多源頻率域地震勘探法在探測(cè)城市隧道洞室中的應(yīng)用

陳支興

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 湖北 武漢 430063)

0 引言

19世紀(jì)是橋的世紀(jì),20世紀(jì)是高層建筑的世紀(jì),21世紀(jì)則是開(kāi)發(fā)利用地下空間的世紀(jì)[1]。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快,地下空間利用深度不斷加大,地下隧道、地鐵、綜合管廊等地下設(shè)施日益增多,對(duì)地下空間的開(kāi)發(fā)與建設(shè)提出了更高的要求。在城市地下工程建設(shè)過(guò)程中,通過(guò)前期勘察獲取隧道洞室等地下設(shè)施的準(zhǔn)確空間信息,對(duì)后期的設(shè)計(jì)施工具有重要意義[2-3]。而城市環(huán)境中建筑密集、交通繁忙,常規(guī)勘探手段實(shí)施困難,常有鉆探盲區(qū)出現(xiàn),存在安全隱患[4-5]。地球物理勘探技術(shù)因具有無(wú)損、高效、經(jīng)濟(jì)、靈活等特點(diǎn),在城市工程地質(zhì)勘察中得到了廣泛應(yīng)用。

目前,國(guó)內(nèi)外城市地球物理勘探采用的技術(shù)主要有地質(zhì)雷達(dá)法、地震映像法、瞬變電磁法、瞬態(tài)面波法等。例如: 趙明堂[6]采用地質(zhì)雷達(dá)法探明了某城市道路地下隱患的位置,為城市道路地面塌陷隱患治理提供了可靠的依據(jù); 吳怡潔等[7]采用地震映像法探查了地下空洞和擾動(dòng)區(qū),經(jīng)工程鉆探驗(yàn)證取得了一定的勘探效果; 徐正玉等[8]將小回線瞬變電磁法應(yīng)用到重慶大學(xué)校園防空洞探查中,與實(shí)際情況相比較驗(yàn)證了小回線瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性; 鐘曉婷[9]采用瞬態(tài)面波法圈定了某商業(yè)小區(qū)地下人防工程的空間位置,確保了后期工程的施工安全。

上述地球物理勘探技術(shù)在城市地下工程勘察中均發(fā)揮了重要作用,但受復(fù)雜城市環(huán)境中電磁和機(jī)械振動(dòng)干擾影響,以及受場(chǎng)地空間限制,使上述物探方法的探測(cè)深度和勘探精度受限。近年來(lái),研究人員以適應(yīng)復(fù)雜城市環(huán)境為出發(fā)點(diǎn),在利用天然地震信號(hào)方面取得了一定的研究進(jìn)展。例如: 徐佩芬等[10]、杜亞楠等[11]、張明輝等[12]、喬高乾等[13]對(duì)微動(dòng)臺(tái)陣法進(jìn)行了研究,并將其應(yīng)用于城市軌道交通的覆蓋層調(diào)查中; Haghshenas等[14]、王偉君等[15]、張若晗等[16]、汪文剛[17]將微動(dòng)譜比法引入到場(chǎng)地響應(yīng)評(píng)價(jià)和淺層速度結(jié)構(gòu)探測(cè)中,也取得了不錯(cuò)的勘探效果; 劉鐵華等[18-20]總結(jié)了以上2種微動(dòng)勘探的研究成果,在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了多源頻率域地震勘探技術(shù)的研究工作,在城市地鐵勘察項(xiàng)目中得到了成功應(yīng)用。

眾多學(xué)者的研究成果為城市地質(zhì)勘察提供了新的途徑,但上述方法的應(yīng)用多集中在地層分層、地質(zhì)構(gòu)造探查等領(lǐng)域,在城市隧道洞室探測(cè)方面應(yīng)用較少。多源頻率域地震勘探法作為兼具抗干擾能力和狹小空間適用性的新方法,現(xiàn)有文獻(xiàn)中僅有對(duì)其原理的簡(jiǎn)要介紹,未對(duì)該方法綜合頻散曲線的合成機(jī)制以及聯(lián)合反演函數(shù)的計(jì)算表達(dá)進(jìn)行研究。針對(duì)該現(xiàn)狀,本文在深入探討多源頻率域地震勘探法技術(shù)實(shí)施要點(diǎn)的基礎(chǔ)上,將該方法應(yīng)用于城市隧道洞室的探測(cè)中,為復(fù)雜城市環(huán)境下探測(cè)隧道洞室提供一種新思路。

