1 引 言

第四系地层作为各类建筑物(构筑物)基础的主要持力层，对工程造价影响较大，第四系厚度剧烈变化或侵入风化基岩中极大地增加了施工风险，在铁路勘察中，第四系地层的划分及岩土力学参数的获取是重要的勘察内容[1-5]。目前，第四系地层的勘察以钻探、触探及土工实验为主，该勘察模式成本大、周期长、效率低下、成果相对粗糙；物探技术具有快速、高效、剖面连续的特点，经过多年的发展，勘察精度不断提高，方法研究不断深入，多方法、多参数的综合解释技术逐渐成熟[6-10]。未来以综合物探勘察技术为主，辅助以钻探验证并提供修正参数从而获取地层参数的勘察模式将成为大势所趋。

2 勘察要求及难点

按照铁路工点类型，和第四系勘察密切相关的主要为路基、浅埋隧道、桥址。路基的第四系勘察主要是查明地层厚度、物理力学性质、含水性、有无软弱层和软弱夹层的存在，要求勘察深度为30 m；隧道中的第四系勘察主要为浅埋隧道，浅埋隧道最关注的地质问题是土石界限、强风化带厚度以及岩体的完整性，勘察深度要求轨面标高以下20 m；桥址区的第四系勘察主要是获得各个土层的厚度及力学指标，为地层岩性划分和基础持力层的选择提供依据，对于勘察深度，采用桩基基础的，基础类型为细颗粒土的最大深度为60 m(客专及以上70 m)，粗颗粒土的最大深度为40 m；采用明挖基础的，基础类型为细颗粒土的最大深度为30 m，粗颗粒土的最大深度为25 m；基岩地段的勘探深度，当风化层不厚或为硬质岩时，应穿透强风化带，到弱风化层2～3 m。

物探工作开展的前提是地层岩性存在物性差异，岩层物性差异主要表现为弹性差异和电性差异[11-16]。首先，第四系地层以松散堆积物为主，其区域沉积环境和物性影响因素一样，区域弹性差异和电性差异不大。其次，地下水的影响使得不同岩土层的电性区间交叉，范围更加宽泛，电性差异被弱化、混乱；另外，第四系为浅地表地层，受人类生产、生活影响较大，地质上认为的同一地层可能因其组分的差异，造成弹性参数的不同，或者不同地层却有类似的弹性特征。最后，第四系是人类活动的主要场所，各种电磁干扰、机械振动对方法的限制较大，地面以及狭窄的场地也限制了很多方法的开展。

3 方法技术特点

拟开展地质雷达技术、横波反射技术、天然源面波技术、瞬态瑞雷波技术、核磁共振技术、五极纵轴电测深等综合物探技术进行第四系地层勘察研究[17-20]。地质雷达技术抗干扰性强、分辨率高、连续测量、图象清晰直观，场地条件宽松，适应性强。横波反射技术具有精度分辨高、分层精细的特点；天然源面波技术采用天然场信号源对场地条件要求小，实施简单，勘探深度范围大；瞬态瑞雷波法采用主动震源，能量强，对浅部地层划分较为准确；核磁共振技术可定量进行地下水评价，区分细微含水层；五极纵轴电测深技术电场稳定，可区分细小电性层，解释精度高。6种方法可获得多个物性参数，综合分析可提高地层划分的精度[21-23]。结合钻探、触探与土工实验，提出不同地质条件、水文条件、环境噪声、精度要求下的物探组合模式，分析确定多参数解译原则，提高第四系地层的解释精度，并尝试基于地震波速获取岩土力学参数的研究。

4 综合物探勘察模式建立原则

综合勘察模式的建立首先要基于方法理论的探讨，分析每种物探方法的最优点及对于工程问题的最敏感性，并考虑方法的局限性和影响因素，综合地形地质特征、施工环境影响、工期、任务目的、勘察深度及精度要求，适当考虑工程造价以确定最终综合物探勘察方案。综合勘察模式的建立需要注意以下原则：

1)多物性参数组合原则

综合物探必须注意获取的物探参数的多样性，井中与地面，电性参数、弹性波参数、重力、放射性等的交叉综合是最佳的勘察模式。物探方法所获取的物性参数主要是电性参数和弹性波参数，在进行方法选择时，至少选择一种物性参数，并且应避免同类物性方法多次选择。同种物性的物探方法有其天然的局限相似性，比如，电法都会受到地下流散电流和地下水的影响，地震方法都会受到附近震动噪声的影响，多物性参数的综合勘察必须要做到多种物性参数的交叉。

2)最优化原则

对于每个工区，要针对其地形地质特征、施工环境影响、任务目的、工期、勘察深度及精度要求，适当考虑工程造价以确定该工区最优化的工作方法，在该工作方法获取该工区的基本地质信息后，针对任务的重点开展其他物性参数的检查、验证工作，进行最优化、最高效的综合地质勘察。

