微動(dòng)勘探技術(shù)在地鐵勘察中的應(yīng)用

摘要：文章介紹了微動(dòng)勘探技術(shù)的基本原理和工作方法，通過實(shí)例分析微動(dòng)勘探技術(shù)在地鐵勘察中的應(yīng)用效果。實(shí)踐證明，地鐵勘察采用微動(dòng)勘探與現(xiàn)有地質(zhì)資料相結(jié)合的方法，是行之有效且適宜的，能夠快速準(zhǔn)確地進(jìn)行地層劃分和不良地質(zhì)探測(cè)。

關(guān)鍵詞：地鐵勘察；微動(dòng)勘探技術(shù)；巖土工程勘察；頻散曲線

U212.22A511623

0 引言

在城市建設(shè)高速發(fā)展的當(dāng)下，地鐵工程建設(shè)是不可或缺的一部分，而巖土工程勘察成果是地鐵設(shè)計(jì)及施工的重要依據(jù)。巖土勘察最常見的方法就是鉆探，但該方法存在著場(chǎng)地約束、噪音影響等局限性。隨著近年來(lái)人們對(duì)環(huán)保的意識(shí)越來(lái)越重視，地鐵勘察中對(duì)建筑物密集區(qū)很難實(shí)施鉆探作業(yè)，微動(dòng)勘探技術(shù)的出現(xiàn)，很好地解決了這方面的問題。微動(dòng)是利用體波與面波所產(chǎn)生的一種復(fù)雜的振動(dòng)，且主要的能量信號(hào)是面波產(chǎn)生的。通過布置拾震器來(lái)采集微動(dòng)信號(hào)，并從中提取面波頻散曲線，進(jìn)行地層劃分和不良地質(zhì)探測(cè)，為工程勘察提供科學(xué)與技術(shù)的保障。

1 微動(dòng)勘探的原理

微動(dòng)勘探也稱天然源面波勘探，其解決地質(zhì)問題的本質(zhì)就是利用面波的頻散特征。地球表面無(wú)時(shí)無(wú)刻、任何地方都存在天然的微弱震動(dòng)，稱之為“微動(dòng)”［1］。微動(dòng)是一種復(fù)雜振動(dòng)，由面波和體波組成，其中面波的能量占比重，達(dá)70%以上［2］。它的特點(diǎn)是信號(hào)頻率低、波長(zhǎng)大，其頻率在0.3～5.0 Hz［3］。微動(dòng)信號(hào)主要來(lái)源于兩個(gè)方面：（1）相對(duì)gt;1 Hz高頻信號(hào)源，這種信號(hào)源是由人類的活動(dòng)產(chǎn)生的，包括人的行走、機(jī)械振動(dòng)、車輛、船舶的往來(lái)等，這類微動(dòng)信號(hào)通常被稱作常時(shí)微動(dòng)；（2）相對(duì)lt;1 Hz的低頻信號(hào)源，這種信號(hào)源源于自然現(xiàn)象，包括風(fēng)吹草動(dòng)、浪起浪落、河水流動(dòng)等，這類微動(dòng)通常被稱作長(zhǎng)波微動(dòng)。微動(dòng)信號(hào)攜帶有豐富的地球內(nèi)部信息，其頻譜特性顯示了微動(dòng)在時(shí)間和空間上的信息，可用來(lái)研究地下橫波速度結(jié)構(gòu)在空間上的變化［4］，進(jìn)而研究地層的分布和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。圖1為微動(dòng)勘探的工作流程。

1.1 數(shù)據(jù)采集

首先需要在勘探點(diǎn)位上布設(shè)“觀測(cè)臺(tái)陣”，常見的臺(tái)陣有：三角形、一字形、L形、十字形及圓形等。嵌套式等邊三角形臺(tái)陣是最常用的臺(tái)陣，此臺(tái)陣的特點(diǎn)是能接收多個(gè)方向轉(zhuǎn)來(lái)的震源，長(zhǎng)短距離多，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同波長(zhǎng)的探測(cè)。一字型臺(tái)陣適合空間狹小的場(chǎng)所，如過道走廊之類的。一般觀測(cè)的臺(tái)陣大小是根據(jù)所需勘測(cè)的深度來(lái)決定的，測(cè)試的深度與臺(tái)陣的最大邊長(zhǎng)是3～10倍的關(guān)系，也與所測(cè)地層的地質(zhì)條件及拾震器的頻率相關(guān)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

圖2為微動(dòng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的主要功能模塊及處理流程圖。處理流程分為三步：第一步為選擇參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；第二步為面波頻散曲線的提取及反演；第三步為反演頻散曲線進(jìn)行速度分層計(jì)算，形成地質(zhì)推斷解釋并成圖［2］。