1 多源頻率域地震勘探法原理

多源頻率域地震勘探法是融合了瞬態(tài)面波(主動(dòng)源面波)、微動(dòng)臺(tái)陣(被動(dòng)源面波)和微動(dòng)譜比3種方法的地震面波綜合勘探技術(shù)。

瞬態(tài)面波法利用人工震源激發(fā)產(chǎn)生的彈性波,通過(guò)分析、處理和提取面波頻散信息,反演得到地下橫波速度的分布情況。其采用直線等間距排列方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,作業(yè)過(guò)程簡(jiǎn)單、高效,對(duì)淺部地層結(jié)構(gòu)有較好的分辨能力,但在復(fù)雜城市環(huán)境中經(jīng)常難以滿足測(cè)點(diǎn)規(guī)則布置的要求,且勘探深度有限。

微動(dòng)臺(tái)陣法利用自然界中的微弱震動(dòng)作為信號(hào)源,基于該微動(dòng)信號(hào)提取多測(cè)點(diǎn)的頻散曲線,實(shí)現(xiàn)地層橫波速度屬性反演。其獲取微動(dòng)信號(hào)時(shí),需布置多個(gè)采集站形成采集臺(tái)陣,臺(tái)陣形式一般有“直線型”“同心圓型”“內(nèi)嵌三角型”等,測(cè)點(diǎn)布置相對(duì)靈活,具有抗干擾能力強(qiáng)、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì),但由于天然微動(dòng)信號(hào)中的高頻信號(hào)能量較弱,對(duì)淺部地層的分辨能力較差。

微動(dòng)譜比法也是采集微動(dòng)信號(hào),與微動(dòng)臺(tái)陣法采集單分量數(shù)據(jù)不同,微動(dòng)譜比法采集的是三分量數(shù)據(jù),提取各測(cè)點(diǎn)水平分量和垂直分量的譜比曲線,基于曲線峰值頻率進(jìn)行地層反演和解釋。其基于單點(diǎn)三分量微動(dòng)信號(hào)進(jìn)行探測(cè),具有天然抗干擾能力和極強(qiáng)場(chǎng)地適應(yīng)性,但反演時(shí)高度依賴初始模型,要求掌握較為準(zhǔn)確的表層速度。

上述3種方法有著不同的優(yōu)缺點(diǎn),其在抗干擾能力、測(cè)點(diǎn)布置要求、優(yōu)勢(shì)勘探深度和精度方面存在互補(bǔ)性,而在外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)資料處理方面又有相似性,可在獨(dú)立實(shí)施的基礎(chǔ)上進(jìn)一步融合,數(shù)據(jù)采集與處理同步進(jìn)行,形成一體化的多源頻率域地震勘探法。多源頻率域地震勘探法是在雙源面波勘探技術(shù)的基礎(chǔ)上融合微動(dòng)譜比技術(shù)形成,其通過(guò)場(chǎng)地內(nèi)布置的若干三分量傳感器同步采集主動(dòng)源面波信號(hào)和長(zhǎng)周期微動(dòng)信號(hào),綜合獲取每個(gè)測(cè)點(diǎn)的頻散曲線和譜比曲線,通過(guò)對(duì)多方法源多頻率范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合建模與反演,獲得高分辨率的地層橫波速度分布情況,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜城市環(huán)境下由淺到深的高精度勘探。多源頻率域地震勘探法的技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 多源頻率域地震勘探法技術(shù)流程圖

