微動(dòng)探測技術(shù)在盾構(gòu)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

■王紹平

（福建省地質(zhì)測繪院，福州 350011）

盾構(gòu)法具有“高效、高質(zhì)量、高效益”的優(yōu)點(diǎn)，廣泛地用于城市軌道交通隧道施工，但是，盾構(gòu)機(jī)在遇到孤石等不良地質(zhì)時(shí)，易產(chǎn)生卡鉆、姿態(tài)失控等工程事故，因此，及時(shí)、有效地進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)對盾構(gòu)施工安全十分必要。 目前，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法有限， 主要是因?yàn)槭艿蕉軜?gòu)施工自身特點(diǎn)的限制，具體原因有：（1）由于盾構(gòu)機(jī)頭占據(jù)了掌子面空間， 傳統(tǒng)隧道常用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法無法實(shí)現(xiàn)；（2）盾構(gòu)機(jī)為金屬機(jī)具，易導(dǎo)致地層電磁環(huán)境復(fù)雜，常用的電法探測效果不佳；（3）盾構(gòu)機(jī)振動(dòng)大，對傳統(tǒng)的地震波法影響大。 基于以上原因，本文嘗試將微動(dòng)探測技術(shù)運(yùn)用于盾構(gòu)法的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。 已有眾多的專家學(xué)者對微動(dòng)探測技術(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用，取得了良好的效果[1-3]。 朱紅兵等[4]以福州濱海新城核心區(qū)為例，通過微動(dòng)探測技術(shù)有效探測出研究區(qū)基巖埋深和地層結(jié)構(gòu)，與區(qū)內(nèi)搜集到的鉆孔資料吻合，效果顯著。 李兆祥等[5]以南京地區(qū)某地鐵線路區(qū)間為例， 通過布設(shè)雷達(dá)探測和微動(dòng)探測綜合剖面，通過兩種方法相互驗(yàn)證、相互補(bǔ)充，圈定出了地下空洞、松散地層等不良地質(zhì)體。 何育才[6]針對某地鐵盾構(gòu)區(qū)間的孤石， 聯(lián)合應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)與微動(dòng)探測技術(shù)，準(zhǔn)確、高效地探查出孤石的分布范圍及特征。 鐘立[7]結(jié)合城市地質(zhì)條件，分析了常規(guī)物探方法存在的局限性，探究了微動(dòng)勘探技術(shù)在城市地質(zhì)工作中的應(yīng)用。 楊代彬[8]通過微動(dòng)勘探技術(shù)，對地鐵施工后道路路面進(jìn)行快速檢測，快速查明了隧道上方因盾構(gòu)施工造成的地下病害體（嚴(yán)重疏松、脫空與空洞），為后期治理提供了詳細(xì)的物探基礎(chǔ)資料。 廈門地區(qū)花崗巖巖面起伏大、差異風(fēng)化嚴(yán)重，全～強(qiáng)風(fēng)化中分布著無規(guī)則的孤石，易造成掌子面軟硬不均，盾構(gòu)掘進(jìn)存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。 本文基于廈門某盾構(gòu)隧道工程實(shí)例，嘗試采用微動(dòng)探測技術(shù)探測孤石分布范圍。經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，微動(dòng)探測技術(shù)能夠用于盾構(gòu)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，具有一定的實(shí)踐意義。

1 工程概況

擬選取的地鐵某盾構(gòu)隧道位于主城區(qū)，全長1 215.5 m，沿城區(qū)主干道敷設(shè)，均為地下段，采用盾構(gòu)法施工，單洞單線，盾構(gòu)直徑約6.2 m，線間距約15 m，利用區(qū)間兩端的車站設(shè)置盾構(gòu)始發(fā)（接收）井，無聯(lián)絡(luò)通道。 隧址區(qū)表層分布地層主要有素填土，從上而下依次為中粗砂、淤泥質(zhì)土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中～微風(fēng)化花崗巖，其中全～砂土狀強(qiáng)風(fēng)化層厚約2.5～35.7 m，區(qū)間范圍內(nèi)孤石分布密集，孤石綜合遇見率為48.6%，孤石極其發(fā)育。孤石主要為中～微風(fēng)化花崗巖，其飽和抗壓強(qiáng)度在50.85～115.74 MPa，離散性較大。

