高密度地震背景噪聲方法探測在城市軌道交通勘察中的應(yīng)用及效果
——以廣州地鐵十二號線為例

龍 剛

（廣東有色工程勘察設(shè)計院，廣東廣州510080）

我國城市軌道交通是最具發(fā)展創(chuàng)新的標志性領(lǐng)域之一，在滿足人民群眾出行需求、優(yōu)化城市布局、緩解城市交通擁堵、促進經(jīng)濟社會發(fā)展等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。截至2019年底我國城市軌道交通總里程為6426.84km，擁有地鐵運營線路的城市近40個，城市之多和線路之長都位居世界首位。

目前城市軌道交通勘察工程面臨較多難題，如勘察作業(yè)環(huán)境和時間、地上和地下建（構(gòu)）筑物等條件限制，難以按原有勘察任務(wù)全部完成，將導(dǎo)致勘察精度不夠，也增加后期在地質(zhì)盲區(qū)施工的風(fēng)險。高密度地震背景噪聲方法探測對場地條件要求低，全天候適用，不對測區(qū)周邊產(chǎn)生噪音和震動，具抗干擾能力強、施工便捷、無損環(huán)保等技術(shù)優(yōu)勢，是軌道交通勘察中一種新型、有效的輔助探測手段，對響應(yīng)國家推進新型城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和軌道交通線網(wǎng)的完善有著積極的作用和重要的意義。

1 高密度地震背景噪聲方法

1.1 基本原理

高密度地震背景噪聲成像是通過對地面上兩個地震臺站記錄的背景地震噪聲信號在長時間段內(nèi)進行互相關(guān)運算，提取格林函數(shù)，從而進行地震成像[1]，獲取對地下結(jié)構(gòu)的認識[6]，其理論示意圖見圖1。

圖1 城鎮(zhèn)環(huán)境噪聲的淺地表介質(zhì)格林函數(shù)恢復(fù)理論示意圖[5]（Weaver，2005）

此方法為城市工程物探領(lǐng)域新興的物探方法，該方法震源主要由自然噪聲震源（潮汐、風(fēng)、海浪、河流等）和人文噪聲震源（車輛行駛、工廠機械運行、人類走動等）兩部分組成，所有這些震動的能量以彈性波的形式向遠處傳播，其中包含了面波、體波等各種波，攜帶了豐富的地下地層信息。其中面波（瑞利波或R波）是一種特殊的地震波，它與地震勘探中常用的縱波（P波）和橫波（S波）不同，它是一種地滾波。彈性波理論分析表明，在層狀介質(zhì)中，拉夫波是由SH 波與P 波干涉而形成，而面波是由SV 波與P 波干涉而形成，且面波的能量主要集中在介質(zhì)自由表面附近，其能量的衰減與r-1/2 成正比，因此比體波（P、S 波∝r-1）的衰減要慢得多。在傳播過程中，介質(zhì)的質(zhì)點運動軌跡呈現(xiàn)一橢圓極化，長軸垂直于地面，旋轉(zhuǎn)方向為逆時針方向，傳播時以波前面約為一個高度λR（面波長）的圓柱體向外擴散。面波具有頻散的特性，其傳播的相速度隨頻率的改變而改變，這種頻散特性可以反映地下巖土介質(zhì)的特性。

1.2 工作方法

野外數(shù)據(jù)采集需利用臺站進行記錄，本次高密度地震背景噪聲探測使用IGU-BD3C-5 三分量智能數(shù)字地震儀（見圖2）進行探測。在野外無需任何外部連接，實現(xiàn)傳感器自動檢測和GPS 定位，續(xù)航高達30d，可在惡劣環(huán)境下高效地進行數(shù)據(jù)采集，已廣泛應(yīng)用于工程、能源礦產(chǎn)和背景噪聲監(jiān)測。

圖2 IGU-BD3C-5地震儀現(xiàn)場布置照

1.3 數(shù)據(jù)處理

用野外儀器獲取原始噪聲記錄和主動源地震記錄，分析獲取的地震背景噪聲記錄，和功率譜密度圖，看面波信號是否突出，探測時段內(nèi)頻率范圍分布值是否滿足此次任務(wù)目標的探測頻帶需求，數(shù)據(jù)質(zhì)量是否可靠。

地震檢波器或地震儀記錄到的地震信號等效于格林函數(shù)和地震子波的卷積。地震波干涉法的核心思想就是對記錄的地震信號進行一定的數(shù)學(xué)處理，得到以其中一個檢波器為震源的新的地震記錄。對地震波場的格林函數(shù)進行運算后，產(chǎn)生一個虛震源記錄，地震波干涉法的數(shù)學(xué)實現(xiàn)方式體現(xiàn)在虛震源格林函數(shù)的提取方法。相關(guān)型地震波干涉法是應(yīng)用最為廣泛的一種地震波干涉法，再針對面波進行分析成像。

高密度地震背景噪聲方法的數(shù)據(jù)預(yù)處理包括噪聲預(yù)處理，互相關(guān)計算虛擬炮集，獲取面波信號，面波資料預(yù)處理、生成面波頻散曲線、頻散曲線分層反演橫波波速度[7]及確定層厚，利用面波頻散曲線生成速度映像彩色剖面[8]，并在此基礎(chǔ)上繪制地質(zhì)剖面圖等（見圖3）。

