Rayleigh波橢圓極化與地震映像在城市地層擾動探測中的數(shù)值模擬和應(yīng)用

王天，張立，孫康，陳雨翔，劉爭平，馮棟，陳善林

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都，610031；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長沙，410200；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都，610031)

在城市建設(shè)中，地下隧道盾構(gòu)施工引起路面塌陷事故屢見不鮮，特別是城市隧道建設(shè)中的路面塌陷事故往往事發(fā)突然，極易對人民生產(chǎn)生活造成重大危害，因此，在城市隧道盾構(gòu)施工中，需要對施工場地及周邊環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測，及時(shí)識別事故發(fā)生的可能性并采取治理措施?，F(xiàn)階段針對隧道盾構(gòu)施工場地的沉降變形、可能形成的空洞塌陷等問題采用地球物理方法進(jìn)行監(jiān)測，其中瑞利面波方法是一種重要手段[1?2]。瑞利面波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動具有橢圓極化特征，其短軸與長軸長度之比為橢圓極化率。橢圓極化也具有頻散特征[3]。

BOORE 等[4]利用瑞利面波橢圓極化率研究了地層結(jié)構(gòu)的可行性。NAKAMURA[5?6]提出了H/V譜比法并發(fā)現(xiàn)H/V譜比與場地VS結(jié)構(gòu)具有較好的對應(yīng)關(guān)系。TOKIMATSU 等[7]發(fā)現(xiàn)被動源H/V 譜比與瑞利面波橢圓極化率對同一場地結(jié)構(gòu)的橫波速度響應(yīng)特征高度一致[7]。蔣通等[8]對主動源H/V 譜比進(jìn)行研究并提出了相應(yīng)計(jì)算方法。F?H等[9?10]在對分層結(jié)構(gòu)模型研究中發(fā)現(xiàn)H/V 譜比特征與橢圓極化率特征具有較好的一致性。ARAI[11]認(rèn)為地微動面波橢圓極化率可用H/V 譜比進(jìn)行表征。張立等[12?13]從瑞利面波波動方程出發(fā)，計(jì)算波動方程解析解，發(fā)現(xiàn)水平層狀介質(zhì)中橫波速度結(jié)構(gòu)與橢圓極化率具有一致的響應(yīng)特征，且橢圓極化響應(yīng)特征在水平層狀介質(zhì)中較速度頻散靈敏度更高。以上研究表明利用瑞利面波橢圓極化特征可以對場地進(jìn)行評價(jià)。而采用橢圓極化頻散方法通過短排列或單點(diǎn)依次測試獲得相應(yīng)橢圓極化率剖面，可極大提升現(xiàn)場工作便利性，目前已有許多利用微動橢圓極化方法進(jìn)行地質(zhì)勘察的成功案例[14?21]。這些工程實(shí)例主要基于層狀介質(zhì)對整體場地進(jìn)行評價(jià)，而對隧道盾構(gòu)施工引起的土體塌落空洞探測應(yīng)用研究較少。

為此，本文作者利用數(shù)值模擬方法及實(shí)際案例，探討瑞利面波橢圓極化頻散方法在城市盾構(gòu)隧道上覆地層擾動探測和地面塌陷監(jiān)測中應(yīng)用的可行性，并利用相對成熟的地震映像法[22?25]與其進(jìn)行對比研究，以便為類似探測和監(jiān)測提供參考。

1 基本原理及技術(shù)特點(diǎn)

不同于體波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的線性極化特征，瑞利面波質(zhì)點(diǎn)位移2個方向分量之間存在相位差，其在傳播方向的鉛錘面內(nèi)以逆時(shí)針方向作橢圓運(yùn)動，因此，稱為橢圓極化，并將質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動水平分量與垂直分量之比稱為橢圓極化率。

