線性臺(tái)陣被動(dòng)源面波法在地下空間探測中的應(yīng)用

陳爽爽　李鵬　張智　王超凡

摘要：城市地下空間利用日益呈現(xiàn)出深層化特點(diǎn)，開展城市環(huán)境下深層化探測技術(shù)研究對于保障城市地下空間開發(fā)和利用具有重要意義。在對被動(dòng)源面波法基本原理介紹的基礎(chǔ)上，分析了現(xiàn)有二維觀測系統(tǒng)在城市地下空間深層化探測方面存在的不足，提出了一種長排列線性臺(tái)站被動(dòng)源面波觀測系統(tǒng)。該觀測系統(tǒng)具有探測深度大、布置靈活、工作效率高等特點(diǎn)。偏線噪聲源水平分析及對比試驗(yàn)結(jié)果表明：城市環(huán)境下線性臺(tái)陣被動(dòng)源面波觀測系統(tǒng)受偏線噪聲源影響較小，能夠有效地獲取地下介質(zhì)橫波速度結(jié)構(gòu)。工程應(yīng)用結(jié)果表明：線性臺(tái)陣被動(dòng)源面波法在土石界面劃分、隱伏地質(zhì)構(gòu)造探測方面具有較好的應(yīng)用效果，在城市地下空間探測，尤其是深層化線性工程地下空間探測方面具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：被動(dòng)源面波法; 線性臺(tái)陣; 城市地下空間; 噪聲源分析; 隱伏地質(zhì)構(gòu)造探測

中圖法分類號： P315.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.013

0引 言

地下空間是城市基礎(chǔ)設(shè)施、生活服務(wù)的重要載體[1]。隨著城市的快速發(fā)展，地下空間利用呈現(xiàn)出深層化的特點(diǎn)，這對城市地下空間探測技術(shù)提出了新的要求[2]。

城市地下空間探測技術(shù)主要分為鉆探和地球物理探測。鉆探具有直觀、可靠等特點(diǎn)，但成本較高，僅為“一孔之見”，并且城市環(huán)境施工場地易受限制，故而城市地下空間探測還是以地球物理探測技術(shù)為主。目前，城市地下空間探測采用的地球物理探測技術(shù)主要有：地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電法、縱波反射法、橫波反射法、主動(dòng)源面波法、被動(dòng)源面波法等[3-8]。其中，被動(dòng)源面波法因利用背景噪聲信號，能較好地適應(yīng)城市強(qiáng)振動(dòng)、電磁干擾環(huán)境，受到越來越多的關(guān)注[9]。

目前，被動(dòng)源面波法常用觀測系統(tǒng)為圓形臺(tái)陣（嵌套三角形），即在圓心處布設(shè)一個(gè)臺(tái)站作為記錄點(diǎn)，在不同半徑圓周上布設(shè)多個(gè)臺(tái)站進(jìn)行組合觀測，該觀測系統(tǒng)能夠記錄來自所有方向的波，所得速度更接近面波真速度。但在城市地下空間探測中，地表建筑物密集，多重圓形臺(tái)陣觀測系統(tǒng)難以布設(shè)或僅能布設(shè)小型臺(tái)陣，導(dǎo)致探測深度有限，另外該觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集效率較低，不易開展大規(guī)模、高密度數(shù)據(jù)采集。針對城市地下空間探測深層化特點(diǎn)及現(xiàn)有被動(dòng)源面波觀測系統(tǒng)在城市環(huán)境下存在的不足，本文提出一種長排列線性臺(tái)陣被動(dòng)源面波觀測系統(tǒng)，應(yīng)用于深圳市羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞工程地下空間探測，驗(yàn)證了該觀測系統(tǒng)的可行性和有效性。

1被動(dòng)源面波基本原理

1.1被動(dòng)源面波技術(shù)

