高密度地震背景噪聲方法探測(cè)在城市軌道交通勘察中的應(yīng)用及效果
——以廣州地鐵十二號(hào)線(xiàn)為例

龍 剛

（廣東有色工程勘察設(shè)計(jì)院，廣東廣州510080）

我國(guó)城市軌道交通是最具發(fā)展創(chuàng)新的標(biāo)志性領(lǐng)域之一，在滿(mǎn)足人民群眾出行需求、優(yōu)化城市布局、緩解城市交通擁堵、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。截至2019年底我國(guó)城市軌道交通總里程為6426.84km，擁有地鐵運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路的城市近40個(gè)，城市之多和線(xiàn)路之長(zhǎng)都位居世界首位。

目前城市軌道交通勘察工程面臨較多難題，如勘察作業(yè)環(huán)境和時(shí)間、地上和地下建（構(gòu)）筑物等條件限制，難以按原有勘察任務(wù)全部完成，將導(dǎo)致勘察精度不夠，也增加后期在地質(zhì)盲區(qū)施工的風(fēng)險(xiǎn)。高密度地震背景噪聲方法探測(cè)對(duì)場(chǎng)地條件要求低，全天候適用，不對(duì)測(cè)區(qū)周邊產(chǎn)生噪音和震動(dòng)，具抗干擾能力強(qiáng)、施工便捷、無(wú)損環(huán)保等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是軌道交通勘察中一種新型、有效的輔助探測(cè)手段，對(duì)響應(yīng)國(guó)家推進(jìn)新型城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和軌道交通線(xiàn)網(wǎng)的完善有著積極的作用和重要的意義。

1 高密度地震背景噪聲方法

1.1 基本原理

高密度地震背景噪聲成像是通過(guò)對(duì)地面上兩個(gè)地震臺(tái)站記錄的背景地震噪聲信號(hào)在長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，提取格林函數(shù)，從而進(jìn)行地震成像[1]，獲取對(duì)地下結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)[6]，其理論示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 城鎮(zhèn)環(huán)境噪聲的淺地表介質(zhì)格林函數(shù)恢復(fù)理論示意圖[5]（Weaver，2005）

此方法為城市工程物探領(lǐng)域新興的物探方法，該方法震源主要由自然噪聲震源（潮汐、風(fēng)、海浪、河流等）和人文噪聲震源（車(chē)輛行駛、工廠機(jī)械運(yùn)行、人類(lèi)走動(dòng)等）兩部分組成，所有這些震動(dòng)的能量以彈性波的形式向遠(yuǎn)處傳播，其中包含了面波、體波等各種波，攜帶了豐富的地下地層信息。其中面波（瑞利波或R波）是一種特殊的地震波，它與地震勘探中常用的縱波（P波）和橫波（S波）不同，它是一種地滾波。彈性波理論分析表明，在層狀介質(zhì)中，拉夫波是由SH 波與P 波干涉而形成，而面波是由SV 波與P 波干涉而形成，且面波的能量主要集中在介質(zhì)自由表面附近，其能量的衰減與r-1/2 成正比，因此比體波（P、S 波∝r-1）的衰減要慢得多。在傳播過(guò)程中，介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)一橢圓極化，長(zhǎng)軸垂直于地面，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?，傳播時(shí)以波前面約為一個(gè)高度λR（面波長(zhǎng)）的圓柱體向外擴(kuò)散。面波具有頻散的特性，其傳播的相速度隨頻率的改變而改變，這種頻散特性可以反映地下巖土介質(zhì)的特性。

1.2 工作方法

野外數(shù)據(jù)采集需利用臺(tái)站進(jìn)行記錄，本次高密度地震背景噪聲探測(cè)使用IGU-BD3C-5 三分量智能數(shù)字地震儀（見(jiàn)圖2）進(jìn)行探測(cè)。在野外無(wú)需任何外部連接，實(shí)現(xiàn)傳感器自動(dòng)檢測(cè)和GPS 定位，續(xù)航高達(dá)30d，可在惡劣環(huán)境下高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，已廣泛應(yīng)用于工程、能源礦產(chǎn)和背景噪聲監(jiān)測(cè)。

圖2 IGU-BD3C-5地震儀現(xiàn)場(chǎng)布置照

1.3 數(shù)據(jù)處理

用野外儀器獲取原始噪聲記錄和主動(dòng)源地震記錄，分析獲取的地震背景噪聲記錄，和功率譜密度圖，看面波信號(hào)是否突出，探測(cè)時(shí)段內(nèi)頻率范圍分布值是否滿(mǎn)足此次任務(wù)目標(biāo)的探測(cè)頻帶需求，數(shù)據(jù)質(zhì)量是否可靠。

