微動探測技術在淺埋隧道地質勘察中的應用

■葉軍云

(福建省龍巖市城市建設投資發展有限公司，龍巖 364000）

微動探測技術在淺埋隧道地質勘察中的應用

■葉軍云

(福建省龍巖市城市建設投資發展有限公司，龍巖 364000）

本文以龍巖華蓮西路淺埋隧道地質構造條件為工程背景，采用微動探測技術推斷隧道洞身地質和斷裂發育情況，為設計施工提供地質指導。微動探測結果顯示洞身內各區段面波相速度值差異明顯，其中低速帶對應的巖石破碎帶分布區域清晰。施工開挖結果顯示3處低速帶與區域內的斷裂破碎帶對應較好，證實微動技術適宜對淺埋隧道進行超前地質預報。

微動探測 淺埋隧道 斷裂 地質預報 低速帶

1 引言

擬建隧道位于龍巖市新羅區西陂鎮的紅炭山地塊與陳陂村之間的山體中，隧道最大埋深74m，設計為雙向六車道雙線雙洞隧道。設計采用小凈距隧道方案，分為南北兩線，進口南北幅凈距約為6.5m，出口南北幅凈距約為4.9m，北線隧道全長 415m(樁號 AK1+758～AK2+173）；南線隧道全長 432.52m(樁號 BK1+754.68～BK2+187.2），行車速度為40km/h。本隧道內輪廓建筑界限為凈寬14.3m(其中外側人行道1.8m，內側檢修道寬0.75m,車行道11.75m），凈高 5.0m。

隧址區位于閩西南坳陷帶之廣平-龍巖拗陷帶中段，據鉆探揭露及工程地質測繪成果，隧址區分布有F1斷裂構造，可見寬度約 10～15m，長度大于 1000m，產狀 210°∠70-75°，擠壓條帶和透鏡體發育，巖石碎裂，帶內有閃長玢巖脈侵入，屬壓扭性斷層。該斷層走向沿隧道軸線分布，降低了隧道的圍巖級別。

為查明隧道內不良地質 (主要為破碎帶）的發育情況，采用微動探測技術對隧道洞身范圍進行全線探測。

國內中科院地質與地球物理所的徐佩芬等對微動探測技術開展了比較多的研究工作，成功應用微動方法探測地熱斷層[1]，煤炭陷落柱等中深部勘探[2]，及巖土工程尺度的城市地鐵勘察。徐佩芬等在深圳地鐵7號線采用微動方法得到二個共19個勘探點的速度剖面[3]，并對可能存在的花崗巖孤石進行劃分，但未見鉆探驗證資料。福建省建筑設計研究院的劉宏岳等將微動探測技術成功運用于福州市軌道交通1號線盾構區間的孤石探測中，經過鉆孔和盾構施工驗證，取得了良好的效果，準確的劃分基巖面，揭露巖脈范圍和孤石[4]。

隧道最大埋深74m，屬于淺埋隧道，本次使用微動探測技術對隧道洞身不良地質進行探測，形成了面波相速度剖面，發現了3處低速帶，經隧道全線開挖證實這3處低速帶與巖性分界或者破碎帶對應較好，本次探測成果為隧道的設計、施工提供了可靠的地質依據。

2 微動探測技術方法簡介

地球表面存在一種微弱波動，它源于自然界和人類的各種活動。自然界中的風、潮汐、氣壓變化、火山活動等都會產生震動；而人類活動產生的震動包括車輛移動、工廠機械運行，甚至人的行走等。所有這些振動的能量將以波的形式向遠處傳播，其中含有各種體波，但能量傳播的主要形式是面波，因此微動方法也可以稱為被動源面波法。

微動震源通常分為兩大類：自然現象和人類活動，對應震源的不同頻段。低頻段信號反映深部地層信息，而巖土工程尺度的探測主要使用高頻段的信號，其震源主要為測點附近數百米內的交通、機器振動。震源距離較近時，微動波場包含體波和面波，震源距離較遠時，面波占主要能量。

