二維微動探測技術在廣州地鐵十八號線番南區間的應用研究

雷鋒國

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300222)

微動探測方法因采用天然源的綠色環保特性，抗電磁干擾、振動干擾能力強，儀器設備輕便、探測方便等技術優勢，適用于城市區域強干擾環境下的地質勘察。目前，國內外眾多學者和公司開展了微動探測的理論、應用研究及技術服務，在地熱資源勘察、地熱井位選址，煤礦采區構造，城市地質基巖面探測、活斷層調查，地鐵地質勘察土石界面、巖溶、空洞、斷裂構造、孤石等工作中，取得了一批具有工程應用價值的探測成果[1-5]。微動探測技術現已成為城市地質調查、工程地質勘察的重要物探手段，受到業界廣泛關注與好評。

本文采用小臺陣二維微動剖面探測方法，在廣州地鐵18號線番南區間不能實施鉆探的地方開展微動探測工作，探明了地面以下40 m范圍內土巖界面起伏、巖性變化及軟弱巖體，為大直徑盾構下穿密集城市建筑群施工提供了可靠的物探依據。

1 工程概況

廣州市軌道交通十八號線番南1號盾構井(PN1)～番南2號盾構井(PN2)區間，線路主要沿番禺大道北敷設，穿越眾多建筑物，人員和房屋密集，車輛穿梭頻繁，部分路段穿經村莊、廠房，鉆探勘察施工困難，地質安全隱患多。

根據巖土工程勘察報告，區間場地地層主要為人工填土層(Q4ml)、沖積-洪積土層(Q3+4al+pl)<4N-2>、硬塑殘積土層(Qel)<5H-2>、全風化花崗巖<6H>、強風化花崗巖<7H>、中風化花崗巖<8H>和微風化花崗巖<9H>。結合土石工程等級、土石的開挖性等方面，探測時把全風化巖層<6H>的底面作為土、巖分界線，即<1>～<6H>劃為土層，把<7H>劃為巖層。在工程地質斷面上，以<6H>與<7H>間的分界線定為土、巖分界線。

本區間開展微動探測工作具有較好的地球物理條件：①探測深度范圍內場地巖土層由覆蓋土層及基巖組成，面波在地下非均勻介質中傳播會發生頻散現象，故可通過提取面波的頻散曲線來獲得介質的結構構造信息。②非密實巖體、松散土體、富水、軟弱區域物性表現為橫波低速，密實土體、完整基巖表現為橫波高波速特征，兩者存在明顯的橫波波速差異，具備微動探測的地球物理前提。③土巖分界面為全風化巖層的底界面，橫波速度和密度均存在明顯差異，也具有明顯的視S波速度差異，微動視S波速度剖面能有效分層、探測基巖面突起。

2 二維微動探測方法

微動探測方法是以平穩隨機過程理論為依據，采用數據處理技術從地表的微動信號中提取Rayleigh波相速度頻散曲線，再通過對頻散曲線的反演，獲得地下介質的橫波速度結構、達到勘探目的的一種地球物理探測方法。

采用空間自相關法(SPAC法)從微動記錄中提取面波(瑞雷波)并計算各臺陣的瑞雷波頻散曲線，采用個體群探索分歧型遺傳算法，由相速度頻散曲線反演勘探點(臺陣)下方的S波速度結構。反演計算前先給定初始模型，即層數以及各層S波速度及層厚的范圍(上限和下限)，再從給定的范圍中求得S波速度結構的最優解。

二維微動剖面探測則在獲得各微動中心點的面波頻散曲線后，用式(1)直接計算Vx，可將相速度頻散曲線(Vr-f曲線)轉換成視S波速度Vx隨深度的變化曲線(Vx-H曲線)，再通過插值、光滑計算，最終可獲得視S波速度彩色剖面。

(1)

式中：vr為瑞雷波速度；ti為周期。

視S波速度Vx是既不同于相速度Vr也不同于S波速度Vs的面波物性參數，具有速度量綱。因為避免了反演過程中設置初始模型、反演結果選取等人為因素的影響，微動剖面結果能更客觀、直觀地反映地層巖性及構造變化。

3 工程實施

3.1 測點布置與儀器設備

本次微動探測分4段(L1～L4)，共布置21個勘探點。勘探點布設以10 m左右間距均勻布設，由場地條件確定實測位置。選定的勘探點做好標志，在勘探點上方鋪設0.9 m臺陣布，以精確確定0.9 m小臺陣中3個觀測點的位置。觀測臺陣中的其余觀測點用皮尺丈量確定位置，滿足微動探測對小臺陣觀測測點精度的要求，測量誤差控制在厘米級。

采用MTKV-3C獨立式微動數據采集系統，包括拾震儀和記錄儀兩大部件。拾震儀為CDJ-S2Cm的2 Hz三分量速度型，電壓輸出靈敏度≥2 V·cm/s；記錄儀采用日本白山工業株式會社DataMark LS8800型記錄儀；導航定位系統為南方靈銳RTK S86型號。

