器）和 CMG-EAM（即通信单元）组成。该仪器的频段范围为 1-100Hz，确保每台仪器在台阵观测中 GPS 同步记录。选取的采样率为 100Hz，每个观测点有效观测时间超过 30 分钟。依据不同的探测目的，选取的仪器频带范围以及仪器数量不一样。所做实验观测仪器编号为 L4201、L4202、L4203、L4205、L4206、L4216 以及 L4217。
【学位授予单位】：中国地震局地震研究所
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P642.25;P631

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本文编号：2600199