微動是一種由體波(P波和S波）和面波(瑞利波和拉夫波）組成的復雜振動，并且面波的能量占信號總能量的70%以上，大部分的能量以基階模式傳播。盡管微動信號的振幅和形態隨時空變化而發生變化，但在一定時空范圍內具有統計穩定性，可用時間和空間上的平穩隨機過程描述。微動探測就是以平穩隨機過程理論為依據，從微動信號中提取面波(Rayleigh波）的頻散曲線，通過對頻散曲線的反演，獲得地下介質的橫波速度結構[5]。

2.1 微動探測原理

微動探測是一種基于微動臺陣探測的地球物理探測方法。微動探測工作原理如圖1所示，采用臺陣(圓形臺陣或者內嵌三角形臺陣等）布置方式進行信號采集，運用空間自相關(SPAC）算法[6]或頻率波數域(F-K）算法[7]從各測點微動臺陣記錄中提取瑞雷波頻散曲線，然后直接繪制面波相速度等值線圖，面波相速度等值線圖能客觀、直觀地反映地層巖性變化，是地質解釋的基本依據。

本工程采用圓形觀測臺陣，每個圓形陣列由放置于正五邊形頂點和中心點的6個檢波器和數據采集系統組成，按5m測點間距逐點進行，以形成二維剖面觀測，觀測陣列可基本覆蓋整個隧洞范圍。

2.2 數據采集

現場測試儀器采用重慶地質儀器廠生產的便攜式數字地震儀(型號為EPS-2），各拾震儀為無線連接方式，通過GPS授時功能實現各臺地震儀的同步信號采集。

實際施工時按照設計的觀測系統沿測線逐點進行觀測，單點每次觀測時間為10～20min。

隧道范圍的地表環境較復雜，包括竹林地、荊棘地、茅草地、養狗場、少部分水泥路面等；地形起伏較大，有平地、斜坡等；儀器與地面接觸條件較差，需使用鋤頭挖掉樹根、草根、竹根，以使儀器與地面有較好的耦合接觸。測試區域人為干擾較少，測試環境相對安靜。本次采集的數據信噪比相對較高，數據處理結果可靠性高。

3 微動探測成果分析

本次探測沿南北線隧道軸線布置縱測線2條，臺陣測點數分別為北線83個，南線85個。下面以北隧道(測線編號LN）來說明微動探測的成果。微動探測成果主要為面波相速度平面圖如圖1所示。相速度剖面能客觀、直觀地反映地層巖性變化，是地質解釋的基本依據。

圖2為LN剖面面波相速度等值線圖，橫坐標為里程樁號，本剖面83個微動測點；縱坐標為高程；圖中等值線為面波頻散速度值，各種速度值對照右邊標注；圖中黑色雙實線范圍為隧道的洞身范圍。

縱觀整個速度剖面：(1）靠近進出口兩端，隧道洞身范圍內速度值較低，結合鉆孔資料，進口端洞身將穿越粉質粘土、含角礫粉質粘土、殘積粘性土、砂土狀和碎塊狀強風化炭質粉砂巖和碎裂巖等；出口端洞身將穿越含角礫粉質粘土、砂土狀和碎塊狀強風化炭質粉砂巖和碎裂巖等。(3）中間區域洞身主要穿越基巖，但基巖速度有明顯的差異，速度高表示完整巖石，速度相對較低表示破碎的巖石。面波相速度變化明顯，連續性差，表明隧道洞身范圍內受區域構造斷裂的影響，基巖的完整性差別較大。

圖1 相速度剖面獲取流程圖

圖2 LN剖面面波相速度等值線圖

圖3 LN剖面成果解釋圖

圖3為LN剖面的微動探測解釋成果圖，根據面波相速度剖面結合隧道兩側的鉆孔劃分基巖面，圖中黑色雙實線為隧道洞身范圍線，黑色虛線為微動探測成果解釋的基巖面，其中隧洞穿越基巖段發現3處低速帶，推斷為3處破碎帶。表1為LN剖面(北線隧道）的解釋成果，根據相速度按里程進行解釋。

