凍土路基微動探測方法應(yīng)用探討

金 聰 林 松 程 邈 查雁鴻

1 中國地震局地震研究所地震預(yù)警湖北省重點(diǎn)實驗室，武漢市洪山側(cè)路40號，430071 2 武漢地震工程研究院有限公司，武漢市洪山側(cè)路40號，430071

面波勘探是一種獲取地層橫波速度結(jié)構(gòu)的地球物理勘探方法，具有施工便利、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)領(lǐng)域。面波勘探可分為人工源面波探測和天然源面波(微動)探測[1]，其中天然源面波能量頻率低至0.01 Hz，波長達(dá)數(shù)km，可作為研究深部地層橫波速度結(jié)構(gòu)的有效手段[2]。隨著人工源面波勘探技術(shù)的成熟，微動探測方法的應(yīng)用已成為現(xiàn)階段物探領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，并且在工程地質(zhì)領(lǐng)域取得了較好的應(yīng)用效果[3-7]。近年來，鐵路線位已延伸到厚覆蓋層和凍土地區(qū)，常規(guī)物探手段受到諸多限制，很難取得理想效果。而微動探測方法不僅野外工作便利、對環(huán)境破壞性小，并且對場地條件適應(yīng)性強(qiáng)，可在城市勘察、深部地層探測中發(fā)揮重要作用。

本文以哈爾濱某高速鐵路地質(zhì)勘察為例，采用微動探測方法對厚覆蓋層及凍土地區(qū)進(jìn)行勘探，利用空間自相關(guān)法求取頻散曲線，反演得到橫波速度結(jié)構(gòu)，并結(jié)合地質(zhì)和鉆探資料進(jìn)行地層分層及地質(zhì)解譯。在厚覆蓋層及凍土地區(qū)路基勘察中引入微動探測，可適當(dāng)減少鉆探工作量，有針對性地布置鉆探孔位，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，具有較高的應(yīng)用價值和科學(xué)意義。

1 微動探測方法

1.1 基本原理

微動探測是利用微動(地脈動)信號來探測地下橫波速度結(jié)構(gòu)[8]。微動信號由體波(縱波和橫波)及面波(瑞雷波和勒夫波)組成，其中瑞雷波能量占信號總能量的70%以上[9]。從微動信號中提取瑞雷波能量，并根據(jù)其在層狀介質(zhì)中的頻散特性，可反演地層橫波速度結(jié)構(gòu)。

從野外觀測臺陣數(shù)據(jù)中提取頻散曲線的方法主要有2種：1)頻率-波數(shù)(F-K)法[10]，該方法的觀測臺陣布置靈活，但使用的觀測點(diǎn)相對較多，要求各測點(diǎn)之間的距離盡可能不同，分布盡量均勻，相同尺寸臺陣分析的頻散曲線頻帶范圍窄[11]；2)空間自相關(guān)(SPAC)法[12]，該方法得到的頻率范圍較寬，在淺層速度結(jié)構(gòu)探測中具有一定優(yōu)勢。研究表明[13]，在儀器數(shù)量有限的情況下，SPAC法得到的頻散曲線結(jié)果更加穩(wěn)定。

SPAC法認(rèn)為某時間段內(nèi)天然微動信號為一種平穩(wěn)隨機(jī)過程的樣本函數(shù)X(t,ξ(x,y))，其波譜表現(xiàn)形式可表示為：

X(t,ξ(x,y))=exp(iωt+iKξ)dZ(ω,K)

(1)

式中，ω=2πf為角頻率，K=(kx,ky)為波數(shù)，Z為正交隨機(jī)過程。

SPAC法一般采用圓形臺陣，1個臺站位于圓心，其他臺站位于圓周。對入射噪聲場功率譜密度進(jìn)行歸一化后，方位平均空間自相關(guān)系數(shù)為：

ρ(r,ω0)=J0(ω0r/c(ω0))

(2)

