微動法在隧道工程勘察項目中的應用

李明

摘要：微動法也被稱為微動探測技術，具有諸多優勢，如節能、綠色、環保、省時及抗干擾能力強等。微動探測技術適用于交通比較繁忙、人口較為密集的環境，在隧道工程勘察項目中應用也十分廣泛。通過微動探測技術可以比較快速、準確地探查到隧道可能會遇到的各種地質問題，以保證施工的順利開展。本研究主要以隧道開挖工程為例，介紹微動法的基本概念，探究其工作原理和方法，并重點分析該技術在具體應用中的相關要點。

關鍵詞：微動法；隧道工程；勘察項目

中圖分類號：U231.1文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）35-0086-03

Application of Micro-Movement Method in Tunnel Engineering Survey Project

LI Ming（East China Survey and Design Institute（Fujian）Co.， Ltd.，Fuzhou Fujian 350001）

Abstract： The micro-motion method is also called micro-motion detection technology，which has many advantages， such as energy saving， green， environmental protection， time saving， and strong anti-interference ability. Micromotion detection technology is more suitable for the environment with relatively busy traffic and relatively dense population. This technology is widely used in tunnel engineering survey projects. Through the micro-motion detection technology， various geological problems of the tunnel can be detected relatively quickly and accurately， which can en？ sure the smooth development of the construction work. This article mainly takes the tunnel excavation project as a case. Firstly， it introduces the basic concept of the micro-motion method， then explores the working principle and method technology， and finally analyzes the key points of the technology in specific applications.

Keywords： micro-motion method；tunnel engineering；survey project

微動探測技術可以對天然場源中的微動信號進行數據提取。提取的數據內容來自Rayleigh波頻散信息，可通過反演這些信息數據獲得一些介質橫波速度結構，并對周圍介質和地質體中的波速差異進行詳細分析，從而解決隧道工程勘察項目問題。微動探測技術相較于地質雷達、波速差異及電阻率法等物探技術來說，具有諸多優勢，如不受場地環境限制，也不受電磁干擾、噪聲、高低速夾層及低阻高導層（如沿海地區海水浸入層）屏蔽作用的影響。微動探測技術比較適用于鬧市區電磁和場地復雜的環境，是一種探測范圍比較廣、抗干擾能力比較強、具備一定環保性及適用范圍比較廣的新型物探技術。這一技術因其良好的應用前景，受到了工程界的廣泛關注。

1微動法的基本概念

微動具體指的是地球表層無時無刻都存在的天然微弱振動，這種微動主要來自風速、氣壓、海浪及潮汐自然變化等。在車輛行駛、機器運行等人類活動中，也會產生這種微動。自然環境帶來的這種微動被稱為長波微動，頻率小于1 Hz，是一種低頻信號源；人為因素造成的微動被稱為常時微動，頻率約1 Hz，屬于高頻信號源。微動主要是由體波（P波和S波）與面波（Rayleigh波和Love波）組成的復雜運動，其中面波的能源約占總能量的70%[1]。

面波中的Rayleigh波有著十分明顯的速度特征。這種特征表現為衰減特性，可以帶來很多來自地層的信息，使得微動探測技術的應用得以實現。面波Rayleigh波速度和橫波S波速度較為接近，兩者的比值為0.87～0.95[2]。隨著Rayleigh波振幅深度指數的不斷衰減，在一個波長內，速度相當于半個波長內各地層橫波相速度的加權平均數。不同于體波，在不均勻介質中，Rayleigh波的傳播會出現一定程度的頻散現象，其中造成Rayleigh波頻散的主要原因為橫波速度[3]。

2工作原理和方法

2.1工作原理

微動探測技術應用，開展的前提是不同年代沉積地層之間存在波速差異。地層波速一般和巖石的密度以及巖石的彈性有著十分密切的關系，新生界、中生界和古生界的波速差異十分明顯，形成了由低到高可以識別的物性界面。這種方法一般以地球表面存在的微小波動作為主要的觀測對象，這種波動比較小，主要由自然界中的海浪、氣壓變化以及人類生產產生，成分比較復雜，主要有體波、面波等，其中面波占據了較大比例[4]。

2.2工作方法

2.2.1空間自相關法。主要從野外工作方法和數據處理方法兩方面進行闡述。

①野外工作方法。微動探測技術中，一般利用一些比較特殊的陣形接收來自自然的面波，如菱形陣和圓陣，需使用拾震器滿足其要求。不同的拾震器一般分布在圓周上，以便接收來自各個方向的波度。拾震器越多，勘探精度越高。因此，在實際的施工過程中需要盡可能多使用拾震器。

②數據處理方法。在野外接收數據時，需要先在時間域內進行濾波處理，并結合實際情況求出不同頻率的空間自相關系數。求出系數后，需要求出面波頻率成分和空間坐標函數。這從側面說明這些信息不僅和頻率有關，還和拾震器的位置有著密切關系。從具體形態來看，實測空間自相關曲線和零階貝塞爾函數曲線相似，能夠求出比較正確的校正值，之后加入空間坐標的相關參數，提取出不同頻率點之間的相速度，再結合相速度頻散曲線，詳細分析相關的地質分層情況[5]。