2 微動(dòng)勘探技術(shù)在南寧某地鐵項(xiàng)目的應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于南寧盆地內(nèi)，屬侵蝕堆積河谷階地貌。場(chǎng)地內(nèi)的巖土層主要包括第四系覆蓋層（Q）和古近系地層（E），第四系覆蓋層主要包括填土層、黏性土層、粉土層、砂土層、礫（卵）石層或含礫（卵）石黏性土、含黏性土礫（卵）石；古近系地層（E）包含粉砂質(zhì)泥巖（堅(jiān)硬土狀），粉砂質(zhì)泥巖（半巖半土狀），泥質(zhì)粉砂巖（密實(shí)砂狀），泥質(zhì)粉砂巖（半巖半土狀）。項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)推測(cè)有羅村正斷層F23、高棠正斷層F24、陳村正斷層F25，這些斷層均無(wú)長(zhǎng)期活動(dòng)性，晚更新世以來(lái)不活動(dòng)，對(duì)擬建工程新市區(qū)間的影響小。

該項(xiàng)目局部路段穿越密集建筑、墓園、燈具城、舊貨市場(chǎng)、小區(qū)及地下管線復(fù)雜等鉆探不利條件場(chǎng)地，受場(chǎng)地協(xié)調(diào)或建筑物、地下障礙物影響等限制，部分設(shè)計(jì)鉆孔未能施鉆，導(dǎo)致實(shí)施鉆孔間距偏大或鉆孔偏移量較大，缺少局部地層信息，從而給工程設(shè)計(jì)、施工帶來(lái)一定的不確定性，存在一定的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。為降低工程施工地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，完善沿線地層信息，根據(jù)場(chǎng)地條件，對(duì)上述無(wú)法實(shí)施鉆探的區(qū)域開展微動(dòng)探測(cè)工作，為詳細(xì)勘察中缺失地層信息段提供物探補(bǔ)充成果。

2.2 地球物理?xiàng)l件及方法有效性試驗(yàn)

本次勘察區(qū)表層為第四系覆蓋層（素填土、粉質(zhì)黏土、粉土、卵石），其下為古近系（E）基巖。在開展物探工作之前，在3個(gè)代表性已知鉆孔做了試驗(yàn)工作，總結(jié)出測(cè)區(qū)在勘察深度范圍內(nèi)各巖性的地球物理特征，并提出第四系覆蓋層的面波視層波速約為160～360 m/s，基巖的面波視層波速多gt;450 m/s。根據(jù)測(cè)區(qū)巖層面波視層波速的分布情況分析，表層的第四系覆蓋層與其下基巖的面波視層波速差異較明顯，具備開展天然源面波測(cè)試的物理前提。

在開展微動(dòng)探測(cè)工作前，分別在已完成鉆孔MFZ3-HL-24、MFZ3-XS-45、MFZ3-FQ-36進(jìn)行了層位界面劃分有效性試驗(yàn)，以微動(dòng)頻散曲線層位判別特征推斷的土巖分層界面對(duì)比鉆孔揭露資料。研究結(jié)果表明，鉆孔地層分界面與微動(dòng)探測(cè)成果基本吻合，此時(shí)所使用的微動(dòng)探測(cè)能夠全面反映出土巖分界深度。同時(shí)，為了研究地下巖性地層界面劃分精度，本次巖性地層界面精度評(píng)價(jià)主要利用相對(duì)均方誤差來(lái)開展評(píng)價(jià)。均方相對(duì)誤差σ表達(dá)式為：

σ=±1N∑Ni（Hi-Hi′）2（1）

式中：N——參與計(jì)算的地層巖性界面?zhèn)€數(shù)，鉆孔地層界面高程Hi，推測(cè)地層界面高程深度為Hi′。

表1為微動(dòng)探測(cè)巖面埋深均方相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)表，均方相對(duì)誤差值在合理范圍，證明該方法是有效的，能滿足勘察要求。圖3為已知鉆孔MFZ3-HL-24處微動(dòng)探測(cè)結(jié)果與鉆孔揭露地層對(duì)比圖，圖3（a）面波頻散曲線分層明顯，推測(cè)的基巖面與鉆探揭露的基本一致。

2.3 微動(dòng)勘探實(shí)施

本項(xiàng)目使用的是WD智能天然源面波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［5］，這一系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的方法，在信號(hào)數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，也可以直觀地顯示面波頻散曲線數(shù)據(jù)合并生成的變化過程，只需要等頻散曲線收斂趨于穩(wěn)定后，就可完成該測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集工作，這個(gè)過程一般為10～30 min。本系統(tǒng)具有適應(yīng)性強(qiáng)、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，能非?？焖?、準(zhǔn)確地判斷軟硬土層的變化，為提供地層的橫波速度和進(jìn)行地質(zhì)分層提供了技術(shù)保障。

