HVSR譜比法在李仙江大橋主墩樁位地下巖溶勘察中的應用研究

鐘任富，馮 敏，王志鑫，高科寧

(東華理工大學地球物理與測控技術學院，330013，南昌)

0 引言

巖溶地貌在我國分布比較廣泛，且其地質條件較為復雜。在橋梁工程的樁基作業中，巖溶會導致的主要問題有斜孔、掉鉆、卡鉆、漏漿、塌孔等[1]，這些問題大大增加了橋梁工程施工的成本和危險性。然而，受到各種原因限制，很多橋梁工程施工場地只能規劃在巖溶發育區。因此，調查、探測巖溶地區溶洞的分布發育規律和空間埋藏特征，可有效降低橋梁工程施工的成本和危險性[2]。

巖溶發育區的溶洞的灰巖與圍巖存在有明顯的波速、密度、視電阻率等物性差異[3]，因此，利用物探方法可以探測地下溶洞的分布發育規律。利用視電阻率和密度的物性差異的物探方法有高密度電法、瞬變電磁法、地質雷達法等，這些方法在人類活動強烈、電磁干擾嚴重的區域所采集的數據質量較差，影響勘探效果。而很多工程施工場地大型機械較多，人工作業活動強烈，因上述物探方法在大型工程施工場地有一定的局限性。利用波速差異可以使用淺層地震勘探技術進行探測，但是采用常規的主動源淺層地震勘探技術需要一定的場地范圍，且其勘探深度有限，探測成本較高。相較而言，被動源的地震勘探方式具有臺陣布置簡單，對場地環境要求低且成本低，可通過人為調節臺站間距得到合適的探測深度和精度的優點。

地球表面無時無刻都存在微弱的振動，這些微弱的振動(簡稱：微動)來源于自然界和人類的各種活動，如風速、氣壓、潮起潮落等自然現象以及人類的各種生活、生產活動[4-8]。微動信號中面波的能量占總能量的70%以上，因此被動源地震勘探也稱為天然源面波勘探或微動探測法。微動探測抗干擾能力強、成本低、工作效率高，近年來被廣泛應用于各類工程項目對不良地質體的勘察中。微動探測一般有2種方式，一種是微動臺陣法：利用臺陣的方式采集垂直分量的微動信號，對這些微動信號進行處理，從中提取瑞利面波的頻散特征，再通過所提取的頻散曲線進行反演獲得地下介質的速度結構，根據不同地下介質的速度差異對地下不良地質體進行判別分析[9]。另一種為HVSR譜比法，最早由日本地震學家中村在1989年提出[10]，該方法經過幾十年的發展，其觀測和處理都非常簡單，只需單臺三分量拾震儀采集水平和垂直分量的微動信號，而后利用水平分量和垂直分量的頻譜相比研究淺層速度結構。該方法靈活度高，常用于場地響應評估以及地下結構研究。張立等在2009年驗證了HVSR譜比法可用于反演地層的剪切波速[11]。沈志平等在2021年將HVSR譜比法用于城市巖溶勘察[12]。

綜合以上原因，本次探測采用HVSR譜比法對李仙江大橋主墩樁位所在施工場地進行探測，結合已有的鉆探資料和HVSR譜比法成像結果對該區域巖溶溶洞的分布發育規律和空間埋藏特征進行分析討論，為該橋梁工程安全施工提供地球物理學依據。

1 方法原理

自然界中所有的物體都有自身的固有振動頻率，這個固有振動頻率受密度、形狀、橫波速度、縱波速度等因素的影響。地球內部所存在的各類地質體也都有其自身的固有頻率，當地質體受到一個寬頻帶的震動的影響時，其特征固有頻率能量會被放大。因此，可通過觀測被放大的特征固有頻率信號并對其成像，來獲得地下空間的精細成像效果。

HVSR譜比法需要三分量拾震儀采集微動信號，而后利用快速傅里葉變換將信號變換到頻率域，以此獲得并分析測點處的場地響應特征[13]。

在沉積層中，HVSR曲線的峰值頻率具有較好的穩定性，與沉積層主要界面具有較好的對應關系。峰值頻率fm與沉積層厚度H和S波速度V的關系為：

fm=V/4H

(1)

(2)