圖1 工程平面位置

2 微動(dòng)探測概況

2.1 地球物理特征

本區(qū)開展微動(dòng)譜比法有較好的地球物理?xiàng)l件，測區(qū)內(nèi)強(qiáng)風(fēng)化和弱風(fēng)化基巖的密度、速度、巖力學(xué)性質(zhì)存在明顯差異，良好的物性分界為地球物理勘探提供了前提。 第四系覆蓋土層與基巖橫波速度和密度存在明顯差異。 由于地層差異的存在導(dǎo)致在不同測點(diǎn)位置出現(xiàn)不同的H/V 譜比曲線，通過對該曲線的反演即可獲得地下介質(zhì)的速度分布情況，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)構(gòu)造信息的探測；在實(shí)施過程中存在影響物探方法開展的不利條件，主要體現(xiàn)在：（1）在數(shù)據(jù)采集時(shí)不可避免地受到道路和周邊機(jī)械干擾的影響，使原始數(shù)據(jù)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的飄移；（2）由于場地條件的限制，一定程度上限制了物理點(diǎn)的布置，導(dǎo)致其數(shù)據(jù)密度在空間上分布出現(xiàn)不均勻的情況。

2.2 探測方法原理

微動(dòng)譜比法，利用單一測點(diǎn)獲得的H/V 譜比（頻率域水平分量與垂直分量的能量比）與地層中瑞利波橢圓率一致的特征，實(shí)現(xiàn)對淺層地質(zhì)構(gòu)造的勘探。1994 年，Yamanaka 最早開始用瑞利波橢圓率估計(jì)KANTO 盆地的深部結(jié)構(gòu)；2000 年，Arai 提出了一種用三分量檢波器接收到的震動(dòng)信號的水平向與豎直向的（H/V）譜比反演地下土層S 波速度剖面的方法。 實(shí)際工作中，微動(dòng)譜比法按照“數(shù)據(jù)采集—預(yù)處理—譜比曲線計(jì)算—速度反演”的流程進(jìn)行（圖2）。 首先，采集如圖2（a）所示的三分量檢波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲得如圖2（b）所示的長周期的（數(shù)十分鐘）三分量數(shù)據(jù)；其次，在進(jìn)行H/V 譜比計(jì)算之前需要剔除短時(shí)干擾（如過往車輛）的影響，需要有效識別出短時(shí)干擾，超過閾值的部分視為干擾被舍棄， 低于閾值的部分視為穩(wěn)態(tài)信號被采用；再次，在采集的數(shù)據(jù)中篩選穩(wěn)定的數(shù)據(jù)段計(jì)算HV 譜比曲線，如圖2（c）所示；最后，通過反演技術(shù)計(jì)算該曲線對應(yīng)的地質(zhì)模型，從而獲得該測點(diǎn)下的速度分布，如圖2（d）所示。

圖2 微動(dòng)譜比法流程圖

2.3 儀器設(shè)備

本項(xiàng)目涉及的設(shè)備信息如下：微動(dòng)譜比法采用通用三分量低頻檢波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的2 Hz 三分量拾震器（速度型；電壓輸出靈敏度≥2 V·cm/s），儀器設(shè)備均在計(jì)量檢定周期之內(nèi)，并通過自主編寫軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解編與信息提取，采集設(shè)備如圖3 所示。

圖3 微動(dòng)譜比法現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集示意圖

2.4 數(shù)據(jù)采集

測點(diǎn)布置采用南方靈銳S86RTK 進(jìn)行，其基于CORS 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)、 實(shí)時(shí)差分方法完成各個(gè)勘探點(diǎn)的測量放點(diǎn)，測量誤差控制在厘米級。 基于CORS 的網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)能很好地解決通過GPS點(diǎn)校正的控制點(diǎn)的誤差問題，能很好地?cái)M合放樣點(diǎn)的平面精度和高程精度，其網(wǎng)絡(luò)差分精度可達(dá)厘米級，測量時(shí)間僅2～4 s。 測點(diǎn)定位完成后，將設(shè)備安置于測點(diǎn)處進(jìn)行調(diào)平操作，保證水平穩(wěn)定后開始數(shù)據(jù)采集，本次數(shù)據(jù)采集采用10 ms 采樣間隔，記錄時(shí)長15 min，局部干擾較大區(qū)域采集時(shí)長增大至20 min。當(dāng)天數(shù)據(jù)進(jìn)行室內(nèi)解編，對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評估，對不滿足質(zhì)量要求的數(shù)據(jù)次日進(jìn)行重新采集。

