線性臺陣被動源面波法在地下空間探測中的應用

陳爽爽　李鵬　張智　王超凡

摘要：城市地下空間利用日益呈現出深層化特點，開展城市環境下深層化探測技術研究對于保障城市地下空間開發和利用具有重要意義。在對被動源面波法基本原理介紹的基礎上，分析了現有二維觀測系統在城市地下空間深層化探測方面存在的不足，提出了一種長排列線性臺站被動源面波觀測系統。該觀測系統具有探測深度大、布置靈活、工作效率高等特點。偏線噪聲源水平分析及對比試驗結果表明：城市環境下線性臺陣被動源面波觀測系統受偏線噪聲源影響較小，能夠有效地獲取地下介質橫波速度結構。工程應用結果表明：線性臺陣被動源面波法在土石界面劃分、隱伏地質構造探測方面具有較好的應用效果，在城市地下空間探測，尤其是深層化線性工程地下空間探測方面具有較好的應用前景。

關鍵詞：被動源面波法; 線性臺陣; 城市地下空間; 噪聲源分析; 隱伏地質構造探測

中圖法分類號： P315.9

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.013

0引 言

地下空間是城市基礎設施、生活服務的重要載體[1]。隨著城市的快速發展，地下空間利用呈現出深層化的特點，這對城市地下空間探測技術提出了新的要求[2]。

城市地下空間探測技術主要分為鉆探和地球物理探測。鉆探具有直觀、可靠等特點，但成本較高，僅為“一孔之見”，并且城市環境施工場地易受限制，故而城市地下空間探測還是以地球物理探測技術為主。目前，城市地下空間探測采用的地球物理探測技術主要有：地質雷達法、高密度電法、縱波反射法、橫波反射法、主動源面波法、被動源面波法等[3-8]。其中，被動源面波法因利用背景噪聲信號，能較好地適應城市強振動、電磁干擾環境，受到越來越多的關注[9]。

目前，被動源面波法常用觀測系統為圓形臺陣（嵌套三角形），即在圓心處布設一個臺站作為記錄點，在不同半徑圓周上布設多個臺站進行組合觀測，該觀測系統能夠記錄來自所有方向的波，所得速度更接近面波真速度。但在城市地下空間探測中，地表建筑物密集，多重圓形臺陣觀測系統難以布設或僅能布設小型臺陣，導致探測深度有限，另外該觀測系統數據采集效率較低，不易開展大規模、高密度數據采集。針對城市地下空間探測深層化特點及現有被動源面波觀測系統在城市環境下存在的不足，本文提出一種長排列線性臺陣被動源面波觀測系統，應用于深圳市羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞工程地下空間探測，驗證了該觀測系統的可行性和有效性。

1被動源面波基本原理

1.1被動源面波技術

自然界中的地殼運動、大氣變化、海水潮汐變化、人類生產活動等會引起地球表面的微弱振動，這些振動的能量以波的形式向遠處傳播，其中能量傳播的主要形式是面波，即稱為被動源面波。在地表通過特定的觀測系統記錄被動源面波，并提取其中包含的頻散信息，進而推斷地下介質橫波速度結構的方法稱為被動源面波技術[10]。

被動源面波法的研究起始于20世紀50年代，Aki等基于平穩隨機過程理論通過采用空間自相關法，首次從被動源面波中提取出頻散曲線，用于測定覆蓋層速度結構[11];Okada等將被動源面波法應用于地質結構調查、場地穩定性評價等領域[12];王振東等將被動源面波法引入到中國，系統介紹了其基本原理、數據采集和處理技術，并開展了試驗工作[13-14];何正勤等利用被動源面波信息獲得了地殼淺部的橫波速度結構，用于指導地熱鉆孔布置[15];徐佩芬、趙東、劉宏岳等將被動源面波法應用于土石分界面劃分、煤礦陷落柱、采空區探測、城市活斷層調查、孤石探測等多個領域[16-19]。