以瑞利面波波動方程為基礎(chǔ)，可推導(dǎo)出均勻介質(zhì)自由表面面波橢圓極化率與介質(zhì)縱橫波速存在如下關(guān)系：

式中：E0為自由表面橢圓極化率；vR為瑞利面波波速；vP為縱波波速；vS為橫波波速。

野外場地介質(zhì)橢圓極化率分布可據(jù)實(shí)際采集的多分量面波數(shù)據(jù)計(jì)算求得，現(xiàn)階段較通用的計(jì)算方法是H/V 譜比法，其基本原理是將原始多分量面波水平方向與垂直方向位移進(jìn)行快速傅里葉變換并計(jì)算頻譜比，其計(jì)算公式為

式中：Er(f)為橢圓極化率；H(f)為水平位移頻譜；V(f)為垂直位移頻譜。

非均勻介質(zhì)中瑞利面波橢圓極化率Er與其速度特征都具有類似頻散現(xiàn)象，即Er隨頻率變化而變化，利用這一特性可在工程中通過判斷橢圓極化率的變化特征來解釋場地介質(zhì)的泊松比特征，從而實(shí)現(xiàn)對場地地層結(jié)構(gòu)的探測和監(jiān)測。根據(jù)于文福等[26?28]對橢圓極化頻散的研究成果，在地層泊松比結(jié)構(gòu)判斷及橫向識別局部異常體等方面，橢圓極化頻散方法對速度頻散具有更高的敏感性及分辨率，因此，該方法在實(shí)際工程應(yīng)用中具有更強(qiáng)的優(yōu)勢。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

在砂卵石土地層中進(jìn)行盾構(gòu)施工時(shí)，砂卵石土黏聚力低，導(dǎo)致盾構(gòu)開挖面土體容易塌落，并因成拱作用形成空洞。隨著地面荷載土體強(qiáng)度等變化，空洞頂部土體不斷脫落導(dǎo)致空洞逐漸上移，最終上移至地表造成地面塌陷[29?30]。因此，根據(jù)隧道施工造成的盾構(gòu)掘進(jìn)滯后塌陷機(jī)理，結(jié)合施工場地地質(zhì)資料，建立如圖1所示二維盾構(gòu)隧道地質(zhì)模型并進(jìn)行數(shù)值模擬。首先對均勻模型(圖1(a))的地震波場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，然后對盾構(gòu)隧道模型(圖1(b)、圖1(c))、盾構(gòu)開挖失穩(wěn)形成空洞模型(圖1(d))以及空洞向地表上移模型(圖1(e))等進(jìn)行地震波場數(shù)值模擬研究。

圖1 盾構(gòu)隧道數(shù)值模型觀測排列示意圖Fig.1 Schematic diagrams of numerical model of shield tunnel

考慮到數(shù)值模擬精度及數(shù)據(jù)提取的便捷性，對各模型按正方形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格邊長設(shè)置為1 m。同時(shí)，為了減少模型邊界反射帶來的影響，對各個模型的底面邊界設(shè)置吸收邊界條件。

結(jié)合實(shí)際地層性質(zhì)建立二維模型，模型介質(zhì)簡化為理想各向同性巖土體，相關(guān)物理參數(shù)如表1所示。

表1 介質(zhì)物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of media

2.2 數(shù)值模擬研究

模型采用中心頻率為24 Hz的零相位雷克子波作為震源，震源雷克子波表達(dá)式如下：

激發(fā)源與接收點(diǎn)按多道瞬態(tài)瑞利面波觀測排列布置，最小偏移距設(shè)置為40 m，接收點(diǎn)間距為1 m，共布置51 道接收點(diǎn)。數(shù)值模擬采樣時(shí)長為1.024 s，采樣間隔為0.5 ms。

地震映像法模擬則按等偏移距5 m、點(diǎn)距1 m的原則布置激發(fā)源與接收點(diǎn)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 均勻介質(zhì)模型

為研究面波橢圓極化頻散對異常的識別情況，本文首先通過有限元方法模擬相同介質(zhì)參數(shù)下均勻介質(zhì)模型(圖1(a))的地震映像及面波橢圓極化特征。

圖2(a)所示為均質(zhì)模型(圖1(a))的地震映像剖面。在均勻介質(zhì)中，地震波的傳播不會發(fā)生反射、散射等現(xiàn)象，因而，體波、面波等對應(yīng)的波形同相軸呈水平直線型，表明均質(zhì)模型數(shù)值模擬結(jié)果可靠。