式中，J0為零階第1類Bessel函數(shù)。由此可見，在半徑為r的圓形臺陣上得到的空間自相關(guān)系數(shù)與頻率有關(guān)，并按零階第1類Bessel函數(shù)形式變化。因此，通過計算圓形臺陣中心點(diǎn)與圓周上各點(diǎn)之間的空間自相關(guān)系數(shù)ρ，并對其進(jìn)行零階Bessel函數(shù)擬合，可得到相速度c(ω)的頻散曲線。

而微動探測的工作流程是首先從野外采集的微動信號中提取瑞雷波的頻散曲線，然后建立初始模型對頻散曲線進(jìn)行反演來獲取地表橫波速度結(jié)構(gòu)，最后繪制二維橫波速度剖面。

1.2 外業(yè)工作方法

本次野外工作選用6臺CMG-40T一體化地震儀，頻段范圍為30 s～100 Hz，每臺地震儀獨(dú)立觀測，并采用GPS授時以保證記錄時間的同步性，選定的采樣率為100 Hz，每個點(diǎn)同步觀測時長為30～40 min。

在正式采集數(shù)據(jù)前，對地震儀進(jìn)行一致性檢測，以保證觀測數(shù)據(jù)的有效性與可靠性。在實際工作中，將地震儀按臺陣布設(shè)方案放置在準(zhǔn)確位置，用羅盤調(diào)節(jié)地震儀指向正北方向，并調(diào)節(jié)地震儀水平氣泡居中，即可開始進(jìn)行觀測，完成野外數(shù)據(jù)的采集工作。

2 觀測系統(tǒng)對比實驗

通常情況下，微動臺陣的探測深度約為觀測半徑的3～5倍，在臺陣半徑較小的情況下可達(dá)10倍以上[3]。為對比不同臺陣布設(shè)方式對探測效果的影響，針對同一觀測點(diǎn)，采用雙重嵌套等邊三角形臺陣和直線型臺陣2種布設(shè)方式進(jìn)行對比實驗，臺陣布設(shè)如圖1所示。其中，嵌套三角形臺陣外圈半徑r1=15 m，內(nèi)圈半徑r2=7.5 m；直線型臺陣臺間距分別為10 m、5 m、5 m、10 m和20 m，最大臺間距為50 m，最小臺間距為5 m。

圖1 觀測臺陣示意圖Fig.1 Schematic diagram of observation array

在同一測點(diǎn)選用直線型臺陣和嵌套三角形臺陣2種布設(shè)方式進(jìn)行觀測，同步觀測時長為35 min。分析時首先剔除干擾較為嚴(yán)重的數(shù)據(jù)段，然后利用SPAC法計算各臺間距的空間自相關(guān)系數(shù)，不同間距臺站計算得到的SPAC曲線有效周期范圍存在差異，圖2和3分別為2種布設(shè)方式得到的頻散能量曲線，圖中不同形狀點(diǎn)代表不同的權(quán)值參數(shù)，選取各頻率對應(yīng)權(quán)值最大、重合度最高的點(diǎn)連成線，即為實測頻散曲線。在提取頻散曲線的過程中，為避免人為操作造成的誤差，提高頻散曲線的提取精度，將所有頻散點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到圖中黑色頻散曲線。從圖中可以看出，該方法擬合效果較好，處理流程方便高效，同時可提高計算準(zhǔn)確度，避免人工誤差。

圖2 直線型臺陣提取頻散曲線Fig.2 Frequency-velocity spectrum of linear array

圖3 嵌套三角形臺陣提取頻散曲線Fig.3 Frequency-velocity spectrum ofnestedtriangle array

圖4為直線型臺陣和嵌套三角形臺陣提取頻散曲線結(jié)果的對比，從圖中可以看出，2種方法在同一測點(diǎn)得到的頻散曲線較為接近，總體一致性較好。其中，嵌套三角形臺陣頻散能量較為集中，在7～15 Hz頻段內(nèi)頻散曲線基本一致，低頻段2～7 Hz存在較小差異但變化趨勢一致；直線型臺陣范圍相對較大，提取的頻散曲線頻率更低(低于2 Hz)，探測深度更深。

