微動(dòng)技術(shù)在城市地下病害體探測(cè)中的應(yīng)用研究

蔡祖華，劉宏岳，鄭金秋，林朝旭，黃佳坤，

殷 勇1,2,3，張紅梅1，林孝城1

1 引 言

近年來(lái)城市地下病害體問(wèn)題日益突顯，道路塌陷事故時(shí)常發(fā)生，嚴(yán)重影響了城市交通安全和居民日常生活。2018年10月1日頒布實(shí)施的住建部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市地下病害體綜合探測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，總結(jié)推薦了近年探測(cè)城市地下病害體的地球物理方法。城市地下病害體勘探條件非常復(fù)雜，因?yàn)槿祟惢顒?dòng)中的各種機(jī)械振動(dòng)、城市中的強(qiáng)電磁波干擾、復(fù)雜的城市空間與地表?xiàng)l件及高精度要求等多重因素均影響著各種探測(cè)方法的開(kāi)展，導(dǎo)致不同的探測(cè)方法要求的實(shí)施條件不同，如探地雷達(dá)要求避開(kāi)強(qiáng)電磁干擾。而微動(dòng)勘探技術(shù)不受強(qiáng)電磁的干擾，其震源為被動(dòng)源，利用了自然界各種活動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)(如：空氣流動(dòng)、火山活動(dòng)、板塊運(yùn)動(dòng)、潮汐活動(dòng)等)和人類的各種活動(dòng)(如：汽車、火車、機(jī)械活動(dòng)等)。這些震動(dòng)的頻率從零點(diǎn)幾赫茲到幾千赫茲不等，微動(dòng)勘探利用所有這些震動(dòng)能量產(chǎn)生的波來(lái)探明地下病害體。因此在復(fù)雜地表與特殊環(huán)境下，微動(dòng)勘探技術(shù)是一種更加便捷有效的無(wú)損探測(cè)技術(shù)。

微動(dòng)勘探的歷史比較久，早在20世紀(jì)50年代，日本學(xué)者Aki(1957年)使用空間自相關(guān)法(SPAC,Spatial Autocorrelation)首次從微動(dòng)信號(hào)中提取出了面波頻散曲線；1969年，Capon提出了新的方法(HRFK,High Resolution Frequency Wavenumber Method),并成功地定位了核實(shí)驗(yàn)場(chǎng)位置和地震震源位置。隨后，尤其在最近的20年中，由于硬件計(jì)算能力的不斷提升和軟件技術(shù)的發(fā)展，微動(dòng)勘探分析方法在城市工程中的應(yīng)用得到了很大的發(fā)展。為了提高微動(dòng)勘探在地下城市病害體的解釋精度，本文將微動(dòng)勘探技術(shù)中地層多個(gè)相關(guān)屬性(如：H/V譜比曲線、頻散曲線、相速度剖面等)進(jìn)行綜合解釋，結(jié)果表明，多種相關(guān)屬性綜合解釋能夠有效避免單一屬性判別的誤判，該種微動(dòng)技術(shù)分析方法能夠適應(yīng)復(fù)雜的城市環(huán)境，在城市地下病害體工程中是一種有效的探測(cè)手段[1，6]。

2 微動(dòng)勘探技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 基本原理

微動(dòng)探測(cè)方法是以平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程理論為依據(jù)，從微動(dòng)信號(hào)中提取面波(瑞利波)的頻散曲線[7]，通過(guò)對(duì)頻散曲線進(jìn)行反演，最終通過(guò)橫波速度的差異來(lái)解釋地下結(jié)構(gòu)。

微動(dòng)具有如下基本特征：

1)地球表面無(wú)論何時(shí)何地都存在震動(dòng)；

2)動(dòng)源的空間分布、觸發(fā)時(shí)間及源的強(qiáng)度是隨機(jī)的；

3)在某一固定的位置，波的到來(lái)方向一般不確定；

4)頻率一般較低；

5)微動(dòng)探測(cè)中攜帶有面波所固有的頻散信息。

2.2 微動(dòng)勘探技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1)不受城市市區(qū)場(chǎng)地空間與地表?xiàng)l件影響。