2 技術(shù)實(shí)施

2.1 多源數(shù)據(jù)采集

多源頻率域地震勘探法一般采用線性臺(tái)陣進(jìn)行數(shù)據(jù)的觀測(cè)和采集,按規(guī)則點(diǎn)距(若局部有障礙物也可采用非等間距)設(shè)置三分量低頻傳感器形成排列。先在測(cè)線一端激發(fā)人工震源,采集垂直分量的瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)(主動(dòng)源),采集時(shí)長(zhǎng)一般不低于1 s; 采集完成后,繼續(xù)采集長(zhǎng)周期的三分量微動(dòng)數(shù)據(jù)(被動(dòng)源),采集時(shí)長(zhǎng)一般不低于20 min。

2.2 特征曲線提取

獲取多源頻率域地震數(shù)據(jù)后,對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,提取有效數(shù)據(jù)段(被動(dòng)源僅保留平穩(wěn)的微動(dòng)信號(hào)),由主動(dòng)源面波和被動(dòng)源面波的垂直分量數(shù)據(jù)計(jì)算綜合頻散特征曲線,由被動(dòng)源面波的三分量數(shù)據(jù)計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的譜比特征曲線。

在提取雙源面波的綜合頻散曲線時(shí),由于主動(dòng)源面波在高頻段具有更高的收斂性,其在淺層的可靠性更高,而被動(dòng)源面波在低頻段優(yōu)勢(shì)更明顯,其在深層的可靠性更高,故可通過(guò)加權(quán)校正的方式將2種數(shù)據(jù)源的頻散曲線進(jìn)行整合。主動(dòng)源面波和被動(dòng)源面波的頻散譜可被視為一個(gè)矩陣,分別與系數(shù)矩陣相乘后再求和(見(jiàn)式1),得到合成后的綜合頻散特征曲線。

(1)

簡(jiǎn)化后得到:

Da×Ka+Dp×Kp=D。

(2)

式(1)—(2)中: nVel為頻散譜速度值個(gè)數(shù); nF為頻散譜頻率值個(gè)數(shù);Da為主動(dòng)源原始頻散譜;Dp為被動(dòng)源原始頻散譜;D為合成后的綜合頻散譜;Ka為主動(dòng)源合成系數(shù)矩陣;Kp為被動(dòng)源合成系數(shù)矩陣。

為確保頻散譜合成的協(xié)調(diào)性,主動(dòng)源合成系數(shù)矩陣Ka和被動(dòng)源合成系數(shù)矩陣Kp均為大于0的數(shù),且滿足式(3)要求。

(3)

2.3 聯(lián)合反演

提取2種特征曲線后,對(duì)頻散曲線和譜比曲線進(jìn)行反演。本文采用聯(lián)合建模與反演的方法,將頻散曲線與譜比曲線的信息特征融合到統(tǒng)一的反演目標(biāo)函數(shù)中,基于頻散曲線和譜比曲線的峰值特征建立初始地層模型,再進(jìn)行頻散曲線和譜比曲線的聯(lián)合反演,獲得高分辨率的地層橫波速度分布。聯(lián)合反演實(shí)施步驟如下:

1)建立初始地層模型。基于綜合頻散曲線,按照行業(yè)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算初始地層速度模型。其中,經(jīng)驗(yàn)公式按照“波場(chǎng)對(duì)應(yīng)的1/4波長(zhǎng)為其對(duì)應(yīng)速度模型深度”的原則進(jìn)行轉(zhuǎn)化,將頻散曲線的“頻率-速度”關(guān)系轉(zhuǎn)化為地層模型的“深度-速度”關(guān)系。

2)理論頻散曲線計(jì)算。基于當(dāng)前地層模型計(jì)算其相應(yīng)的理論頻散曲線。

3)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)F(x)。

F(x)=S[rc(x),rb]×wrb+S[HVc(x),HVp]×whv;

(4)

(5)

(6)

