微動探測方法在城市工程地質(zhì)勘察中的應用

卓啟亮，于 強

(1.浙江省地球物理地球化學勘查院，浙江 杭州 310005；2.中鐵第六勘察設計院集團有限公司,天津 300308)

1 引 言

一直以來，鉆探是城市工程地質(zhì)勘察的主要手段，但是受到城市環(huán)境、勘察成本等因素限制，且僅憑一孔之見難以確定不良地質(zhì)體的發(fā)育規(guī)模及分布規(guī)律。物探探測技術(shù)作為一種高效、無損的勘察手段，被廣泛地應用于城市工程地質(zhì)勘察中，如地質(zhì)雷達法、地震映像法、井間CT等，在城市不良地質(zhì)體探測、地下管道探測、土體分層等方面都取得了很好的效果。但是復雜的城市環(huán)境、強干擾(電磁干擾、振動干擾)、密集的建筑物等，都極大地限制了各種物探方法在城市工程勘察中的應用范圍和效果[1]。

微動探測方法作為一種天然源面波方法，早期主要利用長周期(大于1 s)信號估算地球深部橫波速度結(jié)構(gòu)來研究地球深部的物質(zhì)組成和屬性變化。近些年，隨著技術(shù)的發(fā)展，短周期(小于1 s)微動信號被用來估算淺部橫波速度結(jié)構(gòu)，探測淺層不良地質(zhì)體[2]。與其他物探方法比較，微動探測具有抗干擾能力強、探測深度大等特點，可以廣泛地應用于城市工程地質(zhì)勘察。本文以基巖破碎區(qū)注漿勘察、地下空洞勘察為例，介紹了微動探測方法在城市工程地質(zhì)勘察中的應用。

圖1 圓形臺陣布置Fig.1 Arrangement of circular array

2 微動探測方法

2.1 微動探測原理

微動是地球表層由自然現(xiàn)象和人類活動引起的各種微動的總稱，它具有以下特點：①地球表面無論何時何地都存在；②空間分布、觸發(fā)時間、強度、方向是隨機的；③面波能量占微動總能量70 %以上；④在一定的時空范圍具有統(tǒng)計穩(wěn)定性，可以用時間和空間上的平穩(wěn)隨機過程描述[3，4]。微動探測方法是以平穩(wěn)隨機過程為依據(jù)，利用不同的觀測方式獲取微動信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理和分析得到瑞雷面波的頻散曲線，根據(jù)瑞雷面波在非均勻介質(zhì)中的頻散特性對頻散曲線進行反演，進而獲取地下介質(zhì)的橫波速度的一種方法[5-10]。

2.2 微動探測的數(shù)據(jù)采集

為了準確提取面波頻散信息，微動探測方法主要通過二維臺陣采集信號，臺陣的布置方式主要有圓形臺陣、內(nèi)嵌三角形臺陣、L形臺陣等，目前使用最為廣泛的是圓形臺陣。圓形臺陣中觀測臺站的數(shù)量為4～13個，一個布置于圓心位置，其他則均勻布置在圓周上。也可以將多個圓形臺陣進行組合，形成多重圓形觀測臺陣。臺陣中測量臺站越多，頻散曲線的連續(xù)性越好，能量峰值越集中，誤差也就越?。粓A形臺陣的探測深度與圓形的半徑成正比，一般為3～5倍半徑。由于微動信號在時間及空間上具有隨機性，為了保證提取的頻散曲線的質(zhì)量，數(shù)據(jù)采集必須足夠長，一般為10～15 min[4]。

2.3 微動探測數(shù)據(jù)處理

微動探測方法面波頻散信息提取主要采用空間自相關(guān)法(spac)，根據(jù)空間自相關(guān)函數(shù)和零階第一貝塞爾函數(shù)的關(guān)系計算出面波的相速度，進而得到面波的頻散曲線。頻散曲線的反演是基于其正演方法，即建立面波的方程及方程的求解，并與實測資料進行迭代擬合，獲得橫波信息，目前主要利用局部線性化方法中的最小二乘法[11,12]。

圖2 微動數(shù)據(jù)處理流程Fig.2 Flow chart of microtremor data processing

圖3 工區(qū)1測線布置Fig.3 Survey line layout of exploration area 1

3 工程實例

3.1 基巖破碎區(qū)注漿勘察

基巖破碎帶作為一種地質(zhì)不良地質(zhì)體，對地下工程的施工影響非常大，有時甚至會造成重大的安全事故，因此對基巖破碎帶的勘察和處理的重要程度不言而喻[13-16]。深圳地鐵某段在盾構(gòu)施工的過程中突遇基巖破碎區(qū)，施工風險驟增，為了確保施工安全，需要開展相關(guān)的勘察工作，查明基巖破碎區(qū)的分布情況，為注漿工作提供依據(jù)，并針對軟土等工程地質(zhì)狀況，評價注漿后的效果，為地鐵盾構(gòu)施工提供安全性依據(jù)。

工作場地位于城區(qū)快速路主干道，交通繁忙，地下管線(道)分布較多，總體物探環(huán)境較差。根據(jù)地質(zhì)資料，本場地地層從地表向下依次為第四系覆蓋層、強風化花崗巖、中風化花崗巖。第四系覆蓋層由雜填土、砂層、礫質(zhì)黏性土及粉質(zhì)黏土組成；花崗巖地層由于不均勻風化原因，各風化層界面起伏較大。根據(jù)場地條件和任務要求，決定開展微動探測工作，沿隧道中線、中線南側(cè)10 m處各布置一條測線(圖3)，長度分別為67.5 m和55 m，數(shù)據(jù)采集采用圓形臺陣，半徑3 m，測點點距為2.5 m，單點數(shù)據(jù)采集時長15 min。工區(qū)各地層物性見表1。