2)微動(dòng)探測(cè)對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求。且利用通常概念的“噪音”作為測(cè)試信號(hào)，市區(qū)提供豐富的高頻信號(hào)源(經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)附近的重型載重車輛除外)。

3)微動(dòng)勘探不需要人工激發(fā)的震源。

4)地層橫向的速度變化極其敏感，對(duì)探測(cè)病害體有方法本身的優(yōu)勢(shì)[8]。

5)微動(dòng)探測(cè)與少量鉆孔結(jié)合，可以較準(zhǔn)確地解釋地下結(jié)構(gòu)的二維剖面。

3 數(shù)據(jù)分析與處理方法

3.1 處理流程

微動(dòng)勘探勘探方法的一般流程與主動(dòng)源方法相似，即有三大步驟，數(shù)據(jù)采集(觀測(cè)臺(tái)陣)、數(shù)據(jù)處理(提取頻散曲線、H/V曲線)和成果解釋(頻散曲線反演)(見(jiàn)圖1和圖2)。

圖1 速度剖面獲取流程Fig.1 Flow chart of velocity profile acquisition

圖2 H/V曲線獲取流程Fig.2 The H/V curve acquisition flow chart

3.2 數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)微動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣信號(hào)反演場(chǎng)地速度結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)主要方面：一是從微動(dòng)觀測(cè)記錄中提取頻散曲線；二是利用頻散曲線反演場(chǎng)地相速度結(jié)構(gòu)[9]。微動(dòng)數(shù)據(jù)處理中，頻率波數(shù)法與H/V譜比法是主要的方法。

3.2.1 高分辨率頻率波數(shù)法(HRFK)

傳統(tǒng)F-K法(CVFK,Conventional Frequency Wavenumber Method)的具體實(shí)現(xiàn)的步驟為，首先將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分為若干段，選擇有效的數(shù)據(jù)段；接著對(duì)各個(gè)方向上的信號(hào)進(jìn)行二維傅里葉變換后得到頻散譜；然后將所有方向的頻散譜進(jìn)行疊加，獲得所有的頻散總譜，最終提取出頻散曲線。而高分辨率頻率波數(shù)變換(HRFK)采用的是Capon(1969年)的算法，是一種基于廣義波束聚焦的自適應(yīng)復(fù)空間加權(quán)算法，該算法廣泛應(yīng)用于分析窄頻帶平穩(wěn)信號(hào)的頻率波數(shù)域分析。其功率譜P為：

(1)

其中,(xi,yi)為觀測(cè)x點(diǎn)坐標(biāo);kx,ky為波數(shù)矢量；φij(ω)為各個(gè)點(diǎn)之間信號(hào)相關(guān)性構(gòu)成的矩陣的逆矩陣的元素[9]。通過(guò)ω的選擇，HRFK使波數(shù)不同于優(yōu)勢(shì)信號(hào)的互功率譜能量最小化實(shí)現(xiàn)分辨率的提高[10]。

3.2.2 H/V譜比法

首先由Nogoshi和Igarashi提出，經(jīng)Nakamura推廣應(yīng)用于場(chǎng)地響應(yīng)評(píng)估[11]。H/V值使用單臺(tái)水平、垂直分量頻譜相比得到，利用面波H/V曲線使用了最大似然估計(jì)法進(jìn)行反演，防止數(shù)據(jù)發(fā)散，得出測(cè)點(diǎn)下地層的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在水平層狀介質(zhì)中，頻率為ω的微動(dòng)面波H/V譜比可定義為:

(2)

其中，PNS(ω)和PEW(ω)為水平運(yùn)動(dòng)傅里葉功率譜；PUD(ω)為垂直運(yùn)動(dòng)傅里葉功率譜[12]。

4 城市地下病害體探測(cè)工程應(yīng)用

4.1 探測(cè)工程案例·馬路沉降坍陷

4.1.1 工程概況

本次工程物探工作采用無(wú)損的微動(dòng)探測(cè)技術(shù)，在委托方指定的已發(fā)生地面沉降區(qū)域開(kāi)展微動(dòng)探測(cè)工作，以探明引起地面沉降不良地質(zhì)體的平面位置、埋深以及分布范圍，為盾構(gòu)法施工提供地質(zhì)依據(jù)。

