HVSR譜比法在李仙江大橋主墩樁位地下巖溶勘察中的應(yīng)用研究

鐘任富，馮 敏，王志鑫，高科寧

(東華理工大學(xué)地球物理與測控技術(shù)學(xué)院，330013，南昌)

0 引言

巖溶地貌在我國分布比較廣泛，且其地質(zhì)條件較為復(fù)雜。在橋梁工程的樁基作業(yè)中，巖溶會導(dǎo)致的主要問題有斜孔、掉鉆、卡鉆、漏漿、塌孔等[1]，這些問題大大增加了橋梁工程施工的成本和危險性。然而，受到各種原因限制，很多橋梁工程施工場地只能規(guī)劃在巖溶發(fā)育區(qū)。因此，調(diào)查、探測巖溶地區(qū)溶洞的分布發(fā)育規(guī)律和空間埋藏特征，可有效降低橋梁工程施工的成本和危險性[2]。

巖溶發(fā)育區(qū)的溶洞的灰?guī)r與圍巖存在有明顯的波速、密度、視電阻率等物性差異[3]，因此，利用物探方法可以探測地下溶洞的分布發(fā)育規(guī)律。利用視電阻率和密度的物性差異的物探方法有高密度電法、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)法等，這些方法在人類活動強烈、電磁干擾嚴(yán)重的區(qū)域所采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，影響勘探效果。而很多工程施工場地大型機械較多，人工作業(yè)活動強烈，因上述物探方法在大型工程施工場地有一定的局限性。利用波速差異可以使用淺層地震勘探技術(shù)進(jìn)行探測，但是采用常規(guī)的主動源淺層地震勘探技術(shù)需要一定的場地范圍，且其勘探深度有限，探測成本較高。相較而言，被動源的地震勘探方式具有臺陣布置簡單，對場地環(huán)境要求低且成本低，可通過人為調(diào)節(jié)臺站間距得到合適的探測深度和精度的優(yōu)點。

地球表面無時無刻都存在微弱的振動，這些微弱的振動(簡稱：微動)來源于自然界和人類的各種活動，如風(fēng)速、氣壓、潮起潮落等自然現(xiàn)象以及人類的各種生活、生產(chǎn)活動[4-8]。微動信號中面波的能量占總能量的70%以上，因此被動源地震勘探也稱為天然源面波勘探或微動探測法。微動探測抗干擾能力強、成本低、工作效率高，近年來被廣泛應(yīng)用于各類工程項目對不良地質(zhì)體的勘察中。微動探測一般有2種方式，一種是微動臺陣法：利用臺陣的方式采集垂直分量的微動信號，對這些微動信號進(jìn)行處理，從中提取瑞利面波的頻散特征，再通過所提取的頻散曲線進(jìn)行反演獲得地下介質(zhì)的速度結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同地下介質(zhì)的速度差異對地下不良地質(zhì)體進(jìn)行判別分析[9]。另一種為HVSR譜比法，最早由日本地震學(xué)家中村在1989年提出[10]，該方法經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其觀測和處理都非常簡單，只需單臺三分量拾震儀采集水平和垂直分量的微動信號，而后利用水平分量和垂直分量的頻譜相比研究淺層速度結(jié)構(gòu)。該方法靈活度高，常用于場地響應(yīng)評估以及地下結(jié)構(gòu)研究。張立等在2009年驗證了HVSR譜比法可用于反演地層的剪切波速[11]。沈志平等在2021年將HVSR譜比法用于城市巖溶勘察[12]。

綜合以上原因，本次探測采用HVSR譜比法對李仙江大橋主墩樁位所在施工場地進(jìn)行探測，結(jié)合已有的鉆探資料和HVSR譜比法成像結(jié)果對該區(qū)域巖溶溶洞的分布發(fā)育規(guī)律和空間埋藏特征進(jìn)行分析討論，為該橋梁工程安全施工提供地球物理學(xué)依據(jù)。

