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摘要：结合对深圳市天然气高压输配系统工程水官高速定向钻沿线地质隐患进行瑞雷面波地球物理检测，通过测试土层波速，了解土层密实情况及均匀性，排查空陷区域以便消除沉降变形隐患，为工程顺利实施创造了条件。对于非开挖施工过程中不具备进行常规地质钻探勘察的区域探测土层地质的情况，瑞雷面波法是一种较好的选择。
关键词：瑞雷面波法，地质条件，天然气高压输配系统工程，定向钻施工
前言：随着社会经济建设的发展，人们环境保护意识逐步增强，对生活品质要求也日益提高。天然气以其安全、环保、清洁等特点在深圳市能源需求中的比例日益提高。为满足深圳市用气需求，作为国家重点项目西气东输二线的配套项目的深圳市天然气高压输配系统工程全面开工建设。深圳市天然气高压输配系统工程总长约130公里，管道直径φ813mm壁厚19.1mm。管道沿线多次穿越现有铁路、公路等公共交通设施。为减少施工对市民生活的影响，上述部位普遍采用顶管、定向钻等非开挖方式施工。深圳地区距离海岸线较近，地下水文情况复杂，地质情况多变等因素给非开挖施工带来了很多困扰，在水官高速定向钻工程施工过程中，我们遇到了复杂地质引起路面塌陷的情况，采用瑞雷面波地球物理检测，通过测试土层波速，了解土层密实情况及均匀性，排查空陷区域，从而消除沉降变形隐患，为工程顺利实施创造了条件。瑞雷波法作为一种工程地球物理技术在地质勘探中比传统测试更快捷、更形象直观，在特定条件下可以弥补传统钻孔勘察的不足。本文通过该技术在深圳市天然气高压输配系统工程水官高速定向钻施工中的应用，介绍瑞雷面波技术的功能及特点。
基本原理
瑞雷面波是一种面波，它在介质的自由界面附近传播，其形成与传播直接与介质的物理特性有关。在二维空间中，瑞雷面波传播时，其介质的质点振动图象是逆时针的椭圆形，椭圆的长轴垂直于自由界面，短轴与波的传播方向平行，长轴约为短轴的1.5倍，在三维空间有同样的情形。瑞雷面波就是靠这种形式的质点振动及质点与质点间的相互影响传播的。由理论公式推导可知，瑞雷面波传播的速度约为同介质内横波速度的0.92倍。由此可知，瑞雷面波的传播速度可以反映介质的物理特性和存在状态。
当速度不变时，频率越低，测试深度就越大。
瑞雷面波法是利用瑞雷面波的上述运动学特征和动力学特征来进行工程地质测试的物探方法。瑞雷面波有三个与被测地层有关的主要特征：
①在分层介质中，瑞雷面波具有频散特性；
②瑞雷面波的波长不同，穿透深度也不同；
③瑞雷面波的传播速度与介质的物理力学性质密切相关。
测试方法
瑞雷面波测试方法一般分为瞬态法和稳态法两种。这两种方法的区别在于震源不同。瞬态法是在激震时产生一定频率范围的瑞雷面波，并以复频波的形式传播；而稳态法是在激震时产生相对单一频率的瑞雷面波，并以单一频率波的形式传播。对本工程采用瞬态瑞雷面波法，其工作原理见下图。
工程实例
深圳市天然气高压输配系统工程水官高速定向钻斜穿水官高速，该定向钻总长度630米，有约350米位于水官高速车行道下方，设计埋深约18～23m。水官高速是深圳市路面最宽、车道最多的高速公路，由于是连接深圳西部与东部的大动脉，车流量大无法进行钻孔地质勘探，未能取得足够翔实的勘察资料，而该段路由可能存在不良地质，加大了定向钻施工的风险。在定向钻进行850mm扩孔过程中，东行平湖沙湾出口附近发生路面塌陷，塌坑长宽深为：6.0mx5.25mx2.8m。随后，又于西行平湖沙湾出口、沙湾立交前100m的右侧绿化带地面处发生塌陷，塌坑长宽深为：6.5mx6.3mx9.7m。