3)已知到未知原则

综合勘察要结合已有地质资料，合理的测线布置应该穿过既有钻孔或者开挖断面以获取区域认识，由已知到未知进行勘察。

4)物性标定原则

综合勘察过程中，要进行物探参数的标定，比如该区域粉质黏土的弹性波速区间是多少，电阻率区间是多少，这需要通过野外实验获取。野外获取的方式可以分为以下4种：①通过对于野外出露点进行小极距电法和小检波距直达波测试，可以是地面上的出露点，也可以是某一横截面出露点；②通过钻孔利用探头进行波速和电阻率测试；③通过岩心测试；④收集、查找该区域经验性的物性参数。通过物性标定可以最大化地消除人为因素的影响，实现定量化的解释。

5)勘察深度原则

勘察深度要求是个硬指标，它限制了很多方法的开展。比如，10 m左右的目标体勘察，最适宜的方法是地质雷达；20 m左右的目标体勘察，最适宜的方法是瞬变瑞雷波。

6)精度与时效平衡原则

物探方法自身有其矛盾性，精度和时效就是个矛盾体，野外工作要结合现场需求，切实制定符合地质任务的综合勘察方案。

7)地形地质及施工环境影响原则

物探方法的开展受到的限制很多，地形地质及施工环境极大地影响了勘察方法的选择。

5 基于地震波速获取岩土力学参数的关键技术

地基承载力、压缩模量等岩土参数是铁路路基、桥梁设计的关键技术参数，直接关系到工程设计、施工和投资预算的科学性和合理性。根据波动理论，岩层中的纵波速度VP、横波速度VS和介质密度ρ及其动力变形参数动弹性模量E、动泊松比μ有关。在野外获取VP和VS之后，可以根据实验室获取或经验估算介质密度、动弹性模量、动泊松比参数中的任意两个来计算另外一个。影响弹性波速度传播的地质因素很多，岩石成分和结构、岩石的密度、孔隙度、孔隙充填物、地质年代、埋藏深度都会对速度有影响。而这些因素同样与岩石承载力密切相关。通过大量的横波反射法、瞬态瑞雷波法、天然源面波法、钻孔剪切波测试法等野外测试，获取岩石的纵横波速度，结合传统轻型动力触探N10、Evd动态平板荷载试验、平板荷载试验(K30)等，采用数据拟合的方式，建立基于地震波速度的承载力确定方法与基于地震波速度的黏土、砂土、碎石土压缩模量计算公式(表1)。其中，δ0为承载力(kPa)；ES为压缩模量(MPa); VR为面波速度(m/s)。

6 综合勘察应用实例

按照工点类型给出第四系综合勘察实例。

6.1 桥址综合勘察实例——多伦河特大桥

多伦河特大桥位于内蒙古自治区赤峰市克什克腾经棚镇西南，桥全长3 502.64 m，采用地震折射法、浅层地震面波法及瞬变电磁法(TEM)进行综合勘察，给出综合成果断面图进行层位划分(图1)，并根据断面图进行物特征汇编(表2)，由物探方法获得的纵横波速度计算基本承载力和等效波速度，对桥址场地土类型进行评价。

6.2 浅埋隧道综合勘察实例——向阳隧道

浅埋隧道的综合地质勘察主要关注第四系地层的划分、基岩的风化层的划分、构造、岩体完整性评价。利用表层剥去法，解释出物性差异较大的土石界限、弱风化较完整界面，利用层析成像结果勾画出强风化、弱风化较破碎界面(图2)。根据层析结果提取隧道洞身标高位置的纵波速度绘制速度折线图(图3)，根据速度折线图可直观地反映洞身围岩的软硬程度或完整性程度。依据获取的洞身纵波速度，计算岩体完整性系数Kv，计算方法为Kv=(VPm/VPr)×(VPm/VPr)；其中，VPm为提取的洞身纵波速度(km/s)；VPr为新鲜岩体纵波速度(km/s)。得到洞身围岩的完整性系数统计表，见表3。

7 结 论

通过课题组大量勘察实例及钻孔验证结果分析，综合物探技术在第四系地层勘察中有如下结论：

1)地层综合分层误差2 m范围内，基本满足勘察设计需要；

2)物探方法的分层精度上，弹性波类的方法要优于电性类的方法，应在选择时优先使用；

3)要根据测区物性、有效勘察深度、盲区、精度、时效、场地条件、地形影响、主要干扰因素、主要解决地质问题综合分析，针对不同物探方法特性合理选择相应的物探方法，拟定综合勘察方案；

4)针对工区任务与需求，要制定针对性的解决方案，浅埋隧道主要关注围岩的完整性，桥址主要关注岩性层的厚度及承载力，路基关注岩性层和含水性；

5)利用物探方法进行进行岩土层承载力及压缩模量计算是可行的，但第四系受区域环境的影响较大，在进行拟合公式推导时，应先进行小批量钻孔的统计分析对经验公式进行修正再加以使用。

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