地微動勘探技術在孤石探測中應用
——以福州地鐵1號線工程為例

李月蓮 宗全兵

(1.福建信息職業技術學院 福建福州 350001；2.福州地鐵集團有限公司 福建福州 350001)

福州地鐵1號線一期工程，起于福州市區北部的新店象峰，終于火車南站，途經晉安、鼓樓、臺江和倉山四個行政區，為主城區內軌道交通南北向的主干線。工程沿線下伏基巖主要為燕山晚期侵入的花崗巖，局部為凝灰熔巖、輝綠巖、花崗斑巖，其上覆蓋厚度不等的殘積、坡積土；第四紀地層主要為河相、海相沉積層，交替沉積有淤泥、淤泥質土、砂土、卵石層等。巖土工程勘察表明，在新店車輛基地出入場線、樹兜站-屏山站-東街口站區間、達道站-上藤站-三叉街站區間、屏山站、達道站等8個車站、12個區間均發現有孤石分布。2013年5月，在新店車輛基地出入場線區間、三叉街站-上藤站區間的盾構施工過程中遇到未經查明的孤石，造成盾構機刀具損壞，施工停滯。

提前探明影響盾構施工的孤石，并對其預處理成為保障福州地鐵1號線洞通的關鍵。對隨機分布的孤石，若采用鉆探手段，則鉆孔間距必須足夠小，若要進一步考慮孤石部分侵入隧道的情況則需布置多排鉆孔，其工作量大、排查周期長、對交通影響大，需要政府部門下很大決心協調交通、市政以及各管線權屬部門。

研究表明[1-5]：淺層地震法、跨孔電阻率法、跨孔CT法、地微動法是行之有效的孤石探測方法。基此，在綜合考慮探測方法對城市環境的影響、可實施性和經濟性后，決定采用地微動法對盾構區間進行孤石排查。

1 地微動探測孤石原理及判別

受氣壓變化、海浪、人類交通活動等因素的影響，在地球表面隨時都存在頻率0～20Hz、振幅約10-4～10-2mm的隨機振動(稱為“地微動”或常時微動)。地微動是一種由體波(P波和S波)和面波構成的復雜振動，其中面波能量占振動總能量的70%以上。地微動雖不是來源于特定震源，但因在傳播過程中受巖土體的濾波和吸收作用，累積了反映場地巖土介質特性的信息，具有在不同地點功率譜形狀不同，在同一地點的功率譜形狀相似的特點[6]。地微動進行勘探方法就是從采集的微動數據中提取Rayleigh面波的頻散信息，并據此推斷地下介質的速度結構[7-8]。孤石與其周圍松散介質相比，在密度、S波速度、S波波阻抗等方面存在顯著差異。從微動探測方法上看，S波速度差異由視S波速度剖面反映，而波阻抗差異可由測點的H/V譜比給予反映。

福州地鐵1號線探測孤石，采用沿隧道軸線布置中心距為5m、半徑為2.5m的圓形微動探測臺陣，每個臺陣由放置于正五邊形頂點和中心點的6個檢波器組成，如圖1所示。對采集的微動信號作如下假設：①平面波假設；②水平層狀介質假設；③垂直分量基本為Rayleigh波，且基階波占主要能量；④在一定時空范圍內采集到的微動信號具有統計穩定性，可采用隨機平穩過程理論進行描述。

對每個臺陣采集到的地微動信號，采用高分辨率頻率波數域(HRFK)法提取瑞雷波頻散曲線[9-10]，計算視S波速度，再經插值光滑計算即可獲得沿隧道軸線的二維視S波速度剖面；同時，對各檢波器獲取的信號進行用傅里葉變換，獲得水平分量和垂直分量的頻譜量值生成H/V曲線，并形成每個臺陣的Nakamura H/V譜比曲線[11-13]。視S波速度和H/V譜比計算流程如圖2～圖3所示。

(a)地微動臺陣布置

(b)測數據采集現場圖1 微動圓形觀測臺陣

圖2 視S波速度計算流程

圖3 H/V譜比計算流程

微動測試獲得的視S波速度剖面，能直觀顯示測試范圍內地層的速度及其縱橫向變化，剖面上的異常高速體對應著基巖面凸起或孤石，特別是在隧道范圍內被低速圍巖“包裹”或“半包裹”的高速異常體往往給地鐵盾構施工帶來安全風險，是盾構施工過程需要特別注意的地方。

當測點范圍內有孤石存在時，可將該范圍內的地層視為有軟硬不均夾層的場地，測點的H/V譜比曲線會呈現多波峰形態。福州地鐵1號線盾構區間地微動探測與鉆探結果對比分析表明[12]：在視S波速度判據基礎上輔以H/V譜比法判據，可有效提高孤石判別的準確度。H/V曲線可進一步歸納為尖單峰、緩單峰、雙峰、前臺階型、后臺階型、雜亂型6類，且不同類型的H/V曲線形態對應不同的地層結構(見表1)。根據孤石及其周圍介質的地球物理特性差異及S波剖面和H/V曲線特征，可將存在孤石的測點分為以下4大類異常：