本區(qū)間場(chǎng)地沿線勘探深度范圍內(nèi)地層主要為雜填土、黏土、淤泥、淤泥中細(xì)砂交互層、淤泥夾砂、(含泥)粉細(xì)砂、(含泥)中砂、(含細(xì)砂)粉質(zhì)黏土、(含泥) 粗中砂、卵石(砂質(zhì)填充)、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(砂土狀)、中風(fēng)化花崗巖。場(chǎng)地各土層在水平方向上的分布及性質(zhì)不均勻，在垂直方向土層軟硬相間，均勻性差。

4.1.2 微動(dòng)探測(cè)成果解釋

本次探測(cè)總長(zhǎng)度為48.0 m；各微動(dòng)測(cè)點(diǎn)平面位置見(jiàn)圖3，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，對(duì)比分析鉆孔資料，對(duì)本工程各微動(dòng)剖面進(jìn)行分析與解譯，最終獲得成果解釋圖。

以單點(diǎn)M5為例，如圖4可以看到異常區(qū)中M5點(diǎn)所得H/V曲線圖中高頻部分雜亂且多峰值；由此反應(yīng)出此處淺層土層松散，結(jié)構(gòu)可能已經(jīng)遭到破壞。

圖4 M5臺(tái)陣測(cè)點(diǎn)H/V曲線Fig.4 The H/V curve of M5 arrayobservation points

L1段(圖5，圖6)測(cè)點(diǎn)的H/V曲線多為尖單峰形態(tài)，為突出異常，本次H/V成果圖用V/H成果圖代替。由圖5所示的V/H等值線圖可知，測(cè)點(diǎn)M4與M5在4.0～45.0 Hz頻率段出現(xiàn)多個(gè)量值較大區(qū)域，反映地表下方存在多個(gè)地層阻抗界面；由圖6所示的相速度等值線圖可知，測(cè)點(diǎn)M3至M6段在10.0～19.0 Hz與31.0～55.0 Hz(深度約3.9～16.9 m)發(fā)現(xiàn)2個(gè)明顯的低速軟弱層；軟弱層的存在易引起地面沉降。而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘可知，測(cè)點(diǎn)M4與M5附近區(qū)域已出現(xiàn)過(guò)沉降，并已注漿處理過(guò)，可從側(cè)面驗(yàn)證此次結(jié)果正確。

圖5 L1測(cè)線V/H等值線Fig.5 The V/H contour map of L1 survey line

圖6 L1測(cè)線面波頻率-相速度等值線Fig.6 The contour map of surface wave frequencyandphase velocity of L1 survey line

綜上所述，根據(jù)速度成果剖面與H/V等值線圖顯示，沉降區(qū)域剖面下方淺部低速層厚度呈兩端薄中間厚，這與沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示的兩端沉降小中間沉降大的情況存在對(duì)應(yīng)關(guān)系；勘察資料顯示結(jié)構(gòu)底板下方土層基本為中砂(砂層中局部夾薄層淤泥質(zhì)土)，也驗(yàn)證該范圍中砂土體結(jié)構(gòu)較松散。

4.2 探測(cè)工程案例·某車站明挖區(qū)沉降

4.2.1 工程概況

某工程對(duì)車站凈空斷面進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量后發(fā)現(xiàn)東明挖區(qū)間出現(xiàn)局部標(biāo)高整體下沉，最大下沉約23 cm，西明挖區(qū)間和車站并未出現(xiàn)下沉。東明挖區(qū)間與車站交界位置橫向裂縫一條。圖7的裂縫長(zhǎng)度約8 m，寬度約2～3 mm，深度2～4 cm。

圖7 東明挖區(qū)與車站交界處裂縫照片F(xiàn)ig.7 The cracks at the junction of dongming excavation and station

