随着城市化进程的加速，城市轨道交通快速发展。地铁采用电力牵引，以其修建速度快、运量大等特点，成为未来城市交通建设的主要方向之一。徐州市为加强区域经济发展，改善交通环境，计划修建轨道交通6号线一期工程，线路全长约22.72 km。在工程建设前需要对线路进行地质勘察，物探探测属于地质勘察中必要的方法手段。

地球物理勘探的理论基础是，利用目标体与周边介质的物理性质差异，选择合适的地球物理方法和相对应的仪器设备，通过对观测物理场的分析研究，探查地质界线、地质构造及其他目标（李学军，2009）。通常城市地球物理勘察方法有高密度电法、地质雷达法、微动法、瞬变电磁法、横波地震反射法等（黄毓铭等，2017；蔡勤波等，2021；李士永，2021；吴建伟等，2022；余涛等，2022）。相对普通工程勘察，地铁勘察具有勘察精度要求高、场地局限性大的特点。

对于徐州市城市轨道交通6号线一期工程，因工区位于市区，人文条件复杂，机械振动、过往车辆较多，干扰严重，不适合采用地震波法进行勘察，且勘察路段多为硬化路面，普通直流电法难以实施。等值反磁通瞬变电磁法具有灵敏度高、分辨率强、探测深度大、灵活多变适应性强以及轻便快速等优点，探地雷达具有快速便捷、操作简单、抗干扰和场地适应能力强、探测分辨率高等优势（廖志伟等，2022），最终选取高精度等值反磁通瞬变电磁法和地质雷达法进行探测，并用地质钻孔对推断的物探异常进行验证，表明探测结果可靠。

徐州市城市轨道交通6号线一期工程为一条反“L”型轨道交通线路。工程起点为黄山路与湘江路交叉口的黄山路站，终止于徐州东站东广场，途经铜山区、云龙区与开发区，主要沿湘江路、利民路、汉风路、云台路敷设。线路建成后，将连通铜山新区、新城区及高铁东站，串联铜山新区中心、新城行政商务中心、新城区客运站、高铁站等大型客流集散点。6号线一期工程线路全长约22.72 km，全部为地下线，共设站16座，其中勘察03标段的范围为商聚路西站（不含）—塘坊村站—惠民家园站—新城区客运站站—丽水路站，共4站4区间，长约5.1 km（图 1）。区域地质资料显示，在勘察03标段商聚路西站和塘坊村站附近岩溶发育，且存在断层。为了查明岩溶、断裂的发育情况，在该区域进行物探探测工作，场地现状为市政道路，道路北侧主要为空地及在建工地，道路南侧为绿化用地，工区地形整体平坦。

图 1(Fig.1)

图 1 徐州市城市轨道交通6号线一期工程线路走向示意图 Fig.1 Schematic diagram of the route alignment of the first phase of Xuzhou Urban Rail Transit Line 6

徐州市位于华北地台鲁西台背斜西南部边缘地带，构造部位为徐宿弧形构造中段（图 2），东距郯庐深大断裂带约100 km，区域上构造形迹主要有华夏系生成、新华夏系改造归并的一系列NNE—NE向复式褶皱及与之大致平行的压—压扭性断裂，NW向张—张扭性废黄河断裂横切徐宿弧形构造形成负地形。徐州市区主要有NE—NNE向和NW—NWW向2组断裂构造，其中NE—NNE向断层多为逆断层，NW—NWW向断层多为正断层。受郯庐大断裂影响，工区发育有邵楼断裂（F₆₀），断面倾向SE，倾角大于45°，为潘塘中新生代断裂盆地的西缘断裂，其北部自大庙镇向南延申，经柳集、棠张镇，到达永安镇附近，长约60 km。该断裂为正断层，下盘为震旦系张渠组白云岩，上盘为白垩系上统王氏组粉砂岩（陈丁等，2011；熊彩霞等，2018）。

图 2(Fig.2)

图 2 徐州区域地质构造简图 Fig.2 Geological sketch of the Xuzhou region (study area in blue)

研究区第四系覆盖层包括第四系全新统人工填土、粉土、粉砂、黏土及第四系上更新统黏土，基岩主要为震旦系石灰岩、白云岩及白垩系粉砂岩、砾岩。地表主要为杂填土（局部地段较厚），其结构松散，成分复杂，物理力学性质较差。人工填土层以下为第四系粉土和黏土，粉土呈稍密—中密状，黏土以可塑为主，压缩性中等，该组地层土质结构稍好，土质相对均匀，物理力学性质稍好。下伏震旦系张渠组石灰岩和白云岩，较硬岩，呈中厚层状构造，裂隙稍发育，充填方解石脉，胶结良好，岩溶属弱—中等发育。