Ⅰ類異常：局部速度稍偏高或者偏高；或者無明顯速度偏高但H/V曲線中出現小峰值頻率對應較好等情況。該類異常對應的可能是巖土層分界面或者不均勻風化，出現孤石的可能性極小。

Ⅱ類異常：局部速度稍偏高或者偏高，且H/V曲線中出現小峰值頻率對應較好或者大峰值頻率對應較差；或者無明顯速度偏高但H/V曲線中出現大峰值頻率對應較好等情況。該類異常對應的可能是阻抗比較大的巖土層分界面或者不均勻風化，出現孤石的可能性較小。

Ⅲ類異常：速度明顯偏高；或者速度稍偏高或者偏高，且H/V曲線中出現大峰值頻率對應較好等情況。該類異常對應的可能是速度較高的巖土體或不均勻風化，出現孤石的可能性較大。

Ⅳ類異常：速度明顯偏高且H/V曲線中出現大峰值頻率對應較好。該類異常對應的可能是速度較高的巖土體或不均勻風化核，出現孤石的可能性極大。

表1 常見的H/V曲線形態及對應的地層結構

2 地微動探測孤石的工程應用

地鐵1號線新店車輛基地～象峰站出入段線盾構區間，自湯斜佳園的1#盾構工作井始發，向東偏北方向穿過湯斜溪、湯斜村，沿線主要經過村民住宅及菜地。區間場地主要巖土層分布特征如下：①0耕植土；①1雜填土；①3淤泥質填土；④粉質粘土；⑤1淤泥質粘土；⑥碎卵石；⑦粉(砂)質粘土；⒀a殘積(砂質)粘性土；⒁全風化巖；⒂散體狀強風化巖；⒃碎裂狀強風化巖；⒄中等風化巖。盾構主要穿越⒀a殘積(砂)質粘性土、⒁全風化巖、⒂散體狀強風化巖等地層。

2013年5月，福州地鐵1號線新店車輛基地出段線盾構推進過程中突遇孤石，導致盾構停機，施工停滯。資料分析表明，新店車輛基地出入段線CDK1+550-CDK1+460、CDK1+203-CDK1+ 105、RDK1+700-RDK1+500約400m長度極可能出現影響盾構施工的孤石。為進一步指導盾構施工，決定采用地微動法對孤石分布情況進行試驗性排查。

調查采用SWS-6工程地震儀結合重慶地質儀器廠的CDJ-S2C-2三分量檢波器，完成80個圓形臺陣勘探點的地微動數據采集，得到了3條探測深度25m～40m的視S波剖面及對應的H/V曲線成果。其中，象峰至新店車輛基地入段線(RDK1+ 700-RDK1+500)的S波速度剖面如圖4所示。探測結果表明，出段線測試段未見Ⅰ類以上異常；入段線測試段內存在17處異常測點，其中Ⅰ類以上異常11處，詳見表2。

在后續的盾構推進中，施工單位根據測試結果及時對盾構推進參數進行優化調整，加強了盾構機的刀具配置，最終順利通過了上述測試地段。對盾構施工揭示的情況與地微動探測結果對比表明：微動探測能反映出孤石的分布，在入段線里程RDK1+628.83-RDK1+598.83段現場實際掘進過程中陸續碰到孤石，與微動探測揭示的異常點RC14-RC21位置吻合；測點RC5推進記錄無孤石出現，但其后的RC6-RC7、RC8-RC9等位置也有孤石出現。

圖4 象峰至新店車輛基地(RDK1+700-RDK1+500)視S波速度剖面圖

表2 象峰到新店車輛基地(RDK1+700-RDK1+500)地微動探測結果

在新店車輛基地出入段線探測孤石取得成功后，又先后對出入段線余下的區段、秀山站-羅漢山站區間、樹兜站-屏山站-東街口站區間、茶亭站-達道站-上藤站區間、排下站-城門站區間、三角埕站-臚雷站區間等可能具有孤石分布的盾構區段采用地微動法進行探測。1號線全線共完成測線長度8302.9m，微動臺陣探測點1608個，并提出驗證鉆孔96個，實際完成驗證鉆孔78個，其中揭露孤石16個，揭露基巖凸起16個，起到排除孤石作用的24個，其它情況22個；結合驗證鉆探結果，劃定盾構施工危險區2258 m，警示區998.4m，安全區5046.5m，探測成果如表3所示。對于查明的孤石均提前進行預處理；至2016年5月，福州地鐵1號線全線洞通，施工過程中未遇未查明的孤石及基巖突起。

表3 福州地鐵1號線一期第二階段地微動探查成果匯總

3 結論

福州地鐵1號線在國內率先大規模采用地微動法探測孤石，其大量鉆探驗證孔及盾構施工驗證的結果表明：

⑴地微動方法在初步探查孤石與基巖凸起方面均有比較理想的效果，能適應城市軌道交通勘察工作的現場條件。

⑵采用半徑2.5m地微動小臺陣探測，深度能達到30-50m，可滿足城市軌道交通工程盾構區間孤石探測深度要求。

⑶采用地微動探測結合鉆探驗證，將探測區間區劃分為盾構施工安全區、警示區和危險區，在工程實踐上是可行的。