微動技術在城市軌道交通采空區探測中的應用

馮坤偉，龍斌

（貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081）

采空區探測作為城市軌道交通工程勘察中重要的一項工作，采空區勘察結果的精準度直接關系著設計與后期施工的安全性。采空區附近結構疏松，且周圍巖體完整性差、富水、圍巖自穩能力差，存在施工安全隱患。若隧道開挖范圍處于采空區及其影響范圍內，若隧道支護強度不夠、支護不及時，在隧道開挖過程中易發生涌水突泥等風險，也會給后期隧道運營造成隱患，導致隧道襯砌變形、地表沉降等。因此，在勘察階段需要查明采空區影響范圍，為設計和后續施工提供指導。

城市環境下進行物探探測存在諸多不利條件，場地狹窄，不利于儀器布設，同時車輛行人眾多，地下管線管網密布，電磁干擾和震動干擾均較大。探地雷達法具有高分辨率的特點，但其探測深度淺，在城市環境下容易受到電磁信號、金屬及建筑物等的干擾；高密度電法深度深，但成本相對較高，且在城市中接地與布線空間受限，操作不便，接地效果也不佳，探測效果肯定大打折扣；大地電磁法探測深度大，對采空區探測效果較好，但易受電磁干擾，且市區內往往沒有布設磁棒空間，操作不便[1]。

隨著近年來微動采集設備硬件技術、軟件處理技術迅速發展，技術越發成熟，該方法已經在城市環境下探測孤石、防空洞、巖溶等地質異常體勘察工作中取得了較好的效果[2-3]。而將微動技術應用在城市軌道交通地下采空區的探測則較少，吳飛（2021）在安徽利用微動確定了煤礦采空區及其影響范圍[4]。于淼（2013）分析研究了基于空間自相關法的微動面波探測技術，分析了水平層狀介質中的微動面波的傳播理論，在此理論基礎上進行了正演分析和反演計算研究，從理論和實踐證明了尤其是在其解決煤炭采空區的構造問題等方面，已經體現其有效性和可行性[5]。因此將其應用在城市軌道交通采空區探測中理論與實踐均具有可行性。本文借助于軌道交通工程勘察實例，將微動法應用于貴陽軌道交通三號線采空區探測工程中，為今后微動技術在城市地下采空區探測中提供參考。

1 地質概況及工作方法

工區位于貴陽市軌道交通三號線某段，在建區間線路周邊人口密集，行車流量很大，隧道沿線建構筑物密集，地下和地上管網密集，交通環境復雜，總體來講工程環境極其復雜，作業空間有限。

經前期勘察，在擬建地鐵隧道附近有采空區分布，但采空區具體與隧道相對位置關系無法查清，進入施工階段后，該區域的采空區會對施工及后續運營造成安全隱患，因此需查明該區域內采空區分布情況。

本區間巖土原則上劃分為第四系人工回填土、紅粘土，下伏基巖為三疊系安順組（T1a）白云巖和三疊系大冶組（T1a）石灰巖、二疊系龍潭組（Plt）泥灰巖、炭質泥巖、石灰巖等。

采空區相對周圍完整圍巖地層表現出的地球物理特征差異是開展物探方法的前提條件。當采空區內有垮塌圍巖或水充填時，其物性特征表現為相對低波速。根據工區勘察成果，場區內介質物性參數如表1 所示。

表1 場區內介質物性參數

根據勘察要求，結合現場情況，圍繞房屋布置3條測線，分別命名為WD1～WD1’、WD2～WD2’、WD3～WD3’。微動測線布置圖如圖1 所示。

圖1 微動測線布置圖

微動觀測臺陣主要有圓形、“+”字形、“L”形或“一”字形。研究表明觀測臺陣還可以采取多種形式布置檢波器，可以根據現場實地情況靈活選擇。觀測時間要根據不同場地作出選擇。通過現場試驗，并結合以往經驗，本次探測采用的設備為國為GN209 智能實時微動采集系統，共10 個檢波器，檢波器頻率為4Hz。本次探測的3 條微動測量剖面均采用“一”字線型布陣方式進行現場測量，檢波器間距1m。10 個站臺同時工作，每個點觀測時長為30min，測量點距為2～3m。