表1 工區(qū)1物性參數(shù)

圖4(a)、圖4(b)為注漿前橫波速度剖面，該段剖面具備較明顯的分層特征，但地層橫向波速變化較大，基本呈高低交錯分布狀態(tài)。參照已有地質(zhì)資料，推斷第四系覆蓋層(含全風化基巖)厚度約12.0～16.0 m，橫波速度VS約為150.0～350.0 m/s；強風化層厚度約為4～8 m，VS約為350.0～550.0 m/s；中風化層VS大于550 m/s；在測線1的10～23 m、50～55 m段和測線2的9～16 m、37～66.5 m段，下伏地層出現(xiàn)低速異常區(qū),VS約為350.0～550.0 m/s，相對圍巖較低，推斷解釋為花崗巖強風化破碎區(qū)。由于隧道洞身穿越破碎區(qū)，隧道施工風險較大。綜合測線1和測線2的探測成果，推斷了兩處基巖破碎帶的位置及走向(圖3)，并建議在該區(qū)域開展注漿工作。

圖4 工區(qū)1橫波剖面Fig.4 S-wave profile of exploration area 1

圖4(c)為注漿后測線2的橫波速度剖面，對比分析注漿前橫波速度剖面，剖面的橫波速度整體都有所提高，特別是2處低速異常區(qū)注漿后基本消失。未注漿前圈定的基巖風化破碎區(qū)波速平均值VS=450.0 m/s，注漿后的波速平均值VS=720.0 m/s，注漿后波速值提高了60 %以上，速度絕對值提高顯著，表明注漿處理后地層密實度增大，隧道洞身圍巖得到加固，注漿效果明顯，成果顯著。

注漿后，盾構(gòu)施工順利通過該段地層，對比隧道掘進地質(zhì)資料，微動探測成果與實際情況基本相符。

3.2 空洞勘察

城市地下由于長期的人類活動形成了大量的地下空洞，如人防工程、采礦巷道等，會對工程施工和運營造成很大的危害[17-23]。大連某建筑工程場地內(nèi)存在一個人防工程，該人防工程修建年代久遠，現(xiàn)已廢棄，且無詳細的位置信息，需要查明人防工程的位置及埋深信息，為后期治理工作提供可靠的信息。

工作場地主要位于城市道路及工廠內(nèi)，振動及電磁干擾強烈。場地內(nèi)第四系覆蓋層主要為雜填土及黏土，下伏基巖為白云巖。根據(jù)場地條件和任務要求，決定開展微動探測工作，在場地內(nèi)共布置微動測線3條，數(shù)據(jù)采集采用圓形臺陣，半徑3 m，測點點距5 m，局部加密至2 m，測線布置如圖5所示。工區(qū)各地層物性見表2。

表2 工區(qū)2物性參數(shù)

圖5 工區(qū)2測線布置Fig.5 Line layout of exploration area 2

圖6為三條微動探測測線的反演橫波速度剖面。由橫波速度剖面可知，場地內(nèi)地層層狀特征較為明顯，有淺至深，橫波速度逐漸變大，其中覆蓋層底部高程為-12～0 m，橫波速度約為200～600 m/s；下伏為白云巖，強風化層橫波速度約為600～900 m/s，中風化層橫波速度較高，大于900 m/s。在測線1的26～30 m處、測線2的6～10 m處、測線3的2～6 m處中風化白云巖層中存在低速異常，異常橫波速度遠小于周圍巖體，異常區(qū)域呈閉合或半閉合狀態(tài)，異常頂部高程約為-12 m，推斷為人防工程，人防工程處于未填充或半填充狀態(tài)，且填充物多為碎石，故呈低速異常。

圖6 工區(qū)2橫波剖面Fig.6 S-wave profile of exploration area 2

微動探測工作結(jié)束后，根據(jù)探測成果分別在三處低速異常體位置布置了鉆孔ZK1、ZK2、ZK3，鉆孔的驗證結(jié)果與微動探測成果完全相符，結(jié)合鉆孔成果和微動探測成果，大致確定了人防工程的平面位置及埋深，達到了預期目的。

4 結(jié) 論

根據(jù)微動探測方法在城市工程地質(zhì)勘察中取得的成果得出以下結(jié)論：

1)微動探測方法作為一種天然源探測技術(shù)，具有較強的抗振動、抗電磁干擾的能力，能夠廣泛地應用于城市工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域。

2)微動探測方法獲得的橫波速度剖面具有形象、直觀等特點，通過注漿前橫波剖面可以確定基巖破碎帶發(fā)育形態(tài)、規(guī)模，給注漿工作提供了可靠的地質(zhì)資料，通過注漿前后橫波速度剖面的對比，能夠非常直觀、便捷地檢測注漿效果。

3)微動探測方法具有較高的橫、縱向分辨率，對埋深相對較大(大于15 m)、小規(guī)模發(fā)育的地質(zhì)異常，如空洞、巖溶等，具有較高的分辨率，彌補了其他常規(guī)物探探測技術(shù)在這類地質(zhì)異常探測中的不足。

4)由于實際地質(zhì)情況的復雜性和物探成果的多解性，在微動探測成果解釋過程中，綜合分析相關(guān)的地質(zhì)資料，有利于提高成果解釋的準確性。