1 方法原理

自然界中所有的物體都有自身的固有振動頻率，這個固有振動頻率受密度、形狀、橫波速度、縱波速度等因素的影響。地球內(nèi)部所存在的各類地質(zhì)體也都有其自身的固有頻率，當(dāng)?shù)刭|(zhì)體受到一個寬頻帶的震動的影響時，其特征固有頻率能量會被放大。因此，可通過觀測被放大的特征固有頻率信號并對其成像，來獲得地下空間的精細(xì)成像效果。

HVSR譜比法需要三分量拾震儀采集微動信號，而后利用快速傅里葉變換將信號變換到頻率域，以此獲得并分析測點處的場地響應(yīng)特征[13]。

在沉積層中，HVSR曲線的峰值頻率具有較好的穩(wěn)定性，與沉積層主要界面具有較好的對應(yīng)關(guān)系。峰值頻率fm與沉積層厚度H和S波速度V的關(guān)系為：

fm=V/4H

(1)

(2)

通過鉆井資料或者其他速度成像結(jié)果，根據(jù)式(2)即可推斷出沉積層內(nèi)部主要波阻抗界面的埋深。

2 工區(qū)概況

2.1 地質(zhì)背景

李仙江特大橋小里程岸位于普洱市江城縣嘉禾鄉(xiāng)魯鞏村，大里程岸位于紅河州綠春縣大黑山鎮(zhèn)綠谷村，上跨李仙江，江左岸有大半公路從擬建橋下通過，交通較便利。擬建橋址區(qū)高程介于450～1 270 m之間，最低點為李仙江江面，切割深，地形起伏大，岸坡陡，兩側(cè)岸坡屬構(gòu)造剝蝕中山地貌，李仙江河谷屬河流侵蝕堆積地貌[14]。目前水位以上地表未見明顯階地地貌。橋址區(qū)小里程岸坡臨江較陡，自然坡度近40°，主墩段稍緩，約30°，引橋段16°。上部為橡膠林，下部為雜木、灌木，植被茂密，坡面潮濕，地貌詳見圖1。

圖1 地形地貌

橋址區(qū)屬低緯山區(qū)季風(fēng)亞熱帶濕潤氣候，年平均氣溫18.7 ℃，年平均降雨量2 283 mm，位于全省前列，氣候條件對巖溶發(fā)育較為有利。大地構(gòu)造位置(圖2)在青藏滇緬歹字型構(gòu)造體系中部東支，為唐古拉-昌都-蘭坪-思茅褶皺系的南延部分，主要為北西向構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造行跡基本為NW—SE向、近西南向，受青藏滇緬歹字型構(gòu)造體系中部東支北西向斷裂帶控制。區(qū)域上經(jīng)歷多次構(gòu)造變動，構(gòu)造形跡復(fù)雜，不同規(guī)模、不同方向、不同性質(zhì)的構(gòu)造形跡遍及全區(qū)，斷裂交織，具有多期活動特征。斷裂構(gòu)造主要以北西向的逆斷層為主，其次為北東向的正斷層。北西向斷裂一般延伸很長，與褶曲關(guān)系十分密切。北東向斷裂相對較短，形成時間較晚，明顯地切割了北西向斷裂。褶曲具有明顯的方向性，以線狀及長軸狀為主，大部分為北西向，少數(shù)為南北向，彼此大致平行。

圖2 區(qū)域構(gòu)造簡圖

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及區(qū)域地質(zhì)資料成果顯示，大橋近場區(qū)新構(gòu)造運動不發(fā)育，橋址區(qū)處于西側(cè)阿墨江斷裂與東側(cè)戛處斷裂之間，兩者均為Q1-2早中更新世斷裂，附近無區(qū)域活動性斷裂通過，僅有上述非活動斷層，近場區(qū)區(qū)域穩(wěn)定性一般。

2.2 鉆孔資料

根據(jù)本次已打的7個鉆孔(鉆孔位置見圖3)所獲得的資料揭露，擬建場地內(nèi)分布的主要地層有：第四系全新統(tǒng)坡殘積(Q4dl+el)層、二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)及印支期侵入巖(βμ)、石炭系上統(tǒng)下密地組(C3x)層等。場地可溶巖(含灰?guī)r、泥灰?guī)r及礫巖)一般揭示標(biāo)高-90～-40 m。