2線性臺陣觀測系統及有效性分析

2.1觀測系統

被動源面波常用的二維觀測系統有圓形（嵌套三角形）臺陣、“十”字形臺陣、“T”形臺陣、“L”形臺陣等，如圖1所示。二維觀測系統臺陣在城市環境下布設易受空間限制，且每次僅能進行單點數據采集，探測深度和工作效率大大受限，尤其在城市線性工程地下空間探測方面很難高效的進行高密度數據采集，導致其應用受限。

根據面波傳播理論，當面波的傳播方向與測線一致或當面波來自所有方向時，可以將式（4）對接收點方位角的積分調整為對波的傳播方向進行積分，求取空間自相關系數，進而獲得頻散曲線。在城市地下空間探測中，測線一般沿道路布設，基本滿足波的傳播方向與測線一致，當測線未沿道路布設時，城市環境較豐富的噪聲源也基本滿足面波來自所有方向，這為采用線性臺陣觀測系統提供了基礎。相較于二維觀測系統，線性臺陣觀測系統可采用幾十個臺站進行滾動測量，一次實現多個勘探點數據采集，具有布置靈活、數據采集效率高等特點。此外，根據場地情況，每個滾動排列可在垂直測線方向上布設幾個臺站，用于記錄偏線噪聲源水平，必要時進行噪聲源方位角校正。

圖2為21個臺站組成的長排列線性臺陣被動源面波觀測系統。22～25號臺站用于記錄偏線噪聲源，當每個勘探點需要11個臺站時，該排列一次可完成11個勘探點數據采集，一個排列數據采集完成后，將1～11號臺站沿測線方向依次向前滾動，繼續下一個排列數據采集。

2.2可行性及有效性分析

為了分析城市環境下線性臺陣觀測系統的偏線噪聲源水平，布置了一個長度為200 m，臺站間距為10 m的線性臺陣，并垂直于臺陣方向布置了5個臺站，用于記錄偏線噪聲源。對該臺陣分別采用SPAC法和PLAS法進行一維和二維成像[21]，并拾取對應的頻散曲線，其中PLAS法利用了偏線臺站數據。圖3為兩種成像方式對應的頻散曲線。由圖3可知，兩種成像方式頻散曲線一致性較高，僅在低頻部分SPAC法成像所得速度略高于PLAS法，即城市環境下線性臺陣觀測系統受偏線噪聲源影響較小，采用該觀測系統獲取地下介質橫波速度結構具有可行性。

為了驗證線性臺陣觀測系統的有效性，進行了圓形臺陣和線性臺陣對比試驗。圓形臺陣采用三重圓形式，半徑依次為10，20，40 m，共布設了10個臺站，其中圓心處1個，每個圓周上等距離布設3個。線性臺陣采用16個臺站，臺站間距10 m，排列長度150 m，兩種觀測系統數據采集時間均為30 min。圖4為兩種觀測系統頻散譜圖，由圖4可知，兩種觀測系統頻散譜能量分布、頻率與速度的對應關系基本一致，低頻部分圓形臺陣頻散譜能量集中區域連續性略優于線性臺陣，但都可以有效地進行頻散曲線拾取，即在該背景噪聲下兩種觀測系統均能有效地獲取地下介質橫波速度結構。

3工程應用

以深圳市區羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞工程勘察為例，討論與分析線性臺陣被動源面波技術在城市地下空間探測中的應用效果。

3.1工程概況

深圳市羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞工程為珠江三角洲水資源配置工程在深圳市境內的配套工程，線路全長約21.7 km，其中約11 km位于主城區，輸水干線采用深埋隧洞形式，埋深約70 m，為減少對地表建筑物的影響，輸水干線多沿道路布置。主城區線路多位于侵入巖地層，巖性以花崗巖為主，主要工程地質問題為斷層破碎帶、風化深槽等。