自然界中的地殼運(yùn)動(dòng)、大氣變化、海水潮汐變化、人類生產(chǎn)活動(dòng)等會(huì)引起地球表面的微弱振動(dòng)，這些振動(dòng)的能量以波的形式向遠(yuǎn)處傳播，其中能量傳播的主要形式是面波，即稱為被動(dòng)源面波。在地表通過特定的觀測系統(tǒng)記錄被動(dòng)源面波，并提取其中包含的頻散信息，進(jìn)而推斷地下介質(zhì)橫波速度結(jié)構(gòu)的方法稱為被動(dòng)源面波技術(shù)[10]。

被動(dòng)源面波法的研究起始于20世紀(jì)50年代，Aki等基于平穩(wěn)隨機(jī)過程理論通過采用空間自相關(guān)法，首次從被動(dòng)源面波中提取出頻散曲線，用于測定覆蓋層速度結(jié)構(gòu)[11];Okada等將被動(dòng)源面波法應(yīng)用于地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查、場地穩(wěn)定性評價(jià)等領(lǐng)域[12];王振東等將被動(dòng)源面波法引入到中國，系統(tǒng)介紹了其基本原理、數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)，并開展了試驗(yàn)工作[13-14];何正勤等利用被動(dòng)源面波信息獲得了地殼淺部的橫波速度結(jié)構(gòu)，用于指導(dǎo)地?zé)徙@孔布置[15];徐佩芬、趙東、劉宏岳等將被動(dòng)源面波法應(yīng)用于土石分界面劃分、煤礦陷落柱、采空區(qū)探測、城市活斷層調(diào)查、孤石探測等多個(gè)領(lǐng)域[16-19]。

2線性臺(tái)陣觀測系統(tǒng)及有效性分析

2.1觀測系統(tǒng)

被動(dòng)源面波常用的二維觀測系統(tǒng)有圓形（嵌套三角形）臺(tái)陣、“十”字形臺(tái)陣、“T”形臺(tái)陣、“L”形臺(tái)陣等，如圖1所示。二維觀測系統(tǒng)臺(tái)陣在城市環(huán)境下布設(shè)易受空間限制，且每次僅能進(jìn)行單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，探測深度和工作效率大大受限，尤其在城市線性工程地下空間探測方面很難高效的進(jìn)行高密度數(shù)據(jù)采集，導(dǎo)致其應(yīng)用受限。

根據(jù)面波傳播理論，當(dāng)面波的傳播方向與測線一致或當(dāng)面波來自所有方向時(shí)，可以將式（4）對接收點(diǎn)方位角的積分調(diào)整為對波的傳播方向進(jìn)行積分，求取空間自相關(guān)系數(shù)，進(jìn)而獲得頻散曲線。在城市地下空間探測中，測線一般沿道路布設(shè)，基本滿足波的傳播方向與測線一致，當(dāng)測線未沿道路布設(shè)時(shí)，城市環(huán)境較豐富的噪聲源也基本滿足面波來自所有方向，這為采用線性臺(tái)陣觀測系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。相較于二維觀測系統(tǒng)，線性臺(tái)陣觀測系統(tǒng)可采用幾十個(gè)臺(tái)站進(jìn)行滾動(dòng)測量，一次實(shí)現(xiàn)多個(gè)勘探點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，具有布置靈活、數(shù)據(jù)采集效率高等特點(diǎn)。此外，根據(jù)場地情況，每個(gè)滾動(dòng)排列可在垂直測線方向上布設(shè)幾個(gè)臺(tái)站，用于記錄偏線噪聲源水平，必要時(shí)進(jìn)行噪聲源方位角校正。

圖2為21個(gè)臺(tái)站組成的長排列線性臺(tái)陣被動(dòng)源面波觀測系統(tǒng)。22～25號臺(tái)站用于記錄偏線噪聲源，當(dāng)每個(gè)勘探點(diǎn)需要11個(gè)臺(tái)站時(shí)，該排列一次可完成11個(gè)勘探點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，一個(gè)排列數(shù)據(jù)采集完成后，將1～11號臺(tái)站沿測線方向依次向前滾動(dòng)，繼續(xù)下一個(gè)排列數(shù)據(jù)采集。