圖2(b)所示為均質(zhì)模型數(shù)值模擬地震記錄結(jié)果，可見縱波較面波速度快。通過波速差異可識別圖中的直達(dá)縱波及面波。從波形振幅看，面波能量高于縱波能量；隨著偏移距增大，縱波能量衰減較快，面波能量衰減較慢。據(jù)地震記錄對波速進(jìn)行測算，可得縱波速度約為634 m/s，面波速度約為220 m/s，分別與模型理論縱波速度630 m/s及面波速度221 m/s相近。

圖2 均質(zhì)模型數(shù)值模擬結(jié)果Fig.2 Numerical simulation results of homogeneous model

通過一維傅里葉變換將均質(zhì)模型地震波水平與垂直分量進(jìn)行頻譜比計(jì)算，即可獲得相應(yīng)橢圓極化率Er，再通過時(shí)深轉(zhuǎn)換計(jì)算勘探深度，最后得到如圖2(c)所示橢圓極化頻散剖面。

從圖2(c)可見：震源近場區(qū)由于受體波等干擾，橢圓極化率Er呈高低值交替出現(xiàn)的放射狀現(xiàn)象，在偏移距較大的遠(yuǎn)場區(qū)，這種現(xiàn)象逐漸減弱，橢圓極化率Er也逐漸趨于均一、穩(wěn)定。整體上，Er基本上在0.72附近，說明在均勻介質(zhì)震源遠(yuǎn)場區(qū)，Er是一個穩(wěn)定常數(shù)，即與速度特征類似，均勻介質(zhì)中Er沒有頻散現(xiàn)象。

3.2 隧道橫斷面模型

圖3(a)所示為盾構(gòu)隧道橫斷面模型(圖1(b))的地震映像剖面，其中，面波同相軸下方出現(xiàn)呈明顯雙曲特征的地震波同相軸，其原因是地震波在隧道橫斷面上壁及側(cè)壁發(fā)生反射繞射波等[31]。平距20～25 m 處弧形同相軸上凸頂部即表征洞口位置，通過時(shí)深轉(zhuǎn)換可算出洞口處深度約為12.3 m，與實(shí)際模型中隧道橫斷面位于平距20～25 m、埋深10～15 m(圖1(b))基本吻合。因此，利用地震映像技術(shù)可以很好地反映出隧道橫斷面位置。

圖3(b)所示為盾構(gòu)隧道橫斷面模型(圖1(b))地震波場垂直分量地震記錄，從地震記錄中可識別最上方為直達(dá)縱波的直線型同相軸，縱波下方為振幅能量最強(qiáng)的面波同相軸。由于地震波在隧道上邊界發(fā)生反射產(chǎn)生反射波或轉(zhuǎn)換波等，因而，在縱波與面波之間以及面波下方均出現(xiàn)弧形同相軸。

采用與均勻模型相同的橢圓極化率Er計(jì)算方法獲得如圖3(c)所示的隧道橫斷面模型橢圓極化率剖面，圖3(c)中，黑色實(shí)線方框表示隧道橫剖面在橢圓極化頻散剖面圖中的位置，在其兩側(cè)橢圓極化率Er呈散射狀分別向兩側(cè)斜下方傾斜，其中，左側(cè)為橢圓極化率高值異常分布區(qū)，數(shù)值范圍為0.9～1.3，右側(cè)呈現(xiàn)出Er低值異常，數(shù)值范圍為0.2～0.5，整體上在低速的隧道橫斷面兩側(cè)呈現(xiàn)“左高右低”的分布特征，這與于文福[26]在研究地下局部異常體橢圓極化頻散特征時(shí)所得出的結(jié)論基本一致，由此證明橢圓極化頻散特征在隧道橫斷面模型中的反映是穩(wěn)定、可靠的，即利用橢圓極化頻散方法識別隧道橫斷面具有可行性和可信性。

圖3 盾構(gòu)隧道橫斷面模型數(shù)值模擬結(jié)果Fig.3 Numerical simulation results of shield tunnel cross section model