2 工程實例分析

2.1 工程及地質(zhì)概況

圖3 高密度地震背景噪聲數(shù)據(jù)處理流程

廣州市軌道交通十二號線廣園新村站—恒福路站區(qū)間下穿廣州麓湖高爾夫鄉(xiāng)村俱樂部高爾夫球場區(qū)段[3]，由于場地問題無法在高爾夫球場內(nèi)進行鉆探施工，為了后期地鐵的設(shè)計和施工提供依據(jù)和參考，需要對高爾夫球場范圍內(nèi)工程地質(zhì)條件做一定了解。本次選擇高密度地震背景噪聲方法對地鐵線路里程范圍左線ZDK26+571～ZDK27+026 區(qū) 段 和 右 線 YDK26+575～YDK27+025 區(qū)段進行探測，隧道的設(shè)計埋深為28～66m。

麓湖高爾夫練習(xí)場屬于低丘地貌單元。廣恒區(qū)間經(jīng)過場地地形高差變化較大，地面高程23.51～70.16m，西側(cè)山體地勢最高，場地東南側(cè)停車場最低；場地內(nèi)除高爾夫球場草地外，還分布有原始茂密樹木、球場車道等。

結(jié)合在測區(qū)范圍周邊已實施的勘察鉆孔資料，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料[4]，本區(qū)間發(fā)育地層從上至下依次為自上而下為人工填土層<1>，坡積粉質(zhì)粘土層<4-3>，侵入巖殘積砂質(zhì)粘性土<5H>，變質(zhì)巖類殘積砂質(zhì)粘性土<5Z>，基巖主要為花崗巖全、強、中、微風(fēng)化層<6H>、<7H><8H>、<9H>，混合花崗巖全、強、中、微風(fēng)化層<6Z>、<7Z>、<8Z>、<9Z>。

根據(jù)本區(qū)間鉆孔巖土波速測試成果，每一層巖土層都有一個橫波波速范圍值（見表1），由波速范圍分布值可知，不同風(fēng)化程度的花崗類巖之間存在非常明顯的橫波速度差異，可以使用面波方法實現(xiàn)層位劃分。地層從淺至深不同地層之間密度、地震波速度及波阻抗存在明顯差異，這些物性差異，適用于地震背景噪聲面波成像方法。上述條件構(gòu)成了本次高密度地震背景噪聲方法探測的地球物理基礎(chǔ)。

2.2 物探方法的選擇及測線布置

表1 地層橫波波速指標統(tǒng)計表

測區(qū)范圍內(nèi)屬于低丘地貌單元，地形起伏較大，高爾夫球場范圍暫不允許勘察設(shè)備進場鉆探施工，考慮到本區(qū)間隧道埋深較大，結(jié)合既有波速測試成果，需要為日后設(shè)計和施工提供盾構(gòu)機選型，需要查清隧道洞身分布范圍內(nèi)的地層。考慮到高密度地震背景噪聲方法具有突出的抗干擾能力和對場地更好的適應(yīng)性，我們首次在廣州市軌道交通十二號線勘察工程中引入該項探測技術(shù)，用以查明地質(zhì)盲區(qū)的工程地質(zhì)條件，同時也希望總結(jié)應(yīng)用經(jīng)驗，為國內(nèi)城市軌道交通地鐵勘察的推廣應(yīng)用提供指導(dǎo)。

為覆蓋地鐵線路并考慮到探測段地鐵線路存在一定彎曲情況，本次任務(wù)分兩部分進行探測。共設(shè)計8條測線（詳見圖4），其中4條主要長測線L1、L2、L3和L4沿著地鐵隧道左右兩線進行布設(shè)。根據(jù)觀測系統(tǒng)設(shè)計法則及前期的參數(shù)試驗結(jié)果，4m道間距可以滿足本次探測任務(wù)的深度和精度要求，故長測線道間距設(shè)計為4m。工區(qū)范圍內(nèi)隧道底板埋深28～66m，故長測線設(shè)計長300m，最大有效探測深度能夠達70m。

圖4 高密度地震背景噪聲探測測線布置平面圖

2.3 高密度地震背景噪聲探測成果

根據(jù)其頻散特性首先計算出頻散曲線，進而用頻散曲線反演橫波速度，地層結(jié)構(gòu)變化在橫波速度上呈現(xiàn)不同數(shù)值，因而縱、橫向上速度存在相對速度變化，根據(jù)速度變化判斷地層界限和異常位置；再結(jié)合本區(qū)地質(zhì)、既有鉆孔等資料對勘探場地內(nèi)地表以下全風(fēng)化界面及中風(fēng)化界面進行劃分，形成最終的二維視S 波速度剖面。本區(qū)段線路走向主要測線L1+L3 和測線L2+L4分析反演所得橫波速度成果圖分別見圖5和圖6，對各剖面圖的解釋分析成果內(nèi)容詳見表2。