地震檢波器或地震儀記錄到的地震信號(hào)等效于格林函數(shù)和地震子波的卷積。地震波干涉法的核心思想就是對(duì)記錄的地震信號(hào)進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)處理，得到以其中一個(gè)檢波器為震源的新的地震記錄。對(duì)地震波場(chǎng)的格林函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算后，產(chǎn)生一個(gè)虛震源記錄，地震波干涉法的數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)方式體現(xiàn)在虛震源格林函數(shù)的提取方法。相關(guān)型地震波干涉法是應(yīng)用最為廣泛的一種地震波干涉法，再針對(duì)面波進(jìn)行分析成像。

高密度地震背景噪聲方法的數(shù)據(jù)預(yù)處理包括噪聲預(yù)處理，互相關(guān)計(jì)算虛擬炮集，獲取面波信號(hào)，面波資料預(yù)處理、生成面波頻散曲線(xiàn)、頻散曲線(xiàn)分層反演橫波波速度[7]及確定層厚，利用面波頻散曲線(xiàn)生成速度映像彩色剖面[8]，并在此基礎(chǔ)上繪制地質(zhì)剖面圖等（見(jiàn)圖3）。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程及地質(zhì)概況

圖3 高密度地震背景噪聲數(shù)據(jù)處理流程

廣州市軌道交通十二號(hào)線(xiàn)廣園新村站—恒福路站區(qū)間下穿廣州麓湖高爾夫鄉(xiāng)村俱樂(lè)部高爾夫球場(chǎng)區(qū)段[3]，由于場(chǎng)地問(wèn)題無(wú)法在高爾夫球場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行鉆探施工，為了后期地鐵的設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)和參考，需要對(duì)高爾夫球場(chǎng)范圍內(nèi)工程地質(zhì)條件做一定了解。本次選擇高密度地震背景噪聲方法對(duì)地鐵線(xiàn)路里程范圍左線(xiàn)ZDK26+571～ZDK27+026 區(qū) 段 和 右 線(xiàn) YDK26+575～YDK27+025 區(qū)段進(jìn)行探測(cè)，隧道的設(shè)計(jì)埋深為28～66m。

麓湖高爾夫練習(xí)場(chǎng)屬于低丘地貌單元。廣恒區(qū)間經(jīng)過(guò)場(chǎng)地地形高差變化較大，地面高程23.51～70.16m，西側(cè)山體地勢(shì)最高，場(chǎng)地東南側(cè)停車(chē)場(chǎng)最低；場(chǎng)地內(nèi)除高爾夫球場(chǎng)草地外，還分布有原始茂密樹(shù)木、球場(chǎng)車(chē)道等。

結(jié)合在測(cè)區(qū)范圍周邊已實(shí)施的勘察鉆孔資料，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料[4]，本區(qū)間發(fā)育地層從上至下依次為自上而下為人工填土層<1>，坡積粉質(zhì)粘土層<4-3>，侵入巖殘積砂質(zhì)粘性土<5H>，變質(zhì)巖類(lèi)殘積砂質(zhì)粘性土<5Z>，基巖主要為花崗巖全、強(qiáng)、中、微風(fēng)化層<6H>、<7H><8H>、<9H>，混合花崗巖全、強(qiáng)、中、微風(fēng)化層<6Z>、<7Z>、<8Z>、<9Z>。

根據(jù)本區(qū)間鉆孔巖土波速測(cè)試成果，每一層巖土層都有一個(gè)橫波波速范圍值（見(jiàn)表1），由波速范圍分布值可知，不同風(fēng)化程度的花崗類(lèi)巖之間存在非常明顯的橫波速度差異，可以使用面波方法實(shí)現(xiàn)層位劃分。地層從淺至深不同地層之間密度、地震波速度及波阻抗存在明顯差異，這些物性差異，適用于地震背景噪聲面波成像方法。上述條件構(gòu)成了本次高密度地震背景噪聲方法探測(cè)的地球物理基礎(chǔ)。