通過鉆井資料或者其他速度成像結果，根據式(2)即可推斷出沉積層內部主要波阻抗界面的埋深。

2 工區概況

2.1 地質背景

李仙江特大橋小里程岸位于普洱市江城縣嘉禾鄉魯鞏村，大里程岸位于紅河州綠春縣大黑山鎮綠谷村，上跨李仙江，江左岸有大半公路從擬建橋下通過，交通較便利。擬建橋址區高程介于450～1 270 m之間，最低點為李仙江江面，切割深，地形起伏大，岸坡陡，兩側岸坡屬構造剝蝕中山地貌，李仙江河谷屬河流侵蝕堆積地貌[14]。目前水位以上地表未見明顯階地地貌。橋址區小里程岸坡臨江較陡，自然坡度近40°，主墩段稍緩，約30°，引橋段16°。上部為橡膠林，下部為雜木、灌木，植被茂密，坡面潮濕，地貌詳見圖1。

圖1 地形地貌

橋址區屬低緯山區季風亞熱帶濕潤氣候，年平均氣溫18.7 ℃，年平均降雨量2 283 mm，位于全省前列，氣候條件對巖溶發育較為有利。大地構造位置(圖2)在青藏滇緬歹字型構造體系中部東支，為唐古拉-昌都-蘭坪-思茅褶皺系的南延部分，主要為北西向構造。地質構造行跡基本為NW—SE向、近西南向，受青藏滇緬歹字型構造體系中部東支北西向斷裂帶控制。區域上經歷多次構造變動，構造形跡復雜，不同規模、不同方向、不同性質的構造形跡遍及全區，斷裂交織，具有多期活動特征。斷裂構造主要以北西向的逆斷層為主，其次為北東向的正斷層。北西向斷裂一般延伸很長，與褶曲關系十分密切。北東向斷裂相對較短，形成時間較晚，明顯地切割了北西向斷裂。褶曲具有明顯的方向性，以線狀及長軸狀為主，大部分為北西向，少數為南北向，彼此大致平行。

圖2 區域構造簡圖

根據地質調查及區域地質資料成果顯示，大橋近場區新構造運動不發育，橋址區處于西側阿墨江斷裂與東側戛處斷裂之間，兩者均為Q1-2早中更新世斷裂，附近無區域活動性斷裂通過，僅有上述非活動斷層，近場區區域穩定性一般。

2.2 鉆孔資料

根據本次已打的7個鉆孔(鉆孔位置見圖3)所獲得的資料揭露，擬建場地內分布的主要地層有：第四系全新統坡殘積(Q4dl+el)層、二疊系下統茅口組(P1m)及印支期侵入巖(βμ)、石炭系上統下密地組(C3x)層等。場地可溶巖(含灰巖、泥灰巖及礫巖)一般揭示標高-90～-40 m。

圖3 施工場地對應鉆孔點位圖

根據本次鉆探及詳勘資料，工區巖溶的形態大小各異，發育形態有石筍、石牙、巖溶裂隙、溶溝溶槽、溶洞等，未發現土洞。根據鉆孔揭露結合區域地質資料及巖溶發育規律，本場地巖溶以沿巖層及節理裂隙發育為主，形態上以溶溝溶槽、溶洞為主。巖溶溶洞發育情況及埋深分別見表1。

表1 李仙江大橋主墩樁位地下巖溶發育情況一覽表

在對李仙江大橋主墩樁基超前鉆施工過程中，見溶洞鉆孔為3個，見洞率為42.9%，線巖溶率為2.7%。依據國家標準《建筑地基基礎設計規范》GB50007―2011表6.6.2條：該場地屬于巖溶強發育。

3 數據方法

臺站布設采用線性布設方式，共布設5條測線，72個測點，平均點間距為4 m(圖4)。采集數據所用三分量拾震儀為深圳面元生產的SmartSolo短周期地震儀，采樣率設為200 Hz，每個測點采集時間為1―3 h。所有的儀器在采集數據前后都做了一致性觀測實驗，一致性良好(圖5所示)。為了保證數據質量，每條測線都設置了重復觀測點，采用同一觀測點，不同時間不同地震儀進行質量檢查和精度統計分析。重復觀測點不少于總工作量的5%，且數據處理結果要與原觀測結果保持一致。

圖4 臺站布設圖

圖5 儀器一致性圖

將采集到的原始數據進行格式轉換及編輯，而后去除儀器響應、數據預處理。所采集的原始數據中存在一些施工場地的干擾信號(圖6所示)，將這些振幅明顯過大的干擾信號剔除后所得數據質量良好(圖7所示)，能夠利用HVSR譜比法進行處理。

圖6 原始數據記錄道

圖7 剔除干擾信號后的微動記錄道

利用經過數據預處理之后的三分量微動信號連續波形，計算頻率域水平分量與垂直分量頻譜比，水平分量頻譜為NS和EW分量振幅譜平方和。在計算HVSR曲線時，需要將連續波形分段，分段的時窗長度和低頻大小有關，一般時窗長度應至少包含10個周期長度，本次低頻需要研究到0.2 Hz，時窗長度至少為50 s。時窗長度長，得到的低頻信息越完整穩定，但過長的時窗長度可能會帶來大量的隨機噪聲，對數據處理結果造成一定的干擾。因此，在實際的數據處理中要選擇一個合適的時窗長度進行計算。

