微動譜比法在跨江公鐵大橋選址中的應用

汪文剛

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 地質路基設計研究院，湖北 武漢 430063)

1 引 言

擬建的監(jiān)利至華容長江公鐵兩用大橋位于長江窯監(jiān)河段，岸南為湖南省華容市，岸北為湖北省監(jiān)利市，建成后將連通南北兩岸地市，作為江漢平原貨運鐵路支線以及利華高速公路的過江通道，極大地促進了兩岸經濟發(fā)展以及方便了兩岸人民出行?？紤]到長江通航以及生態(tài)自然保護等問題，主橋初步設計為大跨度雙跨鋼桁梁斜拉橋，線位與橋位需結合地質情況進行設計。在前期的選線工作中，提出了若干比較方案，在初測階段，需要查明各論證方案沿線的地質情況，重點是覆蓋層厚度，其對后續(xù)設計以及施工造價影響很大。根據(jù)區(qū)域地質資料以及地調結果來看，該區(qū)域覆蓋層較厚，使用鉆探的成本高，周期長，不適合大規(guī)模開展，而微動譜比法具有經濟快速的特點，且對覆蓋層反映良好，因此，該項目采用微動譜比法對長江兩岸線路進行了初步勘探。

微動譜比法(Microtremor Horizontal-vertical Spectral Ratio，簡稱MHVSR)是最近幾年發(fā)展比較快的一種物探方法，在工程勘察中應用于探測地下巖溶、活動斷裂、基巖分界面等方面，都取得了較好的效果。微動探測可視為地震勘探的一種，其震源包括了自然環(huán)境中的振動(如地脈動、潮汐等)以及人類活動產生的振動(如車輛行駛、機器運作等)[1,2]，屬于天然被動源面波方法，因此微動探測方法對環(huán)境要求較低，不受電磁和環(huán)境噪聲的影響，實施起來方便快捷[3,4]。微動探測根據(jù)采集方式的不同，分為臺陣法和譜比法。臺陣法采用多個單分量檢波器以一定的布設方式(如三角形、六邊形、方形等)進行數(shù)據(jù)采集，然后提取頻散曲線來反演地下速度剖面[5-8]，但是這種方式檢波器布設方式復雜。與之相比，譜比法是一種更為簡單快捷的方法，它是采用單個或多個三分量檢波器，沿測線方向進行布設，簡單易行。譜比法最早由Nogoshi和 Igarashi提出[9]，后經 Nakamura推廣應用到場地效應評價[10,11]，其研究結果表明，三分量檢波器采集到的微動信號，其水平分量和垂直分量的傅里葉譜之比(H/V)可以反映地層的橫波速度結構。具體來說，H/V譜比曲線的峰值頻率與地層的卓越頻率非常接近[12,13]，而卓越頻率和地層分界面深度存在冪指數(shù)函數(shù)關系[14]，據(jù)此，可根據(jù)H/V譜比曲線峰值頻率估算地層分界面深度。此外，對H/V譜比曲線反演還可以獲得地層的橫波速度剖面[15-19]，并且僅利用單臺三分量檢波器采集的數(shù)據(jù)即可計算出H/V譜比曲線，實施起來更加簡單易行。

綜上所述，微動譜比法具有抗干擾能力強、數(shù)據(jù)易采集、環(huán)保等優(yōu)點，并可以提供卓越頻率、沉積層厚度、地層橫波速度等信息，可以在探測淺地表結構上發(fā)揮作用。因此，本文結合擬建的監(jiān)利至華容長江公鐵兩用大橋項目的前期勘察工作，應用微動譜比法對研究線路進行淺地表地質勘察，通過與鉆孔資料對比，證明了該方法的可靠性。此外，在項目初測階段，該種方法顯現(xiàn)出了明顯的經濟性和快速性的特點，可大規(guī)模開展使用。

2 方法原理

在微動譜比法中，“譜比”指的是微振動信號的水平分量和垂直分量的傅里葉譜之比(即H/V)。微動主要由體波和面波組成，地表記錄到的微動水平分量和垂直分量的傅里葉譜可以表示為[2]：

(1)