表1 LN剖面分段解釋成果表

4 施工開挖驗證說明

隧道施工采用三臺階七步開挖法，機械開挖為主，本隧道為小凈距隧道，且圍巖變化頻繁，為了確保施工安全，避免爆破帶來的安全隱患，故選擇機械開挖。開挖設備均為CAT320D挖掘機。

目前華蓮西路隧道雙洞已全部洞通，施工單位對隧洞掌子面和圍巖情況進行了詳細記錄。從開挖情況對比，微動成果剖面對隧道的斷裂分析位置判斷準確，按里程統計，巖土層的分界面、巖石的完整性(破碎、完整）及對應的里程位置整體準確率在90%以上。面波相速度大小與巖土層的密實程度密切相關，詳細如下：

Vr=140～300m/s，粉質粘土、含角礫粉質粘土、殘積粘性土和砂土狀強風化炭質粉砂巖，采用人工用洋鎬、電鎬和CAT320D挖掘機斗開挖，每進尺(0.5m）開挖時間：1.5～2h，無特殊措施。

Vr=350～550m/s，碎裂巖和碎塊狀強風化；采用CAT320D挖掘機帶破碎錘釬桿開挖，風鎬配合修整，無特殊措施。每進尺(0.5m）開挖時間：2～3.5h。

Vr=550～650m/s，碎裂巖、碎塊狀強風化和中風化等，且中風化較破碎。開挖方式：CAT320D挖掘機帶破碎錘釬桿開挖，風鎬配合修整；每進尺(0.5m）開挖時間：2.5～5h；特殊措施：局部強度較大時，需用履帶式潛孔鉆先進行鉆孔，為破碎錘釬桿提供切入點。

Vr=700～1050m/s，基巖較完整，強度高，開挖方式：CAT320D挖掘機帶破碎錘釬桿開挖，風鎬配合修整，每進尺(0.5m）開挖時間：5～40h；特殊措施：圍巖強度高需用履帶式潛孔鉆先進行鉆孔，為破碎錘釬桿提供切入點。連續作業造成高溫容易發生釬桿斷裂現象，需用噴水降溫。

表2為LN剖面開挖驗證結果。

表2 LN剖面開挖驗證成果表

5 結論

微動探測有效的利用環境噪聲，并從中獲取面波的頻散特性以推斷地下速度結構，不受場地條件限制，是一種無損、經濟、高效的地球物理探測手段。微動探測與少量鉆孔結合，可以得到較精確的地下構造的二維剖面，面波頻散速度等值線圖能直觀顯示巖土層的縱、橫向變化，對地質異常有明顯反映。

華蓮西路隧道采用微動探測技術，在地表進行測試，得到隧道洞身范圍內的地質異常區段，成果可靠，與實際開挖結果對應良好，準確率在90%以上。采用微動技術對淺埋隧道進行超前地質預報是適宜的，對隧道的施工有指導作用，可為類似工程提供參考與借鑒。

[1]付微,徐佩芬,凌蘇群，等.微動勘探方法在地熱勘查中的應用[J].上海國土資源，2012,33(3）:71-75.

[2]徐佩芬,李傳金,凌甦群，等.利用微動勘察方法探測煤礦陷落柱[J].地球物理學報,2009,52(7）:1923-1930.

[3]徐佩芬,侍文,凌甦群，等.二維微動剖面探測“孤石”:以深圳地鐵7號線為例[J].地球物理學報,2012,55(6）:2120-2128.

[4]劉宏岳，黃佳坤，孫智勇，等.微動方法在城市地鐵盾構施工“孤石”探測中的應用—以福州地鐵1號線為例[J].隧道建設，2016，36(12）:1500-1506.

[5]趙東.被動源面波勘探方法與應用[J].物探與化探，2010，34(6）：759-764.