東明挖區(qū)沉降區(qū)域上方目前已鋪設(shè)鐵軌，如圖8鐵軌高出鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底板約1 m，鐵軌下方與結(jié)構(gòu)底板之間已完成部分鋼筋綁扎，但未澆筑混凝土?？辈熨Y料顯示，東明挖區(qū)結(jié)構(gòu)底板持力層為中砂，局部存在薄層淤泥質(zhì)土。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.8 The scene photos

為了查明東明挖區(qū)沉降區(qū)域下方土層情況，采用物探方法進(jìn)行探測(cè)，由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件較差，環(huán)境復(fù)雜，存在各種干擾因素，導(dǎo)致電法類的物探方法無(wú)法開(kāi)展工作(包括可以探測(cè)淺部土層結(jié)構(gòu)的探地雷達(dá))；而采用的微動(dòng)探測(cè)技術(shù)，以天然震動(dòng)為震源，不受各種金屬干擾，可以靈活采用適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境特點(diǎn)的臺(tái)陣類型，克服較差的施工條件，并且綜合使用面波相速度和H/V兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行成果分析，能夠達(dá)到較高的解釋精度。

本次現(xiàn)場(chǎng)微動(dòng)臺(tái)陣布置每個(gè)臺(tái)陣含6個(gè)檢波器，分別在兩根鐵軌下方結(jié)構(gòu)底板上各安放3個(gè)檢波器(T1～T6為檢波器安放位置)。完成一個(gè)臺(tái)陣的測(cè)試后，臺(tái)陣整體往前移動(dòng)6 m，繼續(xù)下一個(gè)臺(tái)陣的測(cè)試。

4.2.2 微動(dòng)探測(cè)成果解釋

微動(dòng)探測(cè)成果的解釋主要基于面波相速度和H/V兩個(gè)參數(shù)，面波相速度的高低直接反映土層的軟硬程度，H/V曲線的峰值反映土層中的阻抗界面，也是劃分土層分界面的依據(jù)之一[9]。

4.2.3 下行線XK29+572～XK29+770探測(cè)成果分析：

圖9為下行線XK29+572～XK29+770里程段的面波頻率相速度剖面圖，橫坐標(biāo)為里程，縱坐標(biāo)為頻率，高頻部分反映地下淺部的土層信息，低頻部分反映地下深部的土層信息，不同顏色代表不同相速度值，相速度值大小參照右側(cè)色標(biāo)柱。圖中黑色曲線為速度值約為200m/s的等值線。圖中將頻率按探測(cè)深度為半波長(zhǎng)的關(guān)系轉(zhuǎn)換為標(biāo)高。

圖9 下行線XK29+572～XK29+770面波頻率-相速度剖面Fig.9 The cross section of XK29+572 ～ XK29+770 surfacewave frequency-phase velocity

圖10為下行線XK29+572～XK29+770面波深度-相速度剖面圖，從圖10中可以看出：

圖10 下行線XK29+572～XK29+770面波深度-相速度剖面Fig.10 The lower line XK29+572 ～ XK29+770 Surface wave depth-phase velocity profile

1)面波相速度為200 m/s的等值線形態(tài)基本為兩端淺中間深，這與沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示的兩端沉降小中間沉降大(沉降最大的位置為XK29+675附近)的情況存在對(duì)應(yīng)關(guān)系；

2)XK29+675為中心的區(qū)域附近低速層厚度相對(duì)較大，往大里程和小里程方向低速層厚度變小，勘察資料顯示東明挖區(qū)結(jié)構(gòu)底板持力層為中砂，推斷該范圍中砂土體結(jié)構(gòu)較松散；

3)剖面局部較深的區(qū)域存在高速異常為未知障礙物或者地質(zhì)體，推斷與沉降不存在直接關(guān)系。

圖11為Z9臺(tái)陣測(cè)點(diǎn)的H/V曲線圖，橫坐標(biāo)為頻率，高頻部分反映地下淺部的土層信息，低頻部分反映地下深部的土層信息，縱坐標(biāo)為H/V的量值，一般頻率較低的最大峰值對(duì)應(yīng)基巖面，頻率較高的其他峰值對(duì)應(yīng)基巖面以上土層中的其他阻抗界面。從圖11中可以看出：