式(4)—(6)中:fi為當(dāng)前測(cè)點(diǎn);N為測(cè)點(diǎn)總數(shù);j為某一測(cè)點(diǎn);x為當(dāng)前測(cè)點(diǎn)的一系列模型參數(shù); rc(x)為理論頻散曲線; rb為實(shí)測(cè)混合源頻散曲線; HVc(x)為理論譜比曲線; HVp為實(shí)測(cè)譜比曲線;S[rc(x),rb]為rc(x)與rb的均方差;S[HVc(x),HVp]為HVc(x)與HVp的均方差;wrb、whv為頻散曲線和譜比曲線的權(quán)重,且滿足wrb+whv=1。

理想情況下,S[rc(x),rb]和S[HVc(x),HVp]趨于0,目標(biāo)函數(shù)F(x)整體趨于0。

5)反演結(jié)果輸出。重復(fù)步驟2)至4),直到滿足反演條件為止,輸出反演得到的橫波速度成果圖。

2.4 方法特點(diǎn)分析

2.4.1 方法特點(diǎn)

1)超強(qiáng)的狹小場(chǎng)地適應(yīng)性。多源頻率域地震勘探法采用分布式地震采集站,1個(gè)采集站即可完成1個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量,且采集站體積小,占用空間面積有限,可以在復(fù)雜城市環(huán)境中實(shí)現(xiàn)無(wú)縫勘探,獲取連續(xù)的地質(zhì)分布情況。

2)天然的抗干擾能力。多源頻率域地震勘探法采集天然的地震信號(hào),相較于其他受困于城市電磁和機(jī)械振動(dòng)干擾的物探方法,其具有抗干擾能力強(qiáng)的突出優(yōu)勢(shì)。

3)高效率。多源頻率域地震勘探法可以一次布置多個(gè)采集站同時(shí)采集,且一次采集得到的數(shù)據(jù)相當(dāng)于瞬態(tài)面波法、微動(dòng)臺(tái)陣法和微動(dòng)譜比法3種方法得到的數(shù)據(jù),工作效率提高了2倍,顯著降低了勘探成本。

4)高分辨率。多源頻率域地震勘探法融合了瞬態(tài)面波法在表層的高精度、微動(dòng)臺(tái)陣法在深層的穩(wěn)定性和微動(dòng)譜比法的場(chǎng)地適應(yīng)性特點(diǎn),能實(shí)現(xiàn)多方法源多頻率范圍的同步探測(cè)與一體化采集,通過(guò)對(duì)多方法數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合建模與反演,實(shí)現(xiàn)由淺到深的高精度勘探。

2.4.2 適用條件

1)多源頻率域地震勘探法開(kāi)展的前提條件是需要地層有3 m以上的覆蓋層。該方法主要利用地震面波,覆蓋層過(guò)淺時(shí)面波發(fā)育不充分,影響勘探效果。

2)測(cè)點(diǎn)附近無(wú)持續(xù)固定的強(qiáng)震事件。雖然該方法采集天然的地震信號(hào),但仍需避免測(cè)點(diǎn)附近存在持續(xù)固定的強(qiáng)震事件干擾,影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。

今后中級(jí)維修技師需掌握機(jī)械鉗工、液壓機(jī)電、電子通信等技術(shù)，高級(jí)維修技師需掌握一般診斷技術(shù)，技師需掌握高深診斷技術(shù)。今后國(guó)企與民企共存，4S店與綜合汽修廠共存，大規(guī)模汽修廠與連鎖保養(yǎng)店共存，由于技術(shù)資料公開(kāi)、備件公開(kāi)，綜合汽修廠的實(shí)力將逐漸增強(qiáng)。汽車維修量的增長(zhǎng)將由一線(北上廣深)、二線(省城)，向三線(地級(jí))、四線(所有)城市轉(zhuǎn)移。汽車修理哪家強(qiáng)，就看診斷技術(shù)誰(shuí)能擔(dān)當(dāng)，診斷技術(shù)能力強(qiáng)的維修企業(yè)客戶資源必然多于診斷能力弱的維修企業(yè)。

3)地形起伏不宜過(guò)大,坡度小于20°為宜。多源頻率域地震勘探法一般采用線性排列多測(cè)點(diǎn)觀測(cè),地形起伏過(guò)大將影響頻散曲線的計(jì)算精度。