從對比結(jié)果可以看出，在場地條件較好、地勢平坦的地區(qū)開展微動探測應(yīng)首選嵌套三角形臺陣，可確保提取頻散曲線的可靠性；當(dāng)探測目標(biāo)層位較深時宜采用直線型臺陣，可縮短臺陣布設(shè)時間，同時保證探測深度。因此，對于微動探測臺陣的選取，需要根據(jù)場地條件及探測要求進(jìn)行綜合考慮。

圖4 實測頻散曲線對比Fig.4 Comparison of measured dispersion curves

3 實際資料應(yīng)用

3.1 地質(zhì)背景

根據(jù)鉆探資料可知，哈爾濱某高速鐵路沿線地區(qū)的地層巖性主要有：1)第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)填筑土、粘土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土、粉土、砂類土、碎石類土等；2)下伏白堊系中統(tǒng)東風(fēng)組粉砂巖、粉砂泥質(zhì)巖，下統(tǒng)青口組和淘淇河組砂巖、泥巖、礫巖，侏羅系上統(tǒng)友好組火山碎屑巖，中統(tǒng)太安屯組凝灰熔巖、流紋斑巖。實驗線路地處嚴(yán)寒地區(qū)，凍結(jié)期較長，地表分布較厚的季節(jié)性凍土層，最大凍結(jié)深度為2.05～2.90 m。

3.2 地球物理條件

區(qū)域鉆探資料顯示，實驗線路所在區(qū)域覆蓋層主要為不同塑性狀態(tài)下的粉質(zhì)粘土及砂礫土，厚度大于50 m，下伏基巖為砂、泥巖。根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50111-2006(2009年版)，結(jié)合現(xiàn)場鉆孔剪切波測試結(jié)果，可將地層劃分為：1)軟-可塑粉質(zhì)粘土，波速低于250 m/s，硬塑粉質(zhì)粘土，波速為250～300 m/s，深層壓實粉質(zhì)粘土，波速可達(dá)350 m/s；2)密實砂礫土，波速為350～450 m/s；3)強(qiáng)風(fēng)化砂、泥巖，剪切波波速一般為450～550 m/s；4)完整砂、泥巖，剪切波波速一般大于550 m/s。

由于面波沿地球表層傳播，長波長面波穿透深度大，對于多層狀地層而言，深部地層速度較高，波長較長的面波能較快到達(dá)檢波器，因此接收到不同頻率的面波對應(yīng)不同的相速度[14]，從而反映不同深度的地質(zhì)情況。此外，研究區(qū)地層橫向變化較為均勻，有利于地層劃分，因此在該線路開展微動探測具備良好的地球物理基礎(chǔ)。

3.3 探測實例

本文選取哈爾濱某高鐵線路中1.5 km路基進(jìn)行微動探測，共布置6個觀測點(diǎn)，點(diǎn)距為300 m，選取嵌套三角形布設(shè)臺陣進(jìn)行觀測，根據(jù)里程樁號分別命名為73300、73600、73900、74200、74500和74865測點(diǎn)。圖5中藍(lán)色曲線為采用SPAC法計算得到的6條頻散曲線(F-V)，從圖中可以看出，各測點(diǎn)頻散曲線光滑連續(xù)，且變化趨勢一致。73900和74865兩個測點(diǎn)低頻可提取至2 Hz 附近，其他測點(diǎn)均可提取至1.4 Hz附近。

圖5 實測頻散曲線與反演結(jié)果Fig.5 The measured dispersion curvesand inversion results

在獲取頻散曲線后，利用GEOGIGA地震軟件反演測點(diǎn)下方橫波速度結(jié)構(gòu)，首先根據(jù)半波長理論結(jié)合鉆孔資料建立初始模型，然后給定約束條件反演速度參數(shù)，反演結(jié)果(H-V)見圖5中紅色折線。從圖5可以看到，各測點(diǎn)地下速度結(jié)構(gòu)均為遞增模型，變化趨勢一致，近地表速度約為230 m/s，向下逐漸遞增至約400 m/s，隨后突變?yōu)?00 m/s，進(jìn)入完整基巖層；73900和74865兩個測點(diǎn)因低頻段頻散曲線效果較差，反演深度約為100 m，其他測點(diǎn)反演深度均約為150 m。將各測點(diǎn)反演結(jié)果進(jìn)行綜合，繪制速度等值線，得到二維橫波速度剖面(圖6)。