3.3 隧道縱斷面模型

圖4(a)所示為盾構(gòu)隧道縱斷面模型(圖1(c))的地震映像剖面，其中，面波同相軸下方的多組反射波同相軸呈水平狀，根據(jù)地震映像中第一組反射波出現(xiàn)時(shí)間80 ms，計(jì)算得到界面深度約為10.09 m，這與模型隧道上界面埋深10.00 m 相吻合，證明盾構(gòu)隧道縱斷面模型(圖1(c))的數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的。

圖4(b)所示為盾構(gòu)隧道縱斷面模型地震波場垂直分量地震記錄，隧道在縱斷面模型中表征為1條埋深為10 m 的貫穿隧道，從地震記錄中可以識別最上方直線形同相軸對應(yīng)的波形為縱波，下方間隔出現(xiàn)多組能量較強(qiáng)的同相軸波形。由于二維模型的局限性，地震波在隧道上壁與地表間發(fā)生多次反射、散射等，從而造成有些地震波能量時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，并形成一些新的次生面波等，各類地震波相互疊加，從而使波形冗雜。

該模型橢圓極化頻散剖面如圖4(c)所示，其中，黑色實(shí)線表示隧道邊界，埋深10 m 處實(shí)線為隧道上壁界面。從圖4(c)可見：隧道及下方區(qū)域呈現(xiàn)較穩(wěn)定的橢圓極化率，Er范圍為0.7～0.8；在隧道上壁以上區(qū)域，Er高值異常呈團(tuán)塊狀散亂分布，部分Er出現(xiàn)大于2的極高值，通過分析該模型波場可知，這是地震波在地表與隧道上壁間來回反射疊加使局部范圍內(nèi)波振幅增大或減小所致。

圖4 盾構(gòu)隧道縱斷面模型數(shù)值模擬結(jié)果Fig.4 Numerical simulation results of longitudinal section models of shield tunnel

整體而言，以深度10 m處隧道上壁為分界面，橢圓極化頻散特征大致呈上下兩層分布，其中Er具有明顯差異，下層Er較小且分布較均勻，上層出現(xiàn)了橢圓極化率異常，異常區(qū)域表現(xiàn)為不均勻的團(tuán)塊狀，Er整體平均值偏高，這說明橢圓極化率Er在隧道縱剖面結(jié)構(gòu)分布上具有明顯差異特征，橢圓極化Er頻散方法能夠?qū)λ淼揽v剖面分層情況進(jìn)行有效識別。

3.4 盾構(gòu)開挖失穩(wěn)形成空洞模型

圖5(a)所示為因開挖面失穩(wěn)形成空洞隧道縱斷面模型(圖1(d))地震映像剖面圖，其中，直達(dá)面波下方除了在80 ms附近出現(xiàn)一組呈水平狀的反射波同向軸外，還出現(xiàn)一組同相軸呈弧形上凸的反射波及繞射波等。80 ms附近的水平直線形反射波表征隧道頂部反射界面，而弧形同相軸頂部大致位于平距18～21 m處，通過計(jì)算可得該弧形反射同相軸頂補(bǔ)對應(yīng)埋深約為8.83 m。因土本失穩(wěn)形成的空洞模型中，空洞橫向分布范圍為：平距為17～20 m，埋深為7～10 m，洞寬和洞高均為3 m。圖5(a)中弧形反映的模型參數(shù)與實(shí)際空洞模型參數(shù)基本吻合。

圖5 盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)形成空洞模型結(jié)果Fig.5 Cavity models caused by shield excavation instability

通過對盾構(gòu)隧道開挖形成空洞的縱斷面模型進(jìn)行數(shù)值模擬，得到如圖5(b)所示的垂直分量地震記錄波形圖，將該圖與形成空洞前隧道縱剖面地震記錄圖4(b)對比可發(fā)現(xiàn)：在空洞位置偏移距65 m 附近，體波下方及面波分布區(qū)中疊加有彎曲的弧形同相軸波形，這些弧形同相軸就是地震波遇到隧道上方空洞時(shí)發(fā)生反射和繞射的結(jié)果。