2.2 物探方法的選擇及測(cè)線(xiàn)布置

表1 地層橫波波速指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

測(cè)區(qū)范圍內(nèi)屬于低丘地貌單元，地形起伏較大，高爾夫球場(chǎng)范圍暫不允許勘察設(shè)備進(jìn)場(chǎng)鉆探施工，考慮到本區(qū)間隧道埋深較大，結(jié)合既有波速測(cè)試成果，需要為日后設(shè)計(jì)和施工提供盾構(gòu)機(jī)選型，需要查清隧道洞身分布范圍內(nèi)的地層?？紤]到高密度地震背景噪聲方法具有突出的抗干擾能力和對(duì)場(chǎng)地更好的適應(yīng)性，我們首次在廣州市軌道交通十二號(hào)線(xiàn)勘察工程中引入該項(xiàng)探測(cè)技術(shù)，用以查明地質(zhì)盲區(qū)的工程地質(zhì)條件，同時(shí)也希望總結(jié)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，為國(guó)內(nèi)城市軌道交通地鐵勘察的推廣應(yīng)用提供指導(dǎo)。

為覆蓋地鐵線(xiàn)路并考慮到探測(cè)段地鐵線(xiàn)路存在一定彎曲情況，本次任務(wù)分兩部分進(jìn)行探測(cè)。共設(shè)計(jì)8條測(cè)線(xiàn)（詳見(jiàn)圖4），其中4條主要長(zhǎng)測(cè)線(xiàn)L1、L2、L3和L4沿著地鐵隧道左右兩線(xiàn)進(jìn)行布設(shè)。根據(jù)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)法則及前期的參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果，4m道間距可以滿(mǎn)足本次探測(cè)任務(wù)的深度和精度要求，故長(zhǎng)測(cè)線(xiàn)道間距設(shè)計(jì)為4m。工區(qū)范圍內(nèi)隧道底板埋深28～66m，故長(zhǎng)測(cè)線(xiàn)設(shè)計(jì)長(zhǎng)300m，最大有效探測(cè)深度能夠達(dá)70m。

圖4 高密度地震背景噪聲探測(cè)測(cè)線(xiàn)布置平面圖

2.3 高密度地震背景噪聲探測(cè)成果

根據(jù)其頻散特性首先計(jì)算出頻散曲線(xiàn)，進(jìn)而用頻散曲線(xiàn)反演橫波速度，地層結(jié)構(gòu)變化在橫波速度上呈現(xiàn)不同數(shù)值，因而縱、橫向上速度存在相對(duì)速度變化，根據(jù)速度變化判斷地層界限和異常位置；再結(jié)合本區(qū)地質(zhì)、既有鉆孔等資料對(duì)勘探場(chǎng)地內(nèi)地表以下全風(fēng)化界面及中風(fēng)化界面進(jìn)行劃分，形成最終的二維視S 波速度剖面。本區(qū)段線(xiàn)路走向主要測(cè)線(xiàn)L1+L3 和測(cè)線(xiàn)L2+L4分析反演所得橫波速度成果圖分別見(jiàn)圖5和圖6，對(duì)各剖面圖的解釋分析成果內(nèi)容詳見(jiàn)表2。

3 探測(cè)成果分析

L1+L3 測(cè)線(xiàn)綜合解釋剖面圖中，剖面共經(jīng)過(guò)3 個(gè)既有勘察鉆孔，MLZ3-GH-133 鉆孔未揭露第四系覆蓋層，BK-GH-42和MLZ3-GH-064鉆孔揭露的全風(fēng)化界面標(biāo)高分別為22.65m和-7.23m，對(duì)應(yīng)的橫波速度約在380～400m/s，據(jù)此劃分全風(fēng)化分界面。但由于山頂位置地形起伏大，多處陡坎對(duì)淺層橫波速度測(cè)量影響較大，導(dǎo)致山頂淺層速度偏低，在測(cè)點(diǎn)距離110～150m位置處全風(fēng)化界面對(duì)應(yīng)橫波速度較低，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查第四系覆蓋層從測(cè)點(diǎn)距離110m處開(kāi)始出露，故全風(fēng)化界面在此處尖滅。MLZ3-GH-133 和BK-GH-42 鉆孔揭露的中風(fēng)化界面高程分別為37.63m 和10.45m，據(jù)此劃分的中風(fēng)化界面橫波速度約為580～600m/s。