研究区地表主要为杂填土，其结构松散，成分复杂，物理力学性质较差，地层为水平层状结构。第四系覆盖层主要为人工填土、粉土和黏土，下伏基岩为震旦系张渠组石灰岩，基岩和第四系覆盖层的电性差异较大，覆盖层电阻率值一般不超过100 Ω·m，基岩电阻率一般在几百至几千欧姆米。在岩溶空洞与断裂发育地带，电阻率和介电常数均与围岩有明显差异，这种物性差异（表 1）是瞬变电磁法和地质雷达法的基础。

表 1(Table 1

表 1 岩性主要物性参数Table 1 Main physical parameters of lithology 岩石名称 电阻率/(Ω·m) 材料 相对介电常数εr 黏土 100—101 黏土 8—12 粉土 101—102 空气 1 砂岩 101—103 水 80 砾岩 101—104 砂岩 9—11 石灰岩 102—104 石灰岩 7—8 白云岩 102—104 白云岩 8

表 1 岩性主要物性参数 Table 1 Main physical parameters of lithology

等值反磁通瞬变电磁法（HPTEM）是原瞬变电磁方法技术的改进，又称高精度瞬变电磁法（王凯，2012；Xi et al，2016；杨建明等，2018；Long et al，2020；万小乐，2022；王亮等，2022；张孝勇等，2022；亓庆新等，2022），是测量等值反磁通瞬态电磁场衰减扩散的一种新的瞬变电磁法，其探测深度一般是5—100 m。等值反磁通法采用上下平行共轴的2组相同的通以反向电流的线圈为发射源，且在该双线圈源合成的一次场零磁通平面上，测量对地中心耦合的纯二次场，装置示意见图 3。双线圈在地面发射瞬态脉冲电磁场信号，其中一组线圈置于近地表面，在瞬态脉冲断电瞬间，近地表叠加磁场最大。因此，在相同变化时间下，感应涡流的极大值面集中在近地表，感应涡流产生的磁场最强，随着关断间歇的延时，地表感应涡流逐渐衰减又产生新的涡流极大值面，并逐渐向远离发射线圈的深部、边部方向扩散，根据地表接收到的涡流场信号随时间的衰减规律，即可获得地下电导率信息，这就是等值反磁通瞬变电磁法的物理原理。

图 3(Fig.3)

图 3 等值反磁通瞬变电磁装置示意 Fig.3 Schematic diagram of equivalent reverse flux transient electromagnetic device

地质雷达法（Ground Penetrating Radar，简称GPR）是用来探测浅层地质结构、构造和岩溶等地质情况的一种物探方法（刘宗辉等，2019；李兆祥等，2021），有连续、间断2种探测方式，探测深度一般是0—20 m。其原理是利用天线发射和接收高频电磁波来探测介质内部物质特性和分布规律（图 4）。该方法具有探测速度快、采集数据量大、定位准确、操作灵活、可实现连续透视扫描以及二维彩色图像实时显示等独特优点。

图 4(Fig.4)

图 4 地质雷达探测原理 Fig.4 Principle map of GPR detection

计划沿轨道中线布设瞬变电磁测线，现场踏勘发现轨道中线附近存在高压直流输电线，为研究该线路对电磁数据的影响，分别在距高压线0 m、1 m、2 m、4 m、7 m、10 m、15 m、20 m、30 m位置开展对比试验，结果见图 5。由图 5可见，瞬变电磁能量衰减曲线衰减趋势基本一致，越靠近高压直流输电线，曲线尾支波动越大，数据质量越差；随着测点远离高压直流输电线，曲线尾枝波动逐渐减小。因此，为保证瞬变电磁观测数据质量，测点与高压直流输电线在地面投影的直线距离应大于10 m。

图 5(Fig.5)

图 5 高压直流输电线路不同距离下的瞬变电磁能量衰减曲线对比 Fig.5 Comparison of transient electromagnetic energy decay curves at different distances on high voltage DC transmission lines