圖5(c)所示為盾構(gòu)隧道開挖面失穩(wěn)形成空洞隧道縱斷面模型橢圓極化頻散剖面圖，其中，埋深10～15 m 的2 條實(shí)線表示縱向貫穿隧道上下兩邊界，上方正方形方框?yàn)橥馏w失穩(wěn)形成的空洞。圖5(c)所示的Er剖面與空洞形成前模型的Er剖面(圖4(c))的差別在于，以深度10 m 處隧道上壁界面為分界面，橢圓極化頻散特征大致呈上下兩層分布，其中下層Er較低且分布較均勻，數(shù)值維持在0.6～0.8，上層出現(xiàn)不均勻團(tuán)塊狀Er高值異常，上層整體Er較高。圖5(c)的Er模擬結(jié)果與空洞形成前Er模擬結(jié)果(圖4(c))的差別在于，此模型中由于空洞形成導(dǎo)致在空洞兩側(cè)區(qū)域，Er異常區(qū)域向兩側(cè)斜下方傾斜，即空洞左側(cè)出現(xiàn)向左下方傾斜的Er高值異常，數(shù)值范圍為1～2，右側(cè)出現(xiàn)向右下方傾斜的Er低值異常，數(shù)值范圍為0.2～0.4。這與含空洞模型橢圓極化頻散特征結(jié)果一致，由此證明橢圓極化頻散方法用于探測盾構(gòu)隧道開挖面失穩(wěn)形成的空洞具有可行性和有效性。

3.5 空洞向地表上移模型

圖6(a)所示為盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)形成空洞向地表上移模型(圖1(e))地震映像剖面圖。圖6(a)所示地震映像與空洞發(fā)展初期模型地震映像(圖5(a))相似，除80 ms附近隧道上壁的水平反射界面外，平距18～21 m直達(dá)面波下方出現(xiàn)呈弧形上凸的反射波同相軸，通過計(jì)算可得該頂點(diǎn)埋深約為4.43 m。實(shí)際模型中空洞橫向分布參數(shù)為：平距17～20 m，空洞埋深3～5 m，洞寬3 m，洞高2 m。圖6(a)所示模型特征與實(shí)際模型特征非常接近。

圖6(b)所示為隧道開挖面失穩(wěn)形成空洞經(jīng)發(fā)展上移后模型的地震記錄，其中，偏移距為65 m 處豎線表示空洞左邊界。圖6(b)所示地震記錄與隧道開挖面失穩(wěn)形成空洞初期模型的地震記錄(圖5(b))相比，本次地震記錄中也出現(xiàn)多組弧形同相軸，但圖6(b)中弧形特征更明顯。造成這種現(xiàn)象的原因是：一方面，空洞上移后埋深變淺；另一方面，空洞在發(fā)展過程中掉落的土體相對周圍介質(zhì)較疏松，從而使空洞發(fā)展軌跡都在低速區(qū)域。

圖6 空洞向地表上移模型地震映像剖面Fig.6 Seismic imaging profiles of cavity upward movement model

圖6(c)所示為盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)形成空洞向地表上移模型橢圓極化頻散剖面圖，其中，埋深10～15 m處2條黑色實(shí)線之間區(qū)域表示縱向貫穿隧道上下邊界，上方矩形虛線內(nèi)區(qū)域?yàn)榭斩瓷弦七^程中上部塌落堆積的松散土體，松散土體正方形實(shí)線框內(nèi)區(qū)域?yàn)樯弦坪蟮目斩础?/p>

與空洞形成前隧道縱斷面橢圓極化頻散剖面(圖4(c))類似，以深度10 m 處隧道上壁界面為分界，橢圓極化頻散特征大致呈上下兩層分布，下層Er分布較低且均勻，數(shù)值為0.6～0.8，上層出現(xiàn)不均勻團(tuán)塊狀Er高值異常，且整體較高。圖中空洞及下方松散土體堆積區(qū)兩側(cè)均出現(xiàn)顯著Er頻散異常，其中該區(qū)域左側(cè)為向左下方傾斜的Er高值異常，數(shù)值為1.2～3.0；右側(cè)為向右下方傾斜的Er低值異常區(qū)(其中局部高值異常應(yīng)是地震波在地表與隧道上邊界來回反射疊加所致)，數(shù)值范圍為0.4～1.3?？傮w而言，通過對盾構(gòu)隧道縱剖面上方空洞發(fā)展中模型Er分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，橢圓極化率頻散方法既能夠較好地分辨盾構(gòu)隧道縱剖面結(jié)構(gòu)，又可進(jìn)一步有效識別隧道上方局部空洞分布及規(guī)模，即該方法能夠?qū)橘|(zhì)中空洞的發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測。