2.2.2頻率-波數法。主要從野外工作方法和數據處理方法兩方面進行闡述。

①野外工作方法。在微動探測技術中，頻率-波數法主要采取隨機布陣形式。這對工作場地沒有過多要求，布陣隨意。需要注意的是，拾震器需要在平面之內展開，才能有效滿足接收不同方向的來波條件。在具體的勘探過程中，主要采取規則布陣的形式，一般以一個拾震器作為探測的中心。拾震器周圍會形成不同的正三角形，從而有效提取面波信息。

②數據處理方法。頻率波數法主要通過頻率域進行面波提取。利用微動探測技術采集野外數據時，可以通過傅氏變換對原始數據進行帶通濾波，以有效避免各種外界信息的干擾，再通過最大似然法求得各種頻率成分的功率譜分布。這一功率譜一般與空間坐標的單值函數有著密切關系，所以能夠比較方便地得出速度-頻散曲線，從而進一步對地質進行分層。頻率波數法和其他方法相比，布陣更具靈活性，可以在一定程度上有效避開各種干擾源，如車輛較多的主干道、鍋爐房等，提升了抗干擾能力。

2.3觀測形式

2.3.1單點勘查形式。在單點勘探過程中，觀測臺陣是最大的優勢。臺陣一般由兩個大小不一樣的同心圓所組成，在同心圓中內接正三角形。在微動探測技術中，微動觀測儀一般分別設置在兩個圓的圓心和圓周上的內接正三角形的頂點處。單點勘察觀測方式最大的特點就是臺陣大小和勘察深度成正比。如果在實際的勘察過程中要求比較大的深度，就可以適當加入同心圓，以增加觀測臺陣的觀測點。

2.3.2測線勘查形式。如果需要進行大面積勘察，那么單點勘察無法滿足這一需求。所以，為了有效獲得S波速度剖面成果圖，需要結合實際情況采用測線觀測系統。具體方法是測內區域需要根據一定的間距設置測線，以達到二維微動測深勘探的目的，同時能夠反演測區三維S波速度結構。通過使用這種方式，結合相關的地質資料鉆孔，有利于在速度異常區域進行地質解釋。

3實際工程案例

3.1滯后沉降動態監測

主要以成都某機場跑道及停機坪滯后沉降監測為案例進行應用說明。機場下方需要進行隧道開挖，會導致機場路面和地下隧道之間出現脫層空洞。微動法可以探查機場跑道下方是否存在隱伏空洞，并進一步確定隱伏空洞的具體位置和大小，之后開展滯后沉降監測。一般是對地層的穩定性和周圍局部變化情況進行監測，避免因為水土流失造成地層脫層或者出現空洞。三臺階七步開挖法是隧道施工的重要方法，它以機械開挖為主，由于是小凈距隧道，實際開挖期間圍巖變化相對比較頻繁，使用機械開挖能確保施工安全。機械為挖掘機，機械型號為CAT320D。施工單位需詳細記錄隧道掌子面積圍巖情況，判斷微波成果剖面的隧道分析位置，統計方式為里程，分析巖石的完整性等。數據采集期間使用的設備為便攜式數字地震儀，通過無線方式連接拾震儀。對地震儀同步信號的采集使用全球定位系統（Global Positioning System，GPS）的設備，監測時確定間隔時間為15 min。在機場實施探測后得到施工現場圖，如圖1所示。此外，需要對機場地下層隧道進行剖面分析。表1為LN（測線編號）剖面（機場隧道）的解釋成果，主要根據相速度按里程進行解釋。

3.2施工安全風險排查

在施工區域開展風險排查，需要從3個方面進行：首先，需要動態監測路基、路面的地下層變化情況；其次，需要排查路面和地層隱伏空洞；最后，需要監測路面和地層砂石流失所形成的脫層情況。盾構一般會下穿到地標性建筑中，利用微動探測技術能夠排查出盾構區間地質中存在的風險。

4結語

在隧道勘探工程、滯后沉降動態監測、施工安全風險排查及市政管線探測定位等項目中，合理利用微動探測技術可以有效提升工作效率。所有的工程勘探項目都是結果導向的，需要采用高效、簡便及快捷的探測方式來解決難題。現階段，諸多研究成果已申請專利，微動法會帶來更多技術上的革新。

參考文獻：

[1]劉永勤，廖遠國，李學專，等.微動探測技術在軌道交通工程勘察中的應用研究[J].工程勘察，2010（增刊1）：1-11.

[2]張新.基于隨機源模型的新型微動探測技術在上軟下硬地層盾構隧道中的應用研究[J].現代隧道技術，2020（5）：47-54.

[3]魯志剛.淺談微動探測技術在福州地鐵盾構區間地質勘探中的應用[J].建筑工程技術與設計，2018（21）：222.

[4]龐林軍，趙銳，喻征超.微動探測技術在城市軌道交通區間盾構隧道施工中的應用技術[J].水利水電施工，2016（5）：41-47.

[5]程建設，李鵬.微動勘探技術在水庫大壩隱患探測中的應用[J].人民長江，2017（3）：57-60.