城市地鐵地表沉降風險防控中微動探測技術的應用研究

宗傳攀，姚永林

（山東省第七地質礦產勘查院，山東 臨沂 276006）

1 工程概況

某城市地鐵2號線隧洞工程位于新區與老城區之間，全長5.1 km，設計5站5區間，車長總長度、區間單線延米長分別為1.1 km、7.55 km。本線路穿越鬧市區，且在地下存在各類管線與建筑物。為做好城市地鐵地表沉降風險防控，相關人員應詳細了解地層分布、地質構造、地質環境情況，采用微動探測技術結合鉆孔及地質資料查明地質環境，確保探測的有效性，為城市地鐵地表沉降風險防控提供指導依據。

2 微動探測技術原理

微動也稱為環境噪聲或地脈動，源于人類活動和自然界震動，例如，自然界產生的風吹草動、氣壓變化、海浪起落等；人為因素產生的人的行走、車輛的來往、建筑施工等[1]。微動探測技術主要以空間自相關法（SPAC）及頻率-波數譜法（F-K）為主，以微動臺陣探測為基礎，微動探測在信號收集時采用臺陣布置方式，主要臺陣類型有圓形、嵌套三角形、T形、L形、十字形、直線形等。SPAC法只適用于規則的圓形臺陣；F-K法可以適用于更靈活的臺陣，但需要布置較多測點（至少需要7個檢波器）。在空間自相關法律的基礎上提出的擴展空間自相關法（ESPAC）可不受圓形臺陣的限制，適用于不規則臺陣，同時不需要布置過多測點即可獲得較好的頻散曲線。地層的諸多信息都能在Rayleigh波的波速特征與衰減特性中體現出來，面波Rayleigh與橫波S的波速比為0.87~0.95，二者十分接近。面波Rayleigh會在不均勻介質傳播中出現頻散現象，頻散的主要影響因素為橫波速度。

利用ESPAC提取微動信號的頻散曲線一般分為以下步驟：（1）同時對不同半徑的臺陣觀測點進行數據采集；（2）對數據進行濾波處理；（3）分別計算不同半徑圓中心點與圓周上第i個觀測點微動信號的自功率譜和互功率譜，進而得到該半徑下的自相關系數；（4）將自相關系數與貝塞爾函數進行擬合，求自相關系數與距離之間的變化情況。在提取頻散曲線之前，對采集到的原始數據采用剔除異常值、消除趨勢項、平滑處理、數字濾波和相關分析等方法進行預處理，從而將可用頻率成分有效提取出來；對不同頻率中心的接收點及其在圓周上不同點之間的空間自相關系數進行計算，然后進行方向平均，在不同觀測半徑空間自相關系數下獲取頻散曲線。

微動信號提取出頻散曲線后，選取合適的反演方法以得到地下結構信息。首先，依據半波長法建立一維S波速度初始模型，然后，采用非線性全局優化算法及個體群探索分歧型遺傳算法進行反演。這類方法具有較強的全局尋優和非線性反演映射能力，與地下介質的橫波速度結構和頻散曲線為非線性關系一致，能夠快速地由相速度頻散曲線反演得到臺陣下方的S波速度結構的最優解。在獲取反演頻散曲線時，結合地質資料進行聯合反演，可以有效降低反演的多解性，提高反演結果精度。細化通過反演頻散曲線得到橫波速度結構，提高地層的分析精度。

3 城市地鐵地表沉降風險防控中微動探測技術的應用要點

3.1 數據采集與處理

1）數據采集臺陣根據工作環境選擇適合的臺陣，以達到目的為準。在布置檢波器時，應盡量避免近場強震動源，選擇在車輛行人少或夜間干擾小的時候進行施工，并適當延長數據記錄時間，多次疊加消除干擾源。做好野外采集監控措施，對強振動干擾信號點減小信號增益，消除干擾源。通過改變檢波器組合方式可避免強振動引起的干擾。野外記錄時，應在數據處理階段濾除或者剔除干擾時段采集的數據[2]。在數據采集期間，使用數字化檢波器可實現全數字化數據采集。設置記錄儀參數，做好數據采集準備工作。精準放置儀器，確保儀器能有一個安靜的工作環境，提升數量記錄的有效性。沿測線逐點觀測，觀測系統單點觀測時間宜控制在10~20 min，結束前一個觀測點后再開始下一個探測點的觀測。智能檢波器的應用能實現多分量多波束采集。

2）采用對排列陣型不嚴苛的F-K法，對勘探數據面波頻散曲線進行提取，通過數據處理程序的編制，對采集到的數據進行處理，形成圖形與頻散曲線。采用DMSH和VFSA作為反演方法，其數據處理流程為：輸入微動記錄→處理參數選擇→波形成圖/空間自相關/質量控制→剪切波速反演→地質成圖→地質解釋。

3.2 探測覆蓋層厚度及基巖面形態

地鐵2號線隧洞工程施工中，地表沉降將影響工程的安全施工。其中，巖性與地層深度等參數能為地表沉降風險防控提供參考。利用微動探測技術，對地層的巖土層分布情況進行了解，判斷巖土層的性質、地層應力等參數，明確是否需要采取支護措施。微動探測技術的應用可以反映出巖性的縱向與橫向變化，為地鐵工程提供了基巖面的各類信息、巖土層的分化程度。布設檢波器時應使用36道數據采集節點，采集節點分為2個部分，分別為Ah1~Ah19、Ah20~Ah36。第一部分數據的采集需使用2.5 Hz檢波器，第二部分的數據道為空道，沒有檢波器。10 cm直徑的圓形觀測臺站設置數量為2個，臺陣探測深度、中心點點距分別為30~50 m、10 m。采樣率與采樣時間分別為2 ms與30 min，采集記錄為15個。微動探測期間要控制好整體誤差，不宜超過5%，確保能準確反映地層的底層深度意義[3]。