根據(jù)圖5(c)及圖6(c)，利用橢圓極化頻散方法對盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)形成空洞及空洞向地表上移過程模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)橢圓極化率頻散方法既能較好分辨盾構(gòu)隧道縱剖面結(jié)構(gòu)，又對盾構(gòu)隧道縱斷面結(jié)構(gòu)及開挖形成空洞和空洞上移發(fā)展過程的探測和監(jiān)測具有非常好的效果。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

長沙某新修綜合管廊盾構(gòu)隧道開挖過程引起地表產(chǎn)生位移，管廊隧道設(shè)計(jì)路段經(jīng)過多個路口，交通流量非常大。為防止大規(guī)模地表沉降及塌陷產(chǎn)生，需要對地下介質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行探測和監(jiān)測，以便及時(shí)地對即將產(chǎn)生的塌陷進(jìn)行預(yù)警并采取預(yù)防措施。由于大量測線需要穿過車道、人行道和綠化帶等，現(xiàn)場車輛、人流量大，且場地非常不平整，因此，不適宜采用傳統(tǒng)測試方法。為此，采用瑞利面波橢圓極化方法和地震映像法同時(shí)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

數(shù)據(jù)采集分別在同一段隧道開挖前及開挖7 d后待地表相對位移沉降穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行。以大錘激發(fā)為震源，偏移距為5 m，布置24個道間距為1 m的三分量檢波器，橫波速度vs=260 m/s，地震資料處理濾波頻帶為10～100 Hz。測線布置方式如圖7所示。

圖7 測線排布方式Fig.7 Line layout

4.2 橢圓極化頻散特征分析

圖8所示為盾構(gòu)隧道實(shí)例橢圓極化方法測線段開挖前及開挖7 d后的垂直分量地震記錄。

隧道開挖前，該段地震記錄(圖8(a))與均質(zhì)模型(圖2(b))相似，可以清晰地從地震記錄中識別直達(dá)縱波及面波的同相軸呈直線形；圖8(a)中右側(cè)的面波同相軸出現(xiàn)小范圍弧形，說明此段波阻抗發(fā)生小范圍變化，其原因是可能受現(xiàn)場干擾。

在隧道開挖7 d 后，該段地震記錄(圖8(b))中最上方直線形同相軸對應(yīng)波形為直達(dá)縱波，下方面波同相軸出現(xiàn)錯段，并在面波下方間隔出現(xiàn)多組能量較強(qiáng)的同相軸波形，這與隧道縱斷面模型(圖4b)的數(shù)值模擬結(jié)果相似。

圖9所示為該段隧道開挖前及隧道開挖7 d 后橢圓極化率Er剖面圖。從圖9(a)可看出：開挖前Er基本上在0.6～1.0 范圍內(nèi)，剖面上方出現(xiàn)局部超過1.0 的Er高值異常，這可能與現(xiàn)場周圍信號干擾或地下管線等局部干擾有關(guān)。整體上，該段Er剖面特征與均質(zhì)模型Er模擬特征(圖2(c))基本一致，說明該段在開挖前基本處于均勻介質(zhì)狀態(tài)。該Er探測分析結(jié)果與地震記錄(圖8(a))反映結(jié)果總體一致。

圖8 隧道開挖前后的垂直分量地震記錄對比Fig.8 Seismic records before and after tunnel excavation

圖9 該段隧道開挖前后的橢圓極化率剖面對比Fig.9 Elliptical polarizability profiles before and after tunnel excavation