在確保數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠的前提下，本次采集臺(tái)陣根據(jù)實(shí)際場(chǎng)地條件，靈活使用了“三角型、十字型、一字型”等臺(tái)陣方式，接收道數(shù)為10道，最大邊長(zhǎng)為8～18 m。采樣間隔為5 m/s或者10 m/s，采樣時(shí)間根據(jù)采用數(shù)據(jù)得到勘察深度時(shí)終止（本次微動(dòng)勘探要求的勘察深度約為60 m）。見圖4～7。

在數(shù)據(jù)采集過程中，主要采取以下措施來(lái)保證現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量：（1）開工前后分別檢查各拾震器的一致性；（2）在遇到表層為水泥地面時(shí)，把檢波器錐子拆掉，用生石膏進(jìn)行耦合，保證檢波器牢固安裝，與地面耦合好；（3）為了減少人類活動(dòng)震動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)采集的干擾，測(cè)試范圍盡量減少人員車輛活動(dòng)，以提高所采集數(shù)據(jù)的信噪比［5］；（4）為使天然源面波的勘探具有較大的深度，盡量擴(kuò)大圓圈的直徑，盡可能多采集低頻的地震波；（5）各拾震器均采用RTK精準(zhǔn)定位。

2.4 成果分析

結(jié)合地質(zhì)資料，綜合分析面波數(shù)據(jù)，獲得測(cè)區(qū)各巖層的分布情況如下：（1）覆蓋層面波波速多為172～395 m/s，其厚度為8.11～14.84 m，包含素填土、粉質(zhì)黏土、粉砂、圓礫等，頻散曲線多有拐點(diǎn)，頻散點(diǎn)較密集，面波視速度整體上隨深度增大而增大，局部夾低波速層；（2）基巖層即粉砂質(zhì)泥巖，面波波速多為450～690 m/s，基巖面埋深為8.11～14.8 m，面波頻散曲線極值比較單一，頻散點(diǎn)密度一般，面波視速度隨深度增大而增大。頻散曲線局部出現(xiàn)拐點(diǎn)，斜率發(fā)生變化，推測(cè)為拐點(diǎn)處存在分界面，上下層巖體波阻抗存在差異。淺部基巖波速相對(duì)低，厚度為7.1～16.5 m，推測(cè)巖體破碎，其下基巖波速相對(duì)高，推測(cè)巖體相對(duì)完整，局部夾低波速軟弱薄層。橫向上出現(xiàn)局部相對(duì)低波速異常，推測(cè)為風(fēng)化強(qiáng)烈，裂隙密集發(fā)育，巖體破碎。見圖8和后頁(yè)圖9。

2.5 資料可靠性分析

本項(xiàng)目在正式開工前，通過在已知鉆孔進(jìn)行微動(dòng)有效性試驗(yàn)，微動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果與鉆探資料吻合較好。在正式工作過程中，外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理解釋嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，頻散曲線收斂性較好，其深度-波速變化特征與相鄰鉆探揭露地層相符合。綜合分析認(rèn)為，本次微動(dòng)勘探資料可靠性較高。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）本文針對(duì)南寧某地鐵勘察項(xiàng)目局部路段因受場(chǎng)地約束、環(huán)境影響等無(wú)法開展鉆探工作，地質(zhì)資料缺少的問題，采用微動(dòng)勘探與現(xiàn)有地質(zhì)資料相結(jié)合的方法，取得了較好的勘探效果，對(duì)勘探范圍內(nèi)基巖面埋深、起伏形態(tài)及風(fēng)化程度，裂隙密集發(fā)育破碎帶、軟弱夾層等提供了有效判別依據(jù)。

（2）單點(diǎn)微動(dòng)勘探可通過分析頻散曲線疏密、拐點(diǎn)、斜率等特征進(jìn)行單點(diǎn)垂向分層，其成果類似于單個(gè)鉆孔資料；多點(diǎn)聯(lián)測(cè)形成連續(xù)剖面，可推斷解釋連續(xù)地質(zhì)剖面圖。一般應(yīng)采用剖面探測(cè)，特殊情況下可單點(diǎn)探測(cè)。

（3）實(shí)踐證明，在城市復(fù)雜環(huán)境下，微動(dòng)勘探適用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)有效，除地鐵勘察項(xiàng)目外，可以推廣應(yīng)用到各類工程勘察項(xiàng)目中。

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