3 隧道洞室探測(cè)的應(yīng)用分析

3.1 工程概況

某城市市政工程項(xiàng)目,線路經(jīng)過(guò)繁華市區(qū)道路,車流量大,路旁房屋密集,電磁和機(jī)械振動(dòng)干擾強(qiáng)烈,道路下方有城際軌道交通穿行。

為快速查明軌道交通與工程線路的交叉位置,探測(cè)其主體隧道埋深范圍,排除施工安全隱患,采用多源頻率域地震勘探法進(jìn)行探測(cè)。

3.2 數(shù)據(jù)采集

本次多源頻率域地震勘探法數(shù)據(jù)采集工作,采用EvS-4型三分量地震采集站,其頻帶為0.2～500 Hz。采集系統(tǒng)支持4G與WIFI的雙模式采集與通訊,同時(shí)支持采集站和移動(dòng)端2種方式對(duì)硬件和數(shù)據(jù)質(zhì)量的監(jiān)控。多源頻率域地震勘探采集站及控制軟件如圖2所示。在實(shí)際工作中,操作員通過(guò)采集站面板對(duì)儀器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,技術(shù)員通過(guò)手機(jī)移動(dòng)端的采集軟件進(jìn)行全面監(jiān)控,實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)質(zhì)量。

(a) 采集站

外業(yè)觀測(cè)系統(tǒng)的主要參數(shù)設(shè)置如下: 采用線性觀測(cè)系統(tǒng),以K0+920為中心沿線路方向向兩端各延伸75 m,10個(gè)采集站同步采集,測(cè)點(diǎn)間距為5 m,采樣間隔為4 ms,主動(dòng)源采樣時(shí)長(zhǎng)為1 s,被動(dòng)源采樣時(shí)長(zhǎng)為30 min。為確保數(shù)據(jù)質(zhì)量,開(kāi)工前,對(duì)所有采集設(shè)備進(jìn)行一致性檢測(cè)和時(shí)間同步校正; 采集站布置過(guò)程中,每臺(tái)采集站的水平傾角控制在3°范圍內(nèi)。

3.3 數(shù)據(jù)處理與成果分析

數(shù)據(jù)采集完成后,開(kāi)展預(yù)處理工作,剔除短時(shí)干擾(如過(guò)往車輛)的影響,低于閾值的部分視為穩(wěn)態(tài)信號(hào)被采用。數(shù)據(jù)預(yù)處理如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)預(yù)處理圖

基于主動(dòng)源面波和微動(dòng)數(shù)據(jù)分別提取各測(cè)點(diǎn)的面波頻散曲線,如圖4所示。基于三分量長(zhǎng)周期微動(dòng)數(shù)據(jù)提取各測(cè)點(diǎn)的譜比特征曲線,如圖5所示。

(a) 主動(dòng)源面波頻散曲線

圖5 單點(diǎn)譜比曲線圖

提取2種特征曲線后,基于頻散速度和譜比峰值建立初始地層模型,在聯(lián)合建模和反演的基礎(chǔ)上獲取高分辨率的地層速度信息。探測(cè)成果如圖6所示。

圖6 探測(cè)成果圖

測(cè)線范圍內(nèi)基巖面整體起伏不大,地層淺部層狀特征較為明顯,范圍內(nèi)存在2處低速異常區(qū): K0+858～+864,深度-18.2～-12.9 m; K0+913～+921,深度-27.9～-20.2 m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、設(shè)計(jì)及施工單位核查,K0+858～+864所解釋的異常位置為燃?xì)夤艿缆裨O(shè)區(qū)段,K0+913～+921所解釋的異常位置為城際隧道經(jīng)過(guò)區(qū)域,物探結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合。其中,物探圈定的隧道頂板埋深與實(shí)際埋深相差0.7 m,探測(cè)誤差為3.3%。

分析認(rèn)為,城際隧道所在位置因介質(zhì)條件發(fā)生變化,波速顯著降低,在探測(cè)得到的橫波速度剖面圖上,表現(xiàn)為向下凹陷的“低速異常區(qū