3.2 微動數據采集

3.2.1 儀器一致性測試

工作之前，對儀器進行一致性測試，以確保觀測數據可靠有效。儀器一致性測試時，將全部儀器放置到同一點處同步記錄10 min左右，由該記錄計算各臺儀器的功率譜、功率譜之比、相干系數和相位差，以對儀器的一致性做出評價。

儀器一致性測試波形記錄如圖1所示，圖2為計算獲得的各臺儀器的功率譜、功率譜之比、相干系數和相位差。結果表明，儀器的一致性優于97%，達到微動探測對儀器一致性的要求。

圖1 儀器一致性測試波形

圖2 儀器一致性測試結果

3.2.2 數據采集

本次微動探測采用圖3所示T字形觀測臺陣，臺陣半徑根據場地條件選用0.9 m-4 m-12 m 和0.9 m-5 m-15 m二種，可滿足探測深度要求。

圖3 微動觀測臺陣示意圖

采集數據前對記錄儀進行采集參數設置，采樣頻率為100 Hz，放大倍數為16倍。在儀器安放到位、確保進入正常工作狀態后，記錄各臺儀器同步采集的起始時間。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16 min，觀測結束后將儀器搬運到下一個點觀測。

3.3 數據處理

微動探測現場數據包括野外班報、實測微動數據和波形記錄、微動勘探點實測坐標等。微動數據處理分為野外數據實時預處理和內業SPAC法處理兩部分。實時預處理的主要目的是將實測數據轉換成SPAC數據處理格式，畫出波形圖，以監控實測數據的有效性；剔除被場地噪聲明顯干擾的數據段，計算臺站間空間自相關系數，判斷實測數據質量，以指導現場施工。內業處理主要是基于SPAC法從臺陣微動數據中提取面波頻散曲線，獲得視S波速度剖面，數據處理流程見圖4。參考測線旁鉆孔巖性信息，以微動剖面Vx速度變化特征為依據，與鉆孔巖性對比，總結出測區視S波速度與巖性的關系，如表1所示。

圖4 SPAC微動探測流程圖

3.4 微動剖面地質解釋

表1 測區巖性與視S波速度的關系

3.4.1 劃分巖土層

依據Vx速度特征劃分巖土層、解釋隧道深度范圍(40 m)內巖體巖性變化，重點關注高速(致密)巖體、低速(軟弱)巖體可能對隧道施工造成的影響。圖5和圖6分別為5號勘探點和L3測線實測頻散曲線和微動探測剖面圖。

圖5 5號勘探點實測頻散曲線

圖6 視S波速度剖面及地質解釋(L3線)

根據巖性速度差異劃分出以下速度巖性層。

(1)雜填土、素填土：近地表Vx=160～200 m/s±的土層，巖性均勻。局部地段地表之下2 m左右深度范圍內見Vx=290～4 000 m/s±高速區域。

(2)砂質粘性土：在雜填土層之下普遍發育，該層巖性及速度特征與黏土層類似，但其中夾含低速似層狀、透鏡狀低速體(砂層)。

(3)砂層：該層Vx<160 m/s±，巖性較為均勻。測區內較發育，呈層狀，局部呈透鏡體狀尖滅。

(4)全風化花崗巖：該層Vx=260～400 m/s±，巖性較為均勻，但速度低，密實度差。局部差異風化現象明顯(對應似層狀、透鏡狀低速層)。

(5)強風化花崗巖：該層Vx=400～500 m/s±，巖性均勻。

(6)中風化花崗巖：該層Vx>500 m/s±，巖性較為均勻，巖性密實度高。但局部呈強風化狀，如5號點下方-6～-12.5 m、-19～-24 m深度范圍內的低速巖體，關注其與圍巖軟硬程度差異可能對盾構施工帶來影響。

3.4.2 基巖軟硬變化可能對隧道施工的影響

把全風化花崗巖底界面作為巖面，重點關注該界面起伏變化、巖體軟硬變化可能對隧道施工帶來的影響。根據L1～L4四段、21個勘探點所探測資料處理分析，得到巖面起伏、花崗巖差異風化情況如表2、表3所示。

表2 花崗巖差異風化情況

表3 巖面(全風化花崗巖底界)起伏變化

4 結論

(1)測區覆蓋層為雜填土/素填土、砂質粘性土、砂層，下伏基巖花崗巖(全～強～中風化)。參考測點旁鉆探柱狀資料對巖性層作出定性解釋，再結合剖面速度特征追蹤巖面(全風化花崗巖底界)，微動探測劃分的土巖界面及主要巖層界面可靠。

(2)微動剖面上解釋的土巖界面是速度分界面，與巖石軟硬程度、致密程度有關。由于速度與巖性并非唯一對應，并且縱、橫向速度都是內插、光滑計算的結果，所以，微動探測解釋的巖層界面與鉆孔所見真實的巖性地層界面可能存在一定誤差，這可通過鉆孔結果標定加以校正。

(3)在隧道施工時，建議在具備條件的地方鉆探進一步查明硬巖(中風化花崗巖突起)的范圍；如果隧道穿越花崗巖差異風化巖體，需注意巖體致密程度變化、軟硬變化可能給盾構機姿態造成的不良影響，應及時調整施工參數。