圖5 測(cè)線(xiàn)L1+L3橫波速度剖面

圖6 測(cè)線(xiàn)L2+L4橫波速度剖面

表2 測(cè)線(xiàn)成果分析一覽表

L2+L4 測(cè)線(xiàn)綜合解釋剖面圖L2+L4 剖面上共經(jīng)過(guò)3 個(gè)鉆孔，MLZ3-GH-052 鉆孔未揭露第四系覆蓋層，BK-GK-137和#MLZ3-GH-066鉆孔揭露的全風(fēng)化界面標(biāo)高分別為32.58m和-9.34m，對(duì)應(yīng)的橫波速度同樣約為380～400m/s，據(jù)此劃分全風(fēng)化分界面。現(xiàn)場(chǎng)勘查在測(cè)點(diǎn)距120m處出露第四系覆蓋，故全風(fēng)化界面在此處尖滅。鉆孔MLZ3-GH-052 與MLZ3-GH-137 鉆孔揭露的強(qiáng)中風(fēng)化界面標(biāo)高分別為41.4m、13.58m，MLZ3-GH-066 鉆孔未揭露中風(fēng)化和微風(fēng)化層。根據(jù)鉆孔劃分的中風(fēng)化界面橫波速度同樣約為580～600m/s。MLZ3-GH-052 鉆孔距離測(cè)線(xiàn)6.2m，因中風(fēng)化界面起伏較大，該鉆孔與橫波速度界面存在一定偏差（<2m）。

為了進(jìn)一步了解高密度地震背景噪聲方法探測(cè)成果的可靠性和精度，后續(xù)的鉆孔勘察將在測(cè)線(xiàn)上進(jìn)行鉆孔布置實(shí)施，將本次探測(cè)成果和后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔的鉆探資料進(jìn)行比對(duì)，分析微動(dòng)探測(cè)劃分巖層的誤差及其原因。

4 結(jié)論與建議

經(jīng)過(guò)高密度地震背景噪聲方法探測(cè)，測(cè)區(qū)范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)橫波速度高速異常點(diǎn)或低速異常體，初步查明本次探測(cè)區(qū)域內(nèi)不存在斷裂、空洞、溶洞等不良地質(zhì)體，整體區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，結(jié)合線(xiàn)路的結(jié)構(gòu)埋深和現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)揭露的基巖風(fēng)化層劃分結(jié)果，能為設(shè)計(jì)提供一定的設(shè)計(jì)依據(jù)。

結(jié)合本次探測(cè)效果，高密度地震背景噪聲方法探測(cè)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，對(duì)場(chǎng)地的要求較低，適用于部分勘察施工較為敏感的區(qū)域環(huán)境。在廣州市軌道交通配合巖土工程勘察工作中取得滿(mǎn)意效果，可為盾構(gòu)施工設(shè)計(jì)提供地球物理依據(jù)。盡管目前鉆探仍是城市工程地質(zhì)勘察的主要手段，但在城市軌道交通勘察中經(jīng)常會(huì)遇到某些范圍或區(qū)域因現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及人為等因素?zé)o法鉆探施工的情況，微動(dòng)探測(cè)便可作為有效的替代手段。

根據(jù)本文經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)軌道交通勘察中的不同勘察對(duì)象，總結(jié)提出以下采用高密度地震背景噪聲探測(cè)方法的建議，以?xún)?yōu)化勘察方案，提高勘察效率，完善勘察成果資料。

（1）城市軌道交通勘察工程位于同一地質(zhì)單位范圍，已施工的勘察鉆孔資料可以定性、定量標(biāo)定高密度地震背景噪聲探測(cè)剖面的巖性和地層分界面埋深，進(jìn)而提高此成果解釋精度；

（2）城市軌道交通巖土工程勘察目前面臨地面場(chǎng)地復(fù)雜、地下管線(xiàn)眾多和道路交通較為敏感的車(chē)道等，較多鉆孔在有限的初步設(shè)計(jì)時(shí)間限期之前難以全部實(shí)施，對(duì)未施工鉆孔范圍存在較多“地質(zhì)盲區(qū)”，無(wú)法將此類(lèi)范圍內(nèi)的工程地質(zhì)條件探明和查清，針對(duì)性地使用高密度地震背景噪聲探測(cè)方法輔助巖土工程勘察手段，能夠保證勘察成果的精度，為設(shè)計(jì)提供更為詳實(shí)、全面的所需資料。

（3）如果城市軌道交通線(xiàn)網(wǎng)通過(guò)區(qū)域存在不良地質(zhì)體，如斷層、巖溶、孤石或埋藏物等，僅靠鉆孔是很難全面獲得地下信息，建議采用高密度地震背景噪聲探測(cè)方法進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)，再針對(duì)性地布置勘察鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。