圖11 Z9臺(tái)陣測(cè)點(diǎn)H/V曲線Fig.11 The H/V curve of measuring points of Z9 array

1)頻率1.22 Hz處的峰值對(duì)應(yīng)基巖面；

2)頻率30～80 Hz范圍內(nèi)存在多個(gè)峰值且峰值雜亂，表明這個(gè)深度范圍內(nèi)土層極不均勻，結(jié)合勘察資料推斷結(jié)構(gòu)底板下方中砂土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，上覆土層的平均速度按200 m/s估算，對(duì)應(yīng)埋深范圍在1～3 m左右。本剖面中其余臺(tái)陣測(cè)點(diǎn)的H/V曲線均存在類似情況。

圖12為下行線XK29+572～XK29+770段H/V等值線圖，橫坐標(biāo)為距離，縱坐標(biāo)為頻率，高頻反映淺部信息，低頻反映深部信息，不同顏色代表不同的H/V量值，量值大小參考右側(cè)色標(biāo)柱，H/V曲線的峰值反映土層中的阻抗界面。圖中黑色實(shí)線到100 Hz的頻率范圍內(nèi)均存在多個(gè)峰值，且峰值雜亂的情況，上覆土層的平均速度按200 m/s估算，對(duì)應(yīng)埋深范圍在1～3 m，推斷本剖面下方均存在中砂土體結(jié)構(gòu)遭到破壞的情況。

圖12 下行線XK29+572～XK29+770段H/V等值線Fig.12 The H/V contour map of lower line XK29+572 ～ XK29+770

綜上兩個(gè)工程案例可以得到，從微動(dòng)探測(cè)方法上看，S波速度差異可以由計(jì)算的視S波速度剖面反映。波阻抗差異可以由測(cè)點(diǎn)的H/V曲線定性反映出來(lái)。由于病害體的大小不等，單一的速度參數(shù)推斷病害體范圍會(huì)有一定的誤判；增加H/V參數(shù)可以提高病害體判別的準(zhǔn)確度。

根據(jù)以上病害體的地球物理特征及S波剖面和H/V曲線的解釋原則，可以將測(cè)試結(jié)果的大致分為兩大類來(lái)分析，見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試成果分類Table 1 Classification of test yesults

續(xù)表1

因此對(duì)于病害體判斷而言，應(yīng)關(guān)注H/V曲線的峰值頻率f0和幅值A(chǔ)0，通過(guò)H/V曲線結(jié)合頻散曲線反演計(jì)算分層速度結(jié)構(gòu)，同時(shí)特別關(guān)注H/V類型中雙峰型、多峰型、后臺(tái)階型及前臺(tái)階型的微動(dòng)測(cè)點(diǎn)。

5 結(jié) 論

本文把微動(dòng)勘探技術(shù)應(yīng)用于城市病害體檢測(cè)中得出以下結(jié)論：

1)微動(dòng)勘探技術(shù)在針對(duì)城市場(chǎng)地條件復(fù)雜，場(chǎng)地狹小，要求精度高等特點(diǎn)，從野外觀測(cè)方式到室內(nèi)資料處理整個(gè)過(guò)程，均提供了較好的解決方案。

2)利用微動(dòng)多參數(shù)屬性，綜合分析對(duì)地層進(jìn)行劃分，可提高資料的解釋精度和準(zhǔn)確度。并給出了S波剖面和H/V曲線的對(duì)應(yīng)病害體的地球物理特征基本解釋原則。

3)本文僅闡述了微動(dòng)技術(shù)對(duì)地面沉降與馬路塌陷方面的應(yīng)用。隨著微動(dòng)技術(shù)在城市病害體中的進(jìn)一步應(yīng)用，在城市病害體的檢測(cè)中會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的角色。