2 數據處理及資料解釋

2.1 數據處理

微動技術的數據采集、處理步驟類似主動源地震勘探方法，分為采集數據、提取頻散曲線、頻散曲線反演3 個步驟。由于面波的頻散特性，微動信號具有振幅、頻率隨時間、空間發生顯著變化的特點，但在一定的時空范圍內滿足統計穩定性，可用平穩隨機過程來描述。與傳統地震勘探及地震學中采用射線理論估算地震波傳播速度不同，由于微動震源的不確定性，微動信號中面波的相速度通過求取觀測系統陣列中臺站間的空間自相關系數即可獲得。

2.2 資料解釋

關鍵微動探測的工作原理同常規地震探測工作原理，均是探測地下地質界面的波阻抗差異，若地層中出現溶洞、富水區或采空區等波阻抗小的介質，微動反演出的橫波速度表現為低速，區別于完整巖體。因此可以利用這一地球物理特征來探測采空區及其影響帶，采空區在微動剖面上表現為相對低速。本次探測根據前期勘察的地質資料、填土和巖層的橫波速度范圍作為參考進行綜合解釋。微動反演成果如圖2～4 所示。

圖2 WD1～WD1’測線成果圖

圖3 WD2～WD2’測線成果圖

圖4 WD3～WD3’測線成果圖

通過分析WD1～WD1’線微動成果剖面：覆蓋層均厚3m，強風化層厚度變化較大，薄則3-6m，厚則達16m；基巖節理裂隙發育；在測線0-8m（ZDK30+762右6.7m-ZDK30+789 左2.1m 段）深15-17m[編號：采空5]、測 線16-26m（ZDK30+747—ZDK30+776 左22m 段）深16.6-18.0m[編號：采空4]、測線44-49m段埋深14.5-16.5m[ 編號：采空3]、測線54-58m 深13-15.0m[編號：采空2]，波速較低，判斷為小煤窯采空區。

通過分析WD2～WD2’線微動成果剖面：覆蓋層均厚3-6m，強風化層厚度變化較大，薄則2-4m，厚則達14m；在測線3-6m（ZDK30+724 左5.0m-ZDK30+724左8.0m 段）表現為豎向低波速，判斷為裂隙發育。在測線30-42m 裂隙發育，在埋深17.5-19.8m 位置[編號：采空1]，判斷為小煤窯采空區。

通過分析WD3～WD3’線微動成果剖面：覆蓋層均厚3m，強風化層厚度變化較大，薄則4-6m，厚則達16m；在測線9-28m 段表現為波速較低，判斷裂隙發育，在該段深13.0-15.2m 位置可能存在小煤窯采空[編號：采空5]。

根據物探成果得出采空區探測結論如下：

（1）本次物探工作，共布置微動測線3 條，發現5 處采空異常；6 條節理裂隙；1 個厚層強風化基巖區；

（2）第4、5 號采空異常與左線隧道相交，第3 號采空異常距左線隧道的最小距離為4.5 米；

（3）節理裂隙與采空區伴生，推斷為地下水在采空區富集并下滲，最終形成風化裂隙；

（4）厚層強風化基巖區的平均厚度約17 米，基本沿安置房一側發育，并與左右線隧道相交；中風化基巖面埋深20—25 米。

3 結論

微動技術經過近年來的迅速發展，已逐漸成為一種適應性強探測精度高的地球物理探測方法。本次微動探測采空區成功的案例成果表明：微動方法在城市強干擾和復雜環境下有比較理想的效果，能適應城市地球物理探測的要求。本次探測的成果表明，微動技術在城市環境下采空區探測中具有良好的效果，準確地圈定了采空區與在建軌道交通的空間位置關系，為設計和施工處理提供指導；同時，在城市中利用微動勘探進行采空區探測時，注意成果解釋時應結合地質條件、地層巖性特點和鉆孔資料。這樣才能保證解釋的準確性。