其中，Ah和Av分別是垂直入射體波的水平分量和垂直分量的放大系數(shù)；Hb和Vb是基巖內體波的水平分量和垂直分量的傅里葉譜；Hs和Vs是面波的水平分量和垂直分量的傅里葉譜。H/V譜比值可表示為：

(2)

其中，一般認為Hb/Hb≈1，即基巖沒有放大作用。當微動中面波能量可以忽略時，微動主要由松散沉積層的反射橫波組成，H/V近似為Ah的值；當微動中面波占主要成分時，此時H/V近似為Hs/Vs，即微動的H/V近似為面波的水平分量和垂直分量的傅里葉譜之比。

Nogoshi和Igarashi通過對微動H/V譜的研究，得出微動的主要成分為Rayleigh波的結論[9]，而Rayleigh波在層狀介質中具有頻散特性，且與地層的剪切波速VS密切相關。Nakamura的研究表明，微動H/V譜比與地層垂直入射S波的放大因子相似[10,11]，即不同的微動譜比可以反映不同的VS(單位：m/s)結構剖面，具備速度反演的條件。常見的H/V譜比曲線有明顯的峰值頻率f0(單位：Hz)，Bonnefoy-Claudet通過大量的模擬實驗表明該頻率與地層的厚度h(單位：m)以及VS波速有關[20]：

(3)

Seht和Wohlenberg發(fā)現(xiàn)地層厚度h和H/V譜比曲線的峰值頻率f0具有冪指數(shù)關系[14]，推導出經驗關系式：

(4)

以上均可以作為判斷地層厚度以及VS波速的依據(jù)。

在反演方面，可通過不斷調整地層厚度h以及VS波速這兩個參數(shù)，其他參數(shù)保持不變，擬合模型與觀測的H/V譜比曲線。為研究方便起見，可以對H/V譜比值取對數(shù)，即反演目標函數(shù)可以表達為[21]：

(5)

其中，E為誤差值;(H/V)m為實際觀測值;(H/V)r為理論計算值;N表示取H/V譜比曲線上的若干個頻點進行反演。反演可利用全局優(yōu)化遺傳算法、模擬退火法、最小二乘法等進行。

3 應用實例

3.1 區(qū)域地質概況

橋址選線區(qū)域位于長江窯監(jiān)河段，南側華容岸地處洞庭湖平原的北部，地勢西北低，東南高，堤內河漫灘狹窄，堤外側由平原一級階地過渡至壟崗地貌，地形稍有起伏，地表植被發(fā)育，多以農作物和灌木為主(圖1a)。北側監(jiān)利岸屬于江漢平原南緣，堤內河漫灘寬緩，地形平坦開闊，堤外為一級階地地貌，地勢起伏相對較小，地表多農田，水塘豐富，房屋密集分布(圖1b)。

圖1 橋位選址區(qū)域地形地貌Fig.1 Topography of bridge location selection area

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2015)與《鐵路工程抗震設計規(guī)范》(GB50011—2006)(2009年版)，橋位選線區(qū)域為IV類場地，地震動峰值加速度為0.065 g，地震動反應譜特征周期為0.45 s。

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

根據(jù)前期的地質調查以及綜合考慮長江生態(tài)保護、水源保護、城鎮(zhèn)規(guī)劃、河勢以及航道暢通等多種因素，橋位選址初步設計有馬家垸橋位、東山橋位、鄢鋪橋位三種方案(圖2)，線路江岸兩側各500 m為勘探區(qū)域，總計勘探長度3 km。微動譜比法采用中鐵第四勘察設計集團有限公司自主研發(fā)的分布式多功能地震采集站①采集三分量微動信號，以20臺采集站為一個排列沿設計線路布設，采集站布設間距為10 m，觀測時長為20 min，逐排列連續(xù)觀測完成全測線的數(shù)據(jù)采集。在布設采集站時，預先設計好每個采集站的點位，并利用GPS進行放樣和定位，獲取每個采集站的實際精確位置，以便進行帶地形的速度剖面反演。

圖2 橋位選址方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of bridge location selection scheme