圖3 施工場地對應(yīng)鉆孔點位圖

根據(jù)本次鉆探及詳勘資料，工區(qū)巖溶的形態(tài)大小各異，發(fā)育形態(tài)有石筍、石牙、巖溶裂隙、溶溝溶槽、溶洞等，未發(fā)現(xiàn)土洞。根據(jù)鉆孔揭露結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料及巖溶發(fā)育規(guī)律，本場地巖溶以沿巖層及節(jié)理裂隙發(fā)育為主，形態(tài)上以溶溝溶槽、溶洞為主。巖溶溶洞發(fā)育情況及埋深分別見表1。

表1 李仙江大橋主墩樁位地下巖溶發(fā)育情況一覽表

在對李仙江大橋主墩樁基超前鉆施工過程中，見溶洞鉆孔為3個，見洞率為42.9%，線巖溶率為2.7%。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007―2011表6.6.2條：該場地屬于巖溶強發(fā)育。

3 數(shù)據(jù)方法

臺站布設(shè)采用線性布設(shè)方式，共布設(shè)5條測線，72個測點，平均點間距為4 m(圖4)。采集數(shù)據(jù)所用三分量拾震儀為深圳面元生產(chǎn)的SmartSolo短周期地震儀，采樣率設(shè)為200 Hz，每個測點采集時間為1―3 h。所有的儀器在采集數(shù)據(jù)前后都做了一致性觀測實驗，一致性良好(圖5所示)。為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，每條測線都設(shè)置了重復(fù)觀測點，采用同一觀測點，不同時間不同地震儀進(jìn)行質(zhì)量檢查和精度統(tǒng)計分析。重復(fù)觀測點不少于總工作量的5%，且數(shù)據(jù)處理結(jié)果要與原觀測結(jié)果保持一致。

圖4 臺站布設(shè)圖

圖5 儀器一致性圖

將采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換及編輯，而后去除儀器響應(yīng)、數(shù)據(jù)預(yù)處理。所采集的原始數(shù)據(jù)中存在一些施工場地的干擾信號(圖6所示)，將這些振幅明顯過大的干擾信號剔除后所得數(shù)據(jù)質(zhì)量良好(圖7所示)，能夠利用HVSR譜比法進(jìn)行處理。

圖6 原始數(shù)據(jù)記錄道

圖7 剔除干擾信號后的微動記錄道

利用經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理之后的三分量微動信號連續(xù)波形，計算頻率域水平分量與垂直分量頻譜比，水平分量頻譜為NS和EW分量振幅譜平方和。在計算HVSR曲線時，需要將連續(xù)波形分段，分段的時窗長度和低頻大小有關(guān)，一般時窗長度應(yīng)至少包含10個周期長度，本次低頻需要研究到0.2 Hz，時窗長度至少為50 s。時窗長度長，得到的低頻信息越完整穩(wěn)定，但過長的時窗長度可能會帶來大量的隨機噪聲，對數(shù)據(jù)處理結(jié)果造成一定的干擾。因此，在實際的數(shù)據(jù)處理中要選擇一個合適的時窗長度進(jìn)行計算。

本次HVSR單臺處理基于Geopsy軟件，頻帶選擇為0.2～100 Hz，時間窗口為60 s，窗口類型選用Hanning，平滑類型選用Konno&Ohmachi進(jìn)行平滑，選用數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的4 h，而后去除振幅極大值和振幅歸一化，最后得到單臺的HVSR曲線。圖8選取不同位置儀器號為3006783、3006859、3006964、3006976的4個臺站的單臺HVSR曲線。由圖8可知，可以得到每個臺站的HVSR曲線的卓越頻率和峰值，根據(jù)峰值頻率與沉積厚度的關(guān)系將H/V響應(yīng)曲線輸出插值成圖，資料解釋成圖。