2.2可行性及有效性分析

為了分析城市環(huán)境下線性臺(tái)陣觀測系統(tǒng)的偏線噪聲源水平，布置了一個(gè)長度為200 m，臺(tái)站間距為10 m的線性臺(tái)陣，并垂直于臺(tái)陣方向布置了5個(gè)臺(tái)站，用于記錄偏線噪聲源。對該臺(tái)陣分別采用SPAC法和PLAS法進(jìn)行一維和二維成像[21]，并拾取對應(yīng)的頻散曲線，其中PLAS法利用了偏線臺(tái)站數(shù)據(jù)。圖3為兩種成像方式對應(yīng)的頻散曲線。由圖3可知，兩種成像方式頻散曲線一致性較高，僅在低頻部分SPAC法成像所得速度略高于PLAS法，即城市環(huán)境下線性臺(tái)陣觀測系統(tǒng)受偏線噪聲源影響較小，采用該觀測系統(tǒng)獲取地下介質(zhì)橫波速度結(jié)構(gòu)具有可行性。

為了驗(yàn)證線性臺(tái)陣觀測系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行了圓形臺(tái)陣和線性臺(tái)陣對比試驗(yàn)。圓形臺(tái)陣采用三重圓形式，半徑依次為10，20，40 m，共布設(shè)了10個(gè)臺(tái)站，其中圓心處1個(gè)，每個(gè)圓周上等距離布設(shè)3個(gè)。線性臺(tái)陣采用16個(gè)臺(tái)站，臺(tái)站間距10 m，排列長度150 m，兩種觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時(shí)間均為30 min。圖4為兩種觀測系統(tǒng)頻散譜圖，由圖4可知，兩種觀測系統(tǒng)頻散譜能量分布、頻率與速度的對應(yīng)關(guān)系基本一致，低頻部分圓形臺(tái)陣頻散譜能量集中區(qū)域連續(xù)性略優(yōu)于線性臺(tái)陣，但都可以有效地進(jìn)行頻散曲線拾取，即在該背景噪聲下兩種觀測系統(tǒng)均能有效地獲取地下介質(zhì)橫波速度結(jié)構(gòu)。

3工程應(yīng)用

以深圳市區(qū)羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞工程勘察為例，討論與分析線性臺(tái)陣被動(dòng)源面波技術(shù)在城市地下空間探測中的應(yīng)用效果。

3.1工程概況

深圳市羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞工程為珠江三角洲水資源配置工程在深圳市境內(nèi)的配套工程，線路全長約21.7 km，其中約11 km位于主城區(qū)，輸水干線采用深埋隧洞形式，埋深約70 m，為減少對地表建筑物的影響，輸水干線多沿道路布置。主城區(qū)線路多位于侵入巖地層，巖性以花崗巖為主，主要工程地質(zhì)問題為斷層破碎帶、風(fēng)化深槽等。

3.2數(shù)據(jù)采集與處理

本次線性臺(tái)陣被動(dòng)源面波數(shù)據(jù)采集采用深圳面元智能科技研制的IGU-BD3C-5型三分量節(jié)點(diǎn)式地震儀，頻帶寬度0.2～150 Hz。觀測系統(tǒng)主要參數(shù)：臺(tái)陣排列長度200 m，臺(tái)站間距10 m，勘探點(diǎn)距10 m，采樣率2 ms，采集時(shí)間30 min。為了高密度、快速進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，一次沿測線布置50個(gè)臺(tái)站，即一次完成30個(gè)勘探點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，單次數(shù)據(jù)采集完成后，將后30個(gè)臺(tái)站向前滾動(dòng)，繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。此外，每次數(shù)據(jù)采集均垂直于測線方向布置5個(gè)臺(tái)站，用于記錄偏線噪聲源。

線性臺(tái)陣被動(dòng)源面波數(shù)據(jù)處理流程與二維觀測系統(tǒng)基本一致，主要包括數(shù)據(jù)切割、頻散曲線拾取、速度反演等。為了盡可能減少偏線噪聲源對速度的影響，此次數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了偏線噪聲源水平分析，即對同一排列利用偏線臺(tái)站數(shù)據(jù)分別進(jìn)行一維和二維成像，并拾取頻散曲線，根據(jù)平均頻散曲線差異百分比進(jìn)行偏線噪聲源水平分析，對平均頻散曲線差異百分比大于10%的排列，進(jìn)行噪聲源方位角校正。平均頻散曲線差異百分比按下式進(jìn)行計(jì)算：