數(shù)據(jù)采集完成后，需要對數(shù)據(jù)進行簡單處理，使用反地震觸發(fā)STA/LTA算法剔除瞬變信號，保留穩(wěn)定的微動數(shù)據(jù)(圖3a)，以固定時窗為單位分別計算水平和垂直方向的傅里葉譜，其中水平方向傅里葉譜為兩個相互垂直的水平方向傅里葉譜的均方根值，然后對傅里葉譜進行平滑，計算水平與垂直方向傅里葉譜的比值，生成H/V譜比曲線(圖3b)。

圖3 微動波形記錄與譜比曲線Fig.3 Microtremor wave record and H/V spectral ratio curve

圖3為部分實測的數(shù)據(jù)以及某道的譜比曲線，通過拾取H/V譜比曲線的峰值頻率來確定初始模型的地層厚度以及速度大小，采用全局尋優(yōu)最小二乘法和遺傳算法混合反演，得到各測線的橫波速度剖面(圖4)，以上數(shù)據(jù)處理以及反演均通過中鐵第四勘察設計集團有限公司自主研發(fā)的城市淺層智能成像系統(tǒng)軟件進行。

圖4 反演與解釋結果Fig.4 Inversion and interpretation results

3.3 成果解釋與鉆孔驗證

從反演的橫波速度剖面來看，地層淺部層狀特征較為明顯，第四系地層覆蓋較厚，大約為60～70 m，部分區(qū)域達到100 m左右。深部二長花崗巖地層存在不均勻風化，較為破碎?？辈旆秶鷥任匆娒黠@的斷裂、褶皺等地質構造，可能的隱伏構造在深厚的覆蓋層之下對工程的影響較小。

根據(jù)經驗，以400 m/s左右的橫波速度劃分土石分界面，從解釋結果來看，兩岸土石分界面延續(xù)性良好。馬家垸橋位方案呈現(xiàn)近江岸覆蓋層厚，遠江岸覆蓋層薄的特點；東山橋位方案北岸覆蓋層厚，在距江岸140 m左右突然變薄，并一直延伸到南岸，經現(xiàn)場踏勘，南岸局部有基巖出露，為小墨山隆起，與實際情況相吻合；鄢鋪橋位方案整體覆蓋層變化較為平緩，在南岸200～500 m淺地表覆蓋層速度較高，經調查，此區(qū)域為人工填土，淺地表含大量碎石、磚渣、生活垃圾等，造成覆蓋層速度偏高，也可能是由于采集數(shù)據(jù)時附近鉆機施工造成。

在此次勘察階段中，鄢鋪橋位方案南岸430 m處設有鉆機一臺，根據(jù)鉆探結果，主要可分為淺地表的粉砂、粉砂質黏土以及深部的全風化、強風化二長花崗巖，其分界面深度為69.40 m，與微動譜比法解釋結果一致。此外，在鄢鋪橋位方案北岸測線-220 m處布設有鉆機一臺，鉆探結果表明淺部仍為粉質黏土、粉砂、礫砂地層，深部為全風化、強風化二長花崗巖，分界面深度為65.6 m，通過與測線原點處的土石分界面對比，兩者相差不大，滿足地層起伏誤差。在其他方案測線上也布有若干鉆機，后期待鉆探結果出來后可進一步驗證。

4 結 語

采用微動譜比法對監(jiān)利至華容公鐵大橋橋址選擇方案的沿線地質勘察結果表明：微動譜比法反演的橫波速度剖面可以直觀地反映地下的地質情況，易于確定覆蓋層厚度，發(fā)現(xiàn)斷層等地質構造等。通過與鉆探資料的對比分析得出：微動譜比法反演結果具有較好的穩(wěn)定性和可靠性，與鉆探解釋成果相一致，且分辨率較高，能夠精細地反映地下空間巖性的變化情況，可為橋位選線提供地質依據(jù)。

微動譜比法利用天然噪聲信號，具有較強的抗環(huán)境干擾能力，可適用于多種復雜的應用場景，其采集設備輕巧便攜，布設方式簡單，采集流程自動化程度高，因此該方法具有經濟、高效、快速、無損、環(huán)保等優(yōu)點，在工程勘察中可推廣應用，特別是在概查、普查階段，該方法可以快速得出較為可靠的結果，且節(jié)省人力物力成本。