本次HVSR單臺處理基于Geopsy軟件，頻帶選擇為0.2～100 Hz，時間窗口為60 s，窗口類型選用Hanning，平滑類型選用Konno&Ohmachi進行平滑，選用數據質量較好的4 h，而后去除振幅極大值和振幅歸一化，最后得到單臺的HVSR曲線。圖8選取不同位置儀器號為3006783、3006859、3006964、3006976的4個臺站的單臺HVSR曲線。由圖8可知，可以得到每個臺站的HVSR曲線的卓越頻率和峰值，根據峰值頻率與沉積厚度的關系將H/V響應曲線輸出插值成圖，資料解釋成圖。

圖8 不同位置的單臺HVSR曲線圖

4 結果及討論

經過數據處理之后共形成了5條剖面結果，對每條剖面劃分出低速異常區，并進行編號，低速異常為巖溶發育，基巖周圍的低速異常為巖溶裂隙發育區，其中5條剖面圖中實線橢圓區域為鉆探過程中遇到的巖溶發育區，虛線橢圓區域為根據速度異常所判斷的巖溶發育區(圖9所示)。在L1線位于20～22 m，即剖面靠近的中點位置，深40 m處、60 m處均有低速異常反應，結合鉆孔BK6鉆孔資料，推斷這些低速異常為斷裂構造引起的；在L2線位于長18～20 m，深40 m處、60 m處均有低速異常反應；在L3線位于13～15 m，深40～50 m處均有低速異常反應，低速區域疑似為巖溶發育、未回填；L4在長5～10 m之間，橫向上速度變化較大，表現為高速區、低速區相間分布的特點，低速區推斷為采空、破碎區，高速區推斷為巖性較完整區域；疑似巖溶邊界。在L5線中，基本表現為高速，排除構造引起的低速異常，推斷巖性較完整。

數據處理獲取三維H/V切片結果，如圖10所示。結合鉆孔資料圈定了一處巖溶發育帶和疑似巖溶發育區。目前收集到的鉆孔中有BK7、BK6、BK4鉆遇到有巖溶，經分析認為：1)BK6鉆遇巖溶與BK4鉆遇巖溶疑似存在一定的連通性；2)BK6鉆遇巖溶與BK7鉆遇巖溶應不連通；3)三維反演結果剖面圖中圈定部分可見明顯的巖溶發育。

圖9 各剖面垂直切片圖

圖10 三維成像結果圖

綜合已有的鉆探資料和本次HVSR譜比法的成像結果來看，在李仙江大橋主墩樁位施工場地共圈定出5處溶洞發育區，如圖11所示。從圖11中可以看出，這些溶洞多發育于靠近江邊的位置，如圖11中2號、4號和5號溶洞發育區所示，其成因可能與地下水滲入有關。BK4和BK6之間的溶洞可能存在聯通的現象，需要重點關注并進行進一步的驗證，其他分散分布的溶洞規模則相對較小。位于工區邊緣的溶洞存在超出測區范圍的可能，溶洞發育范圍可能更大。

圖11 溶洞分布區域圖

5 結論與建議

1)綜合鉆探資料和HVSR譜比法成像結果：李仙江大橋主墩樁位地下揭示有多處巖溶發育區，其中BK4附近有巖溶裂隙區，標高主要集中在-66～-63 m，主要揭示于北東部。L1線22～25 m處也存在小范圍的低速異常區，鉆孔未打至該處，疑似更大面積的巖溶空洞，建議增加灌漿。BK6揭示有多處巖溶發育區，標高主要集中在-50～-40 m之間，主要揭示于中南部。

2)由于測區工作范圍限制，①號溶洞分布范圍未封閉，建議擴大勘探范圍，尤其查明靠李仙江側溶洞分布情況，為后期大型溶洞處置提供參考。

3)基于微動的HVSR譜比法成像結果能夠較好地和鉆探資料相對應，HVSR譜比法結合少量的鉆孔資料能夠較好地揭示橋梁工程項目中施工場地地下巖溶發育情況，為工程安全施工提供可靠的地球物理學依據。

致謝：感謝中冶集團武漢勘察研究院有限公司提供李仙江大橋的鉆探資料！感謝馮敏、王志鑫同學的野外數據采集工作！感謝東華理工大學地球物理與測控技術學院的姚振岸和陳輝老師對文章的撰寫和修改提供的寶貴建議！