R=1NNi=1vpi-vsivpi×100%（5）

式中：N為頻散點(diǎn)個(gè)數(shù);vpi為第i個(gè)頻散點(diǎn)對應(yīng)的二維成像相速度;vsi為第i個(gè)頻散點(diǎn)對應(yīng)的一維成像相速度。

偏線噪聲源水平分析結(jié)果表明，本次完成的3 052個(gè)線性臺(tái)陣被動(dòng)源面波數(shù)據(jù)，有2 808個(gè)平均頻散曲線差異百分比小于10%，無需進(jìn)行噪聲源方位角校正。結(jié)合施工環(huán)境分析可知，平均頻散曲線差異百分比大于10%的排列，多位于道路口附近，即噪聲源一般來自兩個(gè)方向，對此類排列可采用二維成像數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理。

3.3成果分析

本文節(jié)選局部測線L1、L2對線性臺(tái)陣被動(dòng)源面波探測技術(shù)在城市地下空間探測中的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，L1、L2測線位置如圖5所示。

圖6為L1測線視橫波速度斷面圖。由圖6可知：視橫波速度由淺至深呈增大趨勢，等值線成層性較好;測點(diǎn)11～17位置視橫波速度橫向發(fā)生變化，等值線呈“下凹”形態(tài)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，推斷為斷層破碎帶。根據(jù)此探測成果，在15號測點(diǎn)位置，布置了Z17鉆孔，對該異常區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證，鉆孔揭露巖體完整性較差，并且碎裂巖發(fā)育，為區(qū)域斷層影響帶。

圖7為L2測線視橫波速度斷面圖。由圖7可知：視橫波速度由淺至深呈增大趨勢，成層性較好;相較于L1測線，視橫波速度整體偏低，為覆蓋層（含全風(fēng)化）較厚的反映;由于線性臺(tái)陣排列長度較大，體積效應(yīng)較強(qiáng)，致使深部視橫波速度值偏低;測點(diǎn)9～17位置，視橫波速度橫向發(fā)生變化，等值線呈“下凹”形態(tài)?？碧姐@孔D24位于12號測點(diǎn)位置，揭露花崗巖全風(fēng)化層厚度約為69.2 m，即該低速異常區(qū)為風(fēng)化深槽的反映。

4結(jié) 論

本文在分析被動(dòng)源面波二維觀測系統(tǒng)在城市地下空間探測中存在不足的基礎(chǔ)上，提出了一種長排列線性臺(tái)陣被動(dòng)源面波觀測系統(tǒng)。通過偏線噪聲源水平分析、對比試驗(yàn)及工程應(yīng)用，研究了其可行性和有效性，主要得出以下結(jié)論：

（1） 城市環(huán)境下線性臺(tái)陣被動(dòng)源面波觀測系統(tǒng)受偏線噪聲源影響較小，頻散譜能量分布、頻率與速度的對應(yīng)關(guān)系與圓形臺(tái)陣二維觀測系統(tǒng)基本一致，可以有效地進(jìn)行頻散曲線拾取，獲取地下介質(zhì)橫波速度結(jié)構(gòu)。

（2） 長排列線性臺(tái)陣被動(dòng)源面波觀測系統(tǒng)可以快速進(jìn)行高密度數(shù)據(jù)采集，相較于二維觀測系統(tǒng)單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集方式，具有更高的工作效率。

（3） 線性臺(tái)陣被動(dòng)源面波觀測系統(tǒng)在土石界面劃分、隱伏地質(zhì)構(gòu)造探測等方面具有較好的應(yīng)用效果，但受長排列觀測方式的影響，體積效應(yīng)較大，所得視橫波速度與真橫波速度之間存在系統(tǒng)誤差。

（4） 線性臺(tái)陣被動(dòng)源面波觀測系統(tǒng)在城市地下空間探測，尤其是深層化線性工程地下空間探測方面具有較好的應(yīng)用前景。

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（編輯：劉 媛）