3 探測成果分析

L1+L3 測線綜合解釋剖面圖中，剖面共經(jīng)過3 個既有勘察鉆孔，MLZ3-GH-133 鉆孔未揭露第四系覆蓋層，BK-GH-42和MLZ3-GH-064鉆孔揭露的全風(fēng)化界面標高分別為22.65m和-7.23m，對應(yīng)的橫波速度約在380～400m/s，據(jù)此劃分全風(fēng)化分界面。但由于山頂位置地形起伏大，多處陡坎對淺層橫波速度測量影響較大，導(dǎo)致山頂淺層速度偏低，在測點距離110～150m位置處全風(fēng)化界面對應(yīng)橫波速度較低，根據(jù)現(xiàn)場勘查第四系覆蓋層從測點距離110m處開始出露，故全風(fēng)化界面在此處尖滅。MLZ3-GH-133 和BK-GH-42 鉆孔揭露的中風(fēng)化界面高程分別為37.63m 和10.45m，據(jù)此劃分的中風(fēng)化界面橫波速度約為580～600m/s。

圖5 測線L1+L3橫波速度剖面

圖6 測線L2+L4橫波速度剖面

表2 測線成果分析一覽表

L2+L4 測線綜合解釋剖面圖L2+L4 剖面上共經(jīng)過3 個鉆孔，MLZ3-GH-052 鉆孔未揭露第四系覆蓋層，BK-GK-137和#MLZ3-GH-066鉆孔揭露的全風(fēng)化界面標高分別為32.58m和-9.34m，對應(yīng)的橫波速度同樣約為380～400m/s，據(jù)此劃分全風(fēng)化分界面。現(xiàn)場勘查在測點距120m處出露第四系覆蓋，故全風(fēng)化界面在此處尖滅。鉆孔MLZ3-GH-052 與MLZ3-GH-137 鉆孔揭露的強中風(fēng)化界面標高分別為41.4m、13.58m，MLZ3-GH-066 鉆孔未揭露中風(fēng)化和微風(fēng)化層。根據(jù)鉆孔劃分的中風(fēng)化界面橫波速度同樣約為580～600m/s。MLZ3-GH-052 鉆孔距離測線6.2m，因中風(fēng)化界面起伏較大，該鉆孔與橫波速度界面存在一定偏差（<2m）。

為了進一步了解高密度地震背景噪聲方法探測成果的可靠性和精度，后續(xù)的鉆孔勘察將在測線上進行鉆孔布置實施，將本次探測成果和后續(xù)現(xiàn)場鉆孔的鉆探資料進行比對，分析微動探測劃分巖層的誤差及其原因。

4 結(jié)論與建議

經(jīng)過高密度地震背景噪聲方法探測，測區(qū)范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)橫波速度高速異常點或低速異常體，初步查明本次探測區(qū)域內(nèi)不存在斷裂、空洞、溶洞等不良地質(zhì)體，整體區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，結(jié)合線路的結(jié)構(gòu)埋深和現(xiàn)場探測揭露的基巖風(fēng)化層劃分結(jié)果，能為設(shè)計提供一定的設(shè)計依據(jù)。

結(jié)合本次探測效果，高密度地震背景噪聲方法探測具有較強的抗干擾能力，對場地的要求較低，適用于部分勘察施工較為敏感的區(qū)域環(huán)境。在廣州市軌道交通配合巖土工程勘察工作中取得滿意效果，可為盾構(gòu)施工設(shè)計提供地球物理依據(jù)。盡管目前鉆探仍是城市工程地質(zhì)勘察的主要手段，但在城市軌道交通勘察中經(jīng)常會遇到某些范圍或區(qū)域因現(xiàn)場環(huán)境及人為等因素?zé)o法鉆探施工的情況，微動探測便可作為有效的替代手段。

根據(jù)本文經(jīng)驗，針對軌道交通勘察中的不同勘察對象，總結(jié)提出以下采用高密度地震背景噪聲探測方法的建議，以優(yōu)化勘察方案，提高勘察效率，完善勘察成果資料。

（1）城市軌道交通勘察工程位于同一地質(zhì)單位范圍，已施工的勘察鉆孔資料可以定性、定量標定高密度地震背景噪聲探測剖面的巖性和地層分界面埋深，進而提高此成果解釋精度；

（2）城市軌道交通巖土工程勘察目前面臨地面場地復(fù)雜、地下管線眾多和道路交通較為敏感的車道等，較多鉆孔在有限的初步設(shè)計時間限期之前難以全部實施，對未施工鉆孔范圍存在較多“地質(zhì)盲區(qū)”，無法將此類范圍內(nèi)的工程地質(zhì)條件探明和查清，針對性地使用高密度地震背景噪聲探測方法輔助巖土工程勘察手段，能夠保證勘察成果的精度，為設(shè)計提供更為詳實、全面的所需資料。

（3）如果城市軌道交通線網(wǎng)通過區(qū)域存在不良地質(zhì)體，如斷層、巖溶、孤石或埋藏物等，僅靠鉆孔是很難全面獲得地下信息，建議采用高密度地震背景噪聲探測方法進行精準探測，再針對性地布置勘察鉆孔進行驗證。