圖8 不同位置的單臺HVSR曲線圖

4 結(jié)果及討論

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理之后共形成了5條剖面結(jié)果，對每條剖面劃分出低速異常區(qū)，并進(jìn)行編號，低速異常為巖溶發(fā)育，基巖周圍的低速異常為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，其中5條剖面圖中實線橢圓區(qū)域為鉆探過程中遇到的巖溶發(fā)育區(qū)，虛線橢圓區(qū)域為根據(jù)速度異常所判斷的巖溶發(fā)育區(qū)(圖9所示)。在L1線位于20～22 m，即剖面靠近的中點位置，深40 m處、60 m處均有低速異常反應(yīng)，結(jié)合鉆孔BK6鉆孔資料，推斷這些低速異常為斷裂構(gòu)造引起的；在L2線位于長18～20 m，深40 m處、60 m處均有低速異常反應(yīng)；在L3線位于13～15 m，深40～50 m處均有低速異常反應(yīng)，低速區(qū)域疑似為巖溶發(fā)育、未回填；L4在長5～10 m之間，橫向上速度變化較大，表現(xiàn)為高速區(qū)、低速區(qū)相間分布的特點，低速區(qū)推斷為采空、破碎區(qū)，高速區(qū)推斷為巖性較完整區(qū)域；疑似巖溶邊界。在L5線中，基本表現(xiàn)為高速，排除構(gòu)造引起的低速異常，推斷巖性較完整。

數(shù)據(jù)處理獲取三維H/V切片結(jié)果，如圖10所示。結(jié)合鉆孔資料圈定了一處巖溶發(fā)育帶和疑似巖溶發(fā)育區(qū)。目前收集到的鉆孔中有BK7、BK6、BK4鉆遇到有巖溶，經(jīng)分析認(rèn)為：1)BK6鉆遇巖溶與BK4鉆遇巖溶疑似存在一定的連通性；2)BK6鉆遇巖溶與BK7鉆遇巖溶應(yīng)不連通；3)三維反演結(jié)果剖面圖中圈定部分可見明顯的巖溶發(fā)育。

圖9 各剖面垂直切片圖

圖10 三維成像結(jié)果圖

綜合已有的鉆探資料和本次HVSR譜比法的成像結(jié)果來看，在李仙江大橋主墩樁位施工場地共圈定出5處溶洞發(fā)育區(qū)，如圖11所示。從圖11中可以看出，這些溶洞多發(fā)育于靠近江邊的位置，如圖11中2號、4號和5號溶洞發(fā)育區(qū)所示，其成因可能與地下水滲入有關(guān)。BK4和BK6之間的溶洞可能存在聯(lián)通的現(xiàn)象，需要重點關(guān)注并進(jìn)行進(jìn)一步的驗證，其他分散分布的溶洞規(guī)模則相對較小。位于工區(qū)邊緣的溶洞存在超出測區(qū)范圍的可能，溶洞發(fā)育范圍可能更大。

圖11 溶洞分布區(qū)域圖

5 結(jié)論與建議

1)綜合鉆探資料和HVSR譜比法成像結(jié)果：李仙江大橋主墩樁位地下揭示有多處巖溶發(fā)育區(qū)，其中BK4附近有巖溶裂隙區(qū)，標(biāo)高主要集中在-66～-63 m，主要揭示于北東部。L1線22～25 m處也存在小范圍的低速異常區(qū)，鉆孔未打至該處，疑似更大面積的巖溶空洞，建議增加灌漿。BK6揭示有多處巖溶發(fā)育區(qū)，標(biāo)高主要集中在-50～-40 m之間，主要揭示于中南部。

2)由于測區(qū)工作范圍限制，①號溶洞分布范圍未封閉，建議擴大勘探范圍，尤其查明靠李仙江側(cè)溶洞分布情況，為后期大型溶洞處置提供參考。

3)基于微動的HVSR譜比法成像結(jié)果能夠較好地和鉆探資料相對應(yīng)，HVSR譜比法結(jié)合少量的鉆孔資料能夠較好地揭示橋梁工程項目中施工場地地下巖溶發(fā)育情況，為工程安全施工提供可靠的地球物理學(xué)依據(jù)。

致謝：感謝中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司提供李仙江大橋的鉆探資料！感謝馮敏、王志鑫同學(xué)的野外數(shù)據(jù)采集工作！感謝東華理工大學(xué)地球物理與測控技術(shù)學(xué)院的姚振岸和陳輝老師對文章的撰寫和修改提供的寶貴建議！