现场测量轨道中线距高压直流输电线距离大于20 m，根据上述试验可知，该线路对瞬变电磁数据采集基本无影响，故沿轨道交通线路中线布置一条瞬变电磁剖面和一条地质雷达测线，两者重合，测线全长1 200 m。测线起点为商聚路西站，终点为塘坊村站，瞬变电磁测点间距为5 m。测线布设见图 6。

图 6(Fig.6)

图 6 工区物探测线布设 Fig.6 The layout of the geophysical exploration line in the work area

（1）地质雷达法：使用SIR4000（劳雷公司研制）进行数据采集，设备参数如下：天线中心频率为100 MHz，介电常数为8，每秒扫描数100，采样点数为1 024，带通滤波范围（25—300）MHz。地质雷达法沿布置的测线进行连续测量方式的数据采集，测线全长1 200 m，根据场地实际情况，分段进行数据采集，将测线分为8个区段，分别为0—290 m、290—520 m、520—580 m、580—670 m、670—770 m、770—930 m、930—1 060 m、1 060—1 200 m。在早晚车流量干扰影响较弱时采集数据，数据质量满足规范要求。

（2）瞬变电磁法：使用HPTEM-18高精度瞬变电磁仪（湖南五维地质科技有限公司研制）进行数据采集，设备参数如下：发射频率为6.25 Hz，叠加周期500，重复2次。本次瞬变电磁数据采集时段选择在早晚，人文干扰相对较少，可为后续地质解释提供高质量的野外数据。

（1）采用RADAN7软件对地质雷达数据进行处理。数据资料经预处理，进行时间零点调节、距离归一、背景去噪、道间能量平均、垂直带通滤波（25 MHz—150 MHz）等处理，最后输出成果图。

（2）采用5DEM数据处理系统对高精度瞬变法资料进行处理。根据野外记录剔除金属器械引起的数据异常；对于来自天然电磁场和人工电场所引起的漏电及电磁波干扰，采取频谱分析与手工圆滑相结合的方法加以排除，之后进行去噪、静态校正及近场校正等处理，对曲线和视电阻率进行分析，使用瞬态弛豫反演方法对数据进行反演。设置反演约束系数为1，反演系数为0.2。然而，基准电阻率值不同，会导致反演结果在深度上发生变化。因此，在地质资料已知区域进行瞬变电磁数据反演试验，剖面长200 m，基准电阻率值分别为10 Ω·m、50 Ω·m、100 Ω·m、500 Ω·m、1 000 Ω·m、5 000 Ω·m，反演结果见图 7。

图 7(Fig.7)

图 7 不同基准电阻率值的反演成果 Fig.7 The results of the inversion of different reference resistivity values

由图 7可知，基准电阻率值不同，反演结果的整体特征仍较相似，但在深度上存在明显差异。以图中高阻体H的顶界面为例进行统计分析，可知在基准电阻率值为10 Ω·m、50 Ω·m、100 Ω·m、500 Ω·m、1 000 Ω·m、5 000 Ω·m时，其顶界面深度分别约为21 m、29 m、37 m、45 m、53 m和68 m。研究区已知地质资料表明，地表层为厚约1—2 m的素填土，3—20 m深度为第四系的粉土和黏土，其下为基岩，可知将基准电阻率值设置为10 Ω·m，反演获得的高阻体顶界面与已知下伏基岩顶界面吻合。因此，反演时将基准电阻率值设定为10 Ω·m。

（1）地质雷达成像。对采集的8段地质雷达数据进行精细处理，得到雷达成像图，见图 8，可见在深度18—30 m范围内为无效信号（不做参考解释）；在剖面280—340 m区段12—16 m深度和剖面410—510 m区段11—17 m深度范围内存在明显强反射现象，结合地质情况，判断该区域岩体破碎、岩溶发育。

图 8(Fig.8)

图 8 地质雷达成像剖面 Fig.8 Geological radar imaging profiles

（2）瞬变电磁反演。瞬变电磁反演结果见图 9，图中红色代表高电阻率，蓝色代表低电阻率。在近地表 0—15 m深度范围内，地层表现为低电阻率特征，电阻率值小于80 Ω·m，推断为粉土和黏土。随着深度增加，电阻率值增高，横向表现出分块特征，在反演剖面0—260 m、560—1 060 m区段表现为明显的高阻特征，电阻率值大于200 Ω·m，根据钻孔资料解释为白云岩。

图 9(Fig.9)