2.5 質(zhì)量評價(jià)

項(xiàng)目中兩種設(shè)備的數(shù)據(jù)采集均采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的2 Hz 三分量拾震器進(jìn)行采集， 數(shù)據(jù)格式一致，實(shí)測數(shù)據(jù)如圖4 所示，從圖中可以看出波形穩(wěn)定，沒有較為明顯的強(qiáng)干擾出現(xiàn)，采集數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足《鐵路工程物理勘探規(guī)范》（TB10013－2010）和《淺層地震勘查技術(shù)規(guī)范》（DZ/T0170－1997）對數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求。

圖4 ZDK26+690～26+890 段視S 波速剖面圖

3 成果分析

孤石是存在于風(fēng)化層中的不均勻地質(zhì)體，其粒徑、形態(tài)、分布位置無規(guī)律可循，微動(dòng)探測是對地質(zhì)條件實(shí)施的整體探測。 本文主要通過微動(dòng)譜比探測技術(shù)，對盾構(gòu)隧道范圍內(nèi)的土、石界面及孤石等特殊地質(zhì)體的分布特征進(jìn)行探查，并且通過鉆探驗(yàn)證了其設(shè)備及方法的合理、可靠性。 H/V 曲線的峰值曲線多以單峰或者雙峰的形態(tài)呈現(xiàn)，峰值出現(xiàn)的頻率整體偏低，孤石發(fā)育段表現(xiàn)為明顯的高速異常區(qū)， 尤其在殘積土或風(fēng)化層厚度較大時(shí)，其高速異常表征愈加明顯。 由表1 可見，通過微動(dòng)探測技術(shù)結(jié)合鉆孔驗(yàn)證，微動(dòng)異常區(qū)域遇孤石比例為54.5%。

表1 異常區(qū)域遇孤石比例

通過分析，微動(dòng)探測技術(shù)在孤石探查中可靠性較高，對于粒徑大于3 m 的孤石，與周圍土體存在明顯的物性差異時(shí)，微動(dòng)探測曲線的效果較佳。

4 微動(dòng)探測技術(shù)應(yīng)用

4.1 試驗(yàn)段

為了更準(zhǔn)確地辨別孤石的視S 波速特征，選取具有代表性段落作為試驗(yàn)段，通過H/V 等值線圖與詳勘結(jié)果進(jìn)行對比，得到孤石在地層中的視S 波速特征。

如圖4 所示，Z161～Z183 段隧道頂板標(biāo)高為－12.1～－12.9 m，底板標(biāo)高為－18.3～－19.1 m，隧道圍巖主要為殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖，局部為散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。該段H/V 曲線多以雙峰或多峰形態(tài)呈現(xiàn)， 在2.9～3.3 HZ 范圍內(nèi)基本存在一次峰值，在3.0～3.3 HZ 范圍內(nèi)基本存在一次峰值。 結(jié)合詳勘資料，該段基巖埋深較大，該段基巖位于隧道洞身底板以下，Z161～Z171、Z185～Z191 段地下孤石發(fā)育。根據(jù)H/V 曲線，視S 波速度在Z161～Z170、Z184～Z193 段表現(xiàn)為高速，而殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖表現(xiàn)為低速。 因此，通過試驗(yàn)可以得出，孤石的視S 波速度表現(xiàn)為高速，土層表現(xiàn)為低速。 高速異常區(qū)有：Z161～Z171、Z177～Z178、Z184～Z193、Z194～Z195、Z199～Z201。 針 對 異 常 點(diǎn)Z163、Z164、Z166、Z168、Z170、Z173、Z177、Z184、Z186、Z189、Z192、Z195、Z199 開 展 鉆 探 驗(yàn) 證， 其 中，Z163、Z168 及Z186 附近詳勘已揭示孤石， 經(jīng)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)：Z164 在18.3～19.7 m 和20.8～21.6 m 揭示孤石，Z166 經(jīng)爆破處理發(fā)現(xiàn)在18.3～23.1 揭示孤石，Z177 在18.6～19.8 m 揭示孤石，Z189 在17.9～18.7 m 揭示 孤石，Z170 及Z173 未 揭 示 到 孤 石，Z184、Z192、Z195 及Z199 未揭示到孤石。