圖6 反演二維橫波速度剖面Fig.6 Inverted 2D S-wave velocity section

由圖6可知，反演的有效深度約為150 m，圖中等值線橫向變化較平滑，縱向均勻漸變，各地層分層明顯且起伏較小，結(jié)合地質(zhì)和鉆探資料可將該地區(qū)地層結(jié)構(gòu)劃分為素填土、粉質(zhì)粘土、砂礫、泥巖4層。圖7為地質(zhì)解析，各巖土層特征分述如下：

1)素填土：實驗場地位于耕地，表層主要為松散耕土，因氣溫較低形成凍土，橫波速度約為230 m/s，厚度約為1 m。

2)粉質(zhì)粘土：凍土之下為粉質(zhì)粘土，根據(jù)塑性狀態(tài)可分為軟塑、可塑和硬塑3種。一般軟-可塑粉質(zhì)粘土的橫波速度低于250 m/s，如圖7中第1層藍(lán)色實線所示，層底深度為7.6～14.6 m，分層界面起伏較小；硬塑粉質(zhì)粘土的橫波速度低于300 m/s，如圖7中第2層藍(lán)色實線所示，層底深度為25.1～43.4 m，在測線前半段較深，分層界面稍有起伏；下部粉質(zhì)粘土因深度較大，經(jīng)壓實后土層較硬，橫波速度為300～350 m/s，如圖7中紅色實線所示，層底深度為50.8～59.8 m，分層界面起伏較小。

3)砂礫：主要為細(xì)砂和礫砂，較為密實，橫波速度為350～450 m/s，層底深度為91.7～119.4 m，在測線起點(diǎn)處深度較大，73900測點(diǎn)之后趨于平緩。

4)泥巖：以橫波速度550 m/s為分界劃分為強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化泥巖，分層界面稍有起伏，深度為112.8～135.9 m，測線終點(diǎn)處較淺，其他測段較深。分界面之下為中風(fēng)化泥巖，因探測深度限制，僅揭露約20 m層厚。

在測線里程樁號74105處存在一鉆孔(編號ZK28)，位置如圖7所示。根據(jù)鉆探資料顯示，粉質(zhì)粘土根據(jù)其塑性狀態(tài)分為2層，層底深度分別為7.9 m和54.1 m，與前文根據(jù)反演橫波速度劃分的層位一致；下部地層為密實細(xì)砂與礫砂，與橫波速度剖面反映的特征一致。因鉆孔深度僅為60 m，未揭露下部基巖層。

圖7 微動探測成果地質(zhì)解析Fig.7 Geological interpretation of microtremor survey

4 結(jié) 語

本文以哈爾濱某高鐵線路為研究對象，應(yīng)用微動方法對測段進(jìn)行路基探測，并結(jié)合鉆孔資料進(jìn)行對比驗證，得出以下結(jié)論：

1)采用SPAC法可較好地提取頻散曲線，但臺陣布設(shè)方式需根據(jù)場地條件及探測要求進(jìn)行綜合考慮，嵌套三角形臺陣提取的頻散曲線更加精確，直線型臺陣布設(shè)更加便利。

2)微動探測可穿透較厚的覆蓋層，二維橫波速度剖面能很好地反映地層巖性的變化特征，結(jié)合鉆探資料可精確刻畫地下地質(zhì)層位分布，減少鉆探工作量，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，且該方法施工方便、對場地條件要求較低，具有較高的科學(xué)價值和推廣意義。

3)微動信號頻率低，可探測深部數(shù)km的結(jié)構(gòu)特征，但高頻信息量少，淺部地層分辨率較低，在實際應(yīng)用中可在測點(diǎn)處補(bǔ)充人工源面波勘探，從而更精確地揭示地下層位分布特征。