隧道開挖后(圖9(b))，橢圓極化率Er分界面大致埋深8 m，分界面以下維持在0.6～1.0 范圍內(nèi)，界面以上整體Er偏高且呈團(tuán)塊狀分布。在層狀介質(zhì)中，地震波可以在分層界面進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，透到下層界面中，而本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果與3.3節(jié)中隧道側(cè)剖面模型數(shù)值模擬結(jié)果類似，地震波傳播到隧道邊界發(fā)生回彈反射，卻很難透射到下層。

與隧道開挖前橢圓極化率剖面相比，隧道開挖后，橢圓極化率整體偏低，說明隧道開挖引起土層擾動，故橢圓極化率比隧道開挖前降低。

為驗(yàn)證瑞利面波橢圓極化方法在實(shí)際工程中探測結(jié)果的可靠性，采用容易采集且后期處理方便的地震映像法對實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行勘測對比。圖10所示為該段隧道開挖前及開挖7 d 后采集的5 m 共偏移距地震映像記錄，其中，圖9對應(yīng)的橢圓極化方法測線范圍為地震映像平距范圍(26～50 m)。

圖10 隧道開挖前后的地震映像對比Fig.10 Seismic imaging profiles before and after tunnel excavation

從隧道開挖前該段的地震映像剖面(圖8(a))可以看出，地震映像剖面呈現(xiàn)小范圍同相軸弧形，原因可能是受路面車流干擾、管線等介質(zhì)影響。但在平距25～30 m(圖8(a)中橫坐標(biāo)方向線)區(qū)域總體上波形起伏不大，縱波與面波較易分辨。整體上，在隧道還未開挖時(shí)，地下介質(zhì)未經(jīng)擾動，測線段為較均質(zhì)密實(shí)的巖土體。

在隧道開挖7 d 后，該段地震映像剖面(圖8(b))特征與隧道縱斷面模型地震映像剖面(圖4(a))特征相似，特別在平距25～30 m段，最上方為直達(dá)縱波的水平同相軸，下方為振幅能量較強(qiáng)的首道面波水平同相軸，而首道面波下方按一定時(shí)間間隔出現(xiàn)能量較強(qiáng)的反射地震波形。該段下方的多組反射波同相軸大致呈水平狀，說明反射界面是水平的，該反射界面應(yīng)為隧道上邊界。

地震映像反映出地下介質(zhì)的反射波特征與同一測線的橢圓極化特征相似，證實(shí)了在實(shí)際隧道場地探測中，瑞利面波橢圓極化特征可以很好地反映場地的介質(zhì)屬性及地質(zhì)界面。

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在城市隧道工程探測中，與傳統(tǒng)瑞利面波勘探在場地受限時(shí)存在長大排列、干擾多、采樣較為困難等問題相比，瑞利面波橢圓極化方法具有能夠進(jìn)行單點(diǎn)測試、不受城市道路場地限制等優(yōu)點(diǎn)。地震映像結(jié)果驗(yàn)證了橢圓極化方法在城市隧道工程探測中具有可靠性。

5 結(jié)論

1)在均勻介質(zhì)模型中，瑞利面波橢圓極化率為常數(shù)，不會出現(xiàn)頻散現(xiàn)象。

2)橢圓極化頻散對介質(zhì)中局部異常較敏感。在含空洞理論模型中，橢圓極化率在空洞附近變化范圍較大，在空洞邊界兩側(cè)出現(xiàn)“左高右低”的極化率異常分布。

3)隧道開挖前后實(shí)測橢圓極化率剖面分布特征表明瑞利面波橢圓極化率與介質(zhì)屬性(泊松比)密切相關(guān)，即橢圓極化分布特征能夠反映地下介質(zhì)屬性。

4)采用瑞利面波橢圓極化率Er頻散方法探測地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)分布及監(jiān)測地下空洞等異常結(jié)構(gòu)的變化有較好的效果，對周圍環(huán)境震動等噪聲抗干擾能力也較強(qiáng)，因此，該方法更適合用于城市等場地受限、具有一定震動和噪聲干擾的環(huán)境，具有更廣闊的應(yīng)用范圍和應(yīng)用前景。