4.2 ZDK26+290～26+490 段

如圖5 所示，Z81～Z98 段隧道頂板標(biāo)高－10.1～－11.3m，底板標(biāo)高－16.3～－17.5m，隧道圍巖主要為殘積砂質(zhì)黏性土與全風(fēng)化花崗巖。 高速異常區(qū)有：Z82～Z89、Z99～Z110、Z111～Z112、Z113～Z121。 針對異常點(diǎn)Z84、Z86、Z87、Z95、Z100、Z103、Z104、Z111、Z115 開展鉆探驗(yàn)證，其中，Z84、Z86 及Z87 附近詳勘已揭示孤石，經(jīng)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)：Z95 在9.4～9.8 揭示孤石，Z100 和Z115 分別在18.1～20.3 m 和19.3～20.8 m揭示孤石，Z103、Z104 和Z111 未揭示到孤石。

圖5 ZDK26+290～26+490 段視S 波速剖面圖

4.3 ZDK26+490～26+690 段

如圖6 所示，Z121～Z141 段隧道頂板標(biāo)高－11.3～－12.1 m，底板標(biāo)高－17.0～－18.3 m，隧道圍巖主要為殘積砂質(zhì)黏性土、 全風(fēng)化花崗巖，局部為散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。 高速異常區(qū)有：Z82～Z89、Z90～Z92、Z99～Z110、Z111～Z112、Z113～Z121。針對異常點(diǎn)Z124、Z126、Z127、Z129、Z132、Z136、Z138、Z143、Z145、Z146、Z149、Z151、Z158 開 展 鉆探驗(yàn)證，其中，Z124、Z126 及Z127 附近詳勘已揭示孤石， 經(jīng)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)：Z129 在16.2～19.7 m 揭示孤 石，Z132 在17.4～18.3 m 揭 示 孤 石，Z145 和Z146 分 別 在10.2～10.7 m 和11.6～12.0 m 均 揭示孤石，Z136、Z138、Z143、Z149、Z151、Z158 未揭示到孤石。

圖6 ZDK26+490～26+690 段視S 波速剖面圖

4.4 ZDK26+890～27+105 段

如圖7 所示，Z201～Z224 段隧道頂板標(biāo)高－12.9～－13.7 m，底板標(biāo)高－19.1～－19.9m，隧道圍巖主要為殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖，局部為散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。 高速異常區(qū)有：Z201～Z202、Z203～Z214、Z215～Z218、Z219～Z224。 針對異常點(diǎn)Z202、Z211、Z213、Z216、Z220、Z222、Z224、Z239、Z242 開展鉆探驗(yàn)證，經(jīng)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)：Z202 在11.4～11.6 m 和10.6～12.8 m 揭 示 到 孤 石，Z216 在18.0～19.3 揭 示孤石，Z239 與Z242 分別在18.7～21.0 m 與18.3～21.0 m 揭示孤石，Z211、Z213、Z220、Z222 及Z224未揭示到孤石。

圖7 ZDK26+890～27+105 段視S 波速剖面圖

5 結(jié)論

本文結(jié)合廈門某地鐵盾構(gòu)隧道，嘗試將微動(dòng)探測技術(shù)用于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，并經(jīng)過鉆孔驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：（1）針對盾構(gòu)隧道孤石分布無規(guī)律的特征，采用微動(dòng)探測技術(shù)，充分查明了孤石的發(fā)育特征，并通過鉆孔進(jìn)行了驗(yàn)證，為采取施工措施奠定了基礎(chǔ)；（2）采用微動(dòng)探測技術(shù)用于盾構(gòu)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，異常區(qū)域通過鉆孔驗(yàn)證見孤石比例約為54.5%，微動(dòng)探測技術(shù)得到的孤石分布區(qū)域較實(shí)際大；（3）微動(dòng)探測成果中H/V 曲線的峰值曲線多以單峰或者雙峰的形態(tài)呈現(xiàn)，峰值出現(xiàn)的頻率整體偏低，孤石發(fā)育段表現(xiàn)為明顯的高速異常區(qū)，尤其在殘積土或風(fēng)化層厚度較大時(shí)，其高速異常表征愈加明顯；（4）微動(dòng)探測技術(shù)可用于盾構(gòu)隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，但是建議采用鉆孔的方法進(jìn)行驗(yàn)證，以明確孤石等不利條件在H/V 曲線的表現(xiàn)形態(tài)。