为尽量减少对公路通行的影响，确保水官高速的安全畅通，我们对定向钻沿线地质隐患进行了瑞雷面波地球物理检测工作。本次探测在水官高速公路塌陷处及水官高速定向钻沿线布设了10条测线（1～7测线为纵断面，8～10测线为横断面），共完成了148个瑞雷面波测点。
塌陷处中心坐标约为：道路上X=30419.337，Y=125145.575，绿化带X=30388.767，Y=124929.487。测线布设数据见下表。
面波测线布设数据表
测线布置
本次探测在地面布设了10条测线，共完成了148个瑞雷面波测点。其中，测线1～测线4、测线9、测线10位于水官高速公路中，地面较平坦，其中测线1、测线2夹路面塌陷坑两侧而布，测线3和测线4大体呈东西方向、夹定向钻中心线布置，两测线相距3m平行斜穿水官高速。测线5～测线6位于水官高速公路西北面平湖出口匝道及花木场，测线7、8位于路两匝道间的绿化带。测线1～7平行于定向钻走向，测线8、9、10基本垂直于定向钻走向。
仪器选择及工作参数
仪器采用GCK24多功能工程勘测仪，拾振器为SWS-R4面波拾振器（国产），激震器采用特制瑞雷面波锤，以自由落体方式激震。本次施工中仪器的主要工作参数列于表1。
表1仪器主要工作参数表
记录评价
本次测试代表性原始记录见附图。由原始记录可见，施工现场参数选择恰当，记录完整清晰，干扰小，中低频成分丰富，客观地反映了地质体的情况，经数据处理，可以有效地揭示介质密实度的分布，完成本次测试任务。
资料处理与解释
瑞雷面波测试采集到的原始资料是瑞雷面波沿地面传播的振动波形，对这种资料进行计算处理和解释后，才能得到所需的测试成果。瞬态瑞雷面波资料的主要处理解释内容为：
（5）对频散曲线进行解释，对频散曲线进行解释，提取各层瑞雷面波速度，推定介质密实度情况。
测试成果
本次测试完成148个瑞雷面波测点，获得瑞雷面波原始记录296个。其代表性原始记录代表性频散曲线见下图。
本次探测共发现10处异常，其中5处反映可能是土洞异常或有水充填的小土洞，特点是结构，密实度差。其它5处异常可能是较松散土体。异常区深度范围内瑞雷波速均在80～120m/s之间，土体松散。其它区域波速在150m/s以上，判断为密实。具体情况如下：
表3瑞雷面波探测成果表
从纵横剖面探测成果反映水官高速定向钻沿线地质隐患平面位置主要分布于目前已塌陷的两个区域及外围附近。深度约4～8m为主，局部深达约15m。
水官高速定向钻沿线地质隐患剖面位置主要分布在冲沟填土及粉质粘土地层中，深约15～18m为主。
根据瑞雷面波探测成果，我们制定了相应的处置方案。及时处置了定向钻施工过程中路面塌陷问题，为工程进一步顺利实施提供了相应的基础，最终顺利完成工程施工，实现了深圳市天然气高压输配系统工程全线贯通。
结论与建议
瑞雷面波法作为工程勘察的一种物理探技术，可以服务于天然气高压输配系统工程非开挖施工地质勘探，特别适用于高速公路等不具备开展钻孔勘察条件的部位，可以比较快捷、直观的了解穿越段地下土层地质情况为下一步设计施工提供较好的技术支持。
参考文献：
[1]杨成林瑞雷面波勘探地质出版社1993
[2]GB50028-2006城镇燃气设计规范
[3]GB50423-2013油气输送管道穿越工程设计规范
[4]耿光旭强夯地基检测的有效方法-瑞雷波发《勘察科学技术》