图 9 瞬变电磁反演成果 Fig.9 The result of transient electromagnetic inversion

在瞬变电磁反演剖面西侧，200—500 m区段为明显的低阻体，表现为电性梯度带，电阻率值为150—200 Ω·m，结合区域构造资料，推断为邵楼断裂的次级断裂F₁，宽度约为280 m，倾向SE，倾角约60°，断层内部岩体破碎，具有一定含水性。图中紫色线条圈出的封闭及半封闭低电阻率异常体（Y₂、Y₃、Y₄、Y₅），电阻率值小于100 Ω·m，推断为岩溶发育。这些岩溶分布在18—40 m深度范围内，与地质雷达成像（图 8）揭示的异常分布范围相吻合。

在瞬变电磁反演剖面东侧，1 060—1 210 m区段表现为明显的低阻特征，电阻率值约为150—200 Ω·m，根据已知地质资料，将其解译为邵楼断裂（F₆₀），囿于测线长度限制，未能揭示该断裂的东侧边界。邵楼断裂倾向为SE，倾角70°—75°，推测其呈NE走向。据区域地质资料分析，该断裂具有多期活动特性，早期为压扭性，因受构造应力作用，上盘产生大幅度斜落，故推测断裂为一压扭性同生正断裂。

布置4个钻孔，钻孔编号依次为Z₁、Z₂、Z₃和Z₄（图 9），取芯验证物探反演异常的可靠性，结果见图 10、表 2。其中，钻孔Z₁揭示了断层角砾岩，且存在明显擦痕[图 10(a)]，验证了物探反演所推断的断层F₁。钻孔Z₂岩芯表明，30.2—32 m深度段为空溶洞，32—38.7 m深度段为充填型溶洞，充填物为黏土，在30—30.2 m、38.7—40 m深度段为断层角砾岩[图 10(b)]，物探反演推断的岩溶异常Y₃深度范围为20—37 m。钻孔Z₃岩芯显示，10.7—24.4 m深度段为充填型溶洞，充填物为黏土，在10—10.7 m、24.4—25 m深度段为断层角砾岩[图 10(c)]，物探反演推断的岩溶异常Y₇深度范围为12—26 m。钻孔Z₄揭示，24.3—29 m深度段为充填型溶洞，充填物为黏土，在29—33.4 m深度段为空溶洞，在20—21.7 m深度段为泥质白云岩，21.7—24.3 m、33.4—35 m深度段为断层角砾岩[图 10(d)]，物探反演推断的岩溶异常Y₈深度范围为22—38 m。钻孔资料验证了物探反演解译结果的可靠性和相对准确性。

图 10(Fig.10)

图 10 钻孔Z1、Z2、Z3和Z4取芯验证结果 Fig.10 Results of core verification of boreholes Z1, Z2, Z3, and Z4

表 2(Table 2

表 2 物探异常与钻探结果对比Table 2 Comparison of physical anomalies with drilling results 物探异常编号 物探异常深度/m 钻孔编号 钻探验证深度/m 异常描述 Y3 20—37 Z2 30.2—32 空溶洞 32—38.7 充填型溶洞 Y7 12—26 Z3 10.7—24.4 充填型溶洞 Y8 22—38 Z4 24.3—29 充填型溶洞 29—33.4 空溶洞

表 2 物探异常与钻探结果对比 Table 2 Comparison of physical anomalies with drilling results

本次瞬变电磁法干扰试验表明，测点与高压直流输电线的地面投影位置距离在10 m以上，才能保证探测数据不受影响。瞬变电磁反演结果显示，剖面西侧260—540 m区段的低阻体为邵楼断裂的次级断裂F₁，倾向SE，倾角约60°，宽度约280 m，断裂带内岩体破碎，岩溶发育；电阻率值小于100 Ω·m的封闭及半封闭低阻异常体为溶洞。剖面东侧1 060—1 210 m区段的低阻异常体为邵楼断裂（F₆₀），倾向SE，倾角70°—75°，走向NE，为一压扭性正断层。钻孔结果分别对断裂F₁和岩溶Y₃、Y₇和Y₈进行了验证，结果表明，物探解释异常与实际吻合，证明了物探结果的可靠性。

地球物理反演存在多解性，加之受车辆干扰及地下管线、高压直流输电线分布等影响，在城市地铁地球物理勘察中，应尽量选取具有抗干扰能力强的综合地球物理探测方法，同时综合多物性、多参数进行分析，深入理解不同方法反演结果的差异性，切实有效地服务于实际需求。