3.3 探測地下孤石

在地鐵2號線隧洞工程中，要了解工程所在區間的地層分布情況，但由于地下孤石的分布位置是不確定的，難以通過地質勘查探明，這樣會給盾構施工帶來一定影響。所以，需采取微動探測技術發現地下孤石，明確孤石的具體位置，并采取有效的碎石措施，避免影響工程進度與安全。花崗巖遭受不均勻風化殘留的風化核是地層深處孤石產生的主要原因，在地層中孤石隨機分布，且大小不一，給地鐵工程安全施工帶來極大影響，同時也可能造成地表沉降，安全隱患較大，同時增加了盾構期間掘進難度，會使刀盤產生磨損與變形，影響施工進度。在探測孤石時，可以采用2.5~3 m的正五邊形陣列。五邊形頂點、中心點的6個檢波器與數據采集系統組成圓形陣列，測點布置間距為5 m，要求能對整個隧道范圍進行覆蓋。使用測試儀器采集振動信號，將地震儀與2 Hz三分量檢波器通過電纜連接方式組成測試儀器，為保證各臺地震儀對信號實現同步采集，可以使用GPS授權完成。探測期間微動探測與鉆孔底層深度對比見表1。探測孤石過程中，如果微動視S波波速為550~650 m/s，區域速度較高，可以判斷出這個區域存在不良地質，含有孤石。

表1 微動探測與鉆孔底層深度對比

3.4 求取頻散曲線

頻散曲線是表示頻散波的周期（或波長、頻率）與波速間關系的曲線，可采用空間自相關法求取頻散曲線。求解頻散曲線，可以對地鐵2號線隧洞工程中地層的不同情況提供參考。在復雜地層結構中，頻散曲線能反映地層變化的細部結構，明確地層條件、震源類型等，同時也能對缺陷位置進行有效定位。在微動探測技術應用及在求解中可以分為兩步：

1）求解頻譜。微動信號的功率譜與交互譜的推定進度決定頻散曲線精度。功率譜與交互譜可以使用快速傅立葉變換（FFT）區間平均法進行計算。按照40.09 s的長度規格觀測數據，將噪聲大與不穩定的時間段去除，然后通過FFT變化對剩下的各時間段信號進行變換，功率譜可使用Parzen譜窗進行平滑處理，通過對平均值的計算確定頻譜的推定量。

2）求取瑞雷面波頻散曲線。各種距離下的空間自相關系數可通過數據計算獲得，同時將各個頻率下的面波傳播速度計算出來。

3.5 微動探測成果解釋原則與評價

3.5.1 成果解釋

1）視S波速度剖面解釋。在探測期間第一段隧洞開挖期間，低速區在開挖界面以上部分發育，在垂直與水平方向有土層速度變化，速度在350 m/s以下。第二段在隧洞頂面上有異常情況，存在高速異常包裹體。

2）探測的重點是隧洞洞身范圍內的速度異常，在探測期間由于存在誤差，所以，在解釋不良地質期間則包括頂界面向上與向下1 m的范圍。

3）速度變化是判斷隧洞掘進范圍內是否存在異常體的標準。相比于正常區域，有孤石區域會存在異常。孤石的物理特性為致密與堅硬，屬于高速異常體，孤石與異常之間呈正相關。

4）在盾構施工期間，基巖屬于不良地質體，基巖的掘進速度范圍與視S波速度的等值線趨勢變化有關。

3.5.2 評價

安全性。盾構掘進過程中，隧洞分為安全區、警示區與危險區。安全區，基本無速度，且沒有基巖土氣等問題，或者局部速度有異常；警示區就是在局部區域存在異常情況，要采取鉆孔方式進行驗證，基巖凸起等情況不能通過驗證結果排除；危險區就是有明顯異常存在，應通過鉆孔驗證確定是否存在孤石。

4 微動探測方法的局限性及改進方向

1）微動探測法屬于體積勘探，在探測過程中需要在一定半徑內展開探測，探測范圍會有局限。直徑約1 km范圍內的平均物性結果是某一點大地面波探測結果，而不是圓內某個點的局部地質信息。

2）觀測系統在應用中依然需要不斷改進，由于要與多條導線、記錄儀進行連接，微動探測方法在使用期間相對比較麻煩，且系統容易受到損傷。應進一步提高數據采集的分辨率，增強深部信號、壓制淺部（地表）信號，從而提高微動探測技術的勘探深度及勘探范圍。

3）數據的處理還有很大的改進空間，可以使用更為先進的處理方法，如回歸模型等。

4）在干擾小的區域可與高密度測量及探地雷達測量結合進行綜合反演，提高數據擬合精度。

5 結語

城市地鐵地表沉降風險防控中微動探測技術的應用，需要做好應用全過程的細節控制，提升數據采集與處理的有效性，以判斷地層是否存在不良地質，并結合數據分析情況制定地表沉降風險防控策略。微動探測技術在實際應用中具有較強的抗干擾性，且便捷性較強，能滿足地鐵工程的實際需求。