3.2數據采集與處理

本次線性臺陣被動源面波數據采集采用深圳面元智能科技研制的IGU-BD3C-5型三分量節點式地震儀，頻帶寬度0.2～150 Hz。觀測系統主要參數：臺陣排列長度200 m，臺站間距10 m，勘探點距10 m，采樣率2 ms，采集時間30 min。為了高密度、快速進行數據采集，一次沿測線布置50個臺站，即一次完成30個勘探點數據采集，單次數據采集完成后，將后30個臺站向前滾動，繼續進行數據采集。此外，每次數據采集均垂直于測線方向布置5個臺站，用于記錄偏線噪聲源。

線性臺陣被動源面波數據處理流程與二維觀測系統基本一致，主要包括數據切割、頻散曲線拾取、速度反演等。為了盡可能減少偏線噪聲源對速度的影響，此次數據處理進行了偏線噪聲源水平分析，即對同一排列利用偏線臺站數據分別進行一維和二維成像，并拾取頻散曲線，根據平均頻散曲線差異百分比進行偏線噪聲源水平分析，對平均頻散曲線差異百分比大于10%的排列，進行噪聲源方位角校正。平均頻散曲線差異百分比按下式進行計算：

R=1NNi=1vpi-vsivpi×100%（5）

式中：N為頻散點個數;vpi為第i個頻散點對應的二維成像相速度;vsi為第i個頻散點對應的一維成像相速度。

偏線噪聲源水平分析結果表明，本次完成的3 052個線性臺陣被動源面波數據，有2 808個平均頻散曲線差異百分比小于10%，無需進行噪聲源方位角校正。結合施工環境分析可知，平均頻散曲線差異百分比大于10%的排列，多位于道路口附近，即噪聲源一般來自兩個方向，對此類排列可采用二維成像數據進行后續處理。

3.3成果分析

本文節選局部測線L1、L2對線性臺陣被動源面波探測技術在城市地下空間探測中的應用效果進行分析，L1、L2測線位置如圖5所示。

圖6為L1測線視橫波速度斷面圖。由圖6可知：視橫波速度由淺至深呈增大趨勢，等值線成層性較好;測點11～17位置視橫波速度橫向發生變化，等值線呈“下凹”形態，結合區域地質資料，推斷為斷層破碎帶。根據此探測成果，在15號測點位置，布置了Z17鉆孔，對該異常區進行驗證，鉆孔揭露巖體完整性較差，并且碎裂巖發育，為區域斷層影響帶。

圖7為L2測線視橫波速度斷面圖。由圖7可知：視橫波速度由淺至深呈增大趨勢，成層性較好;相較于L1測線，視橫波速度整體偏低，為覆蓋層（含全風化）較厚的反映;由于線性臺陣排列長度較大，體積效應較強，致使深部視橫波速度值偏低;測點9～17位置，視橫波速度橫向發生變化，等值線呈“下凹”形態。勘探鉆孔D24位于12號測點位置，揭露花崗巖全風化層厚度約為69.2 m，即該低速異常區為風化深槽的反映。

4結 論

本文在分析被動源面波二維觀測系統在城市地下空間探測中存在不足的基礎上，提出了一種長排列線性臺陣被動源面波觀測系統。通過偏線噪聲源水平分析、對比試驗及工程應用，研究了其可行性和有效性，主要得出以下結論：

（1） 城市環境下線性臺陣被動源面波觀測系統受偏線噪聲源影響較小，頻散譜能量分布、頻率與速度的對應關系與圓形臺陣二維觀測系統基本一致，可以有效地進行頻散曲線拾取，獲取地下介質橫波速度結構。

（2） 長排列線性臺陣被動源面波觀測系統可以快速進行高密度數據采集，相較于二維觀測系統單點數據采集方式，具有更高的工作效率。

（3） 線性臺陣被動源面波觀測系統在土石界面劃分、隱伏地質構造探測等方面具有較好的應用效果，但受長排列觀測方式的影響，體積效應較大，所得視橫波速度與真橫波速度之間存在系統誤差。

（4） 線性臺陣被動源面波觀測系統在城市地下空間探測，尤其是深層化線性工程地下空間探測方面具有較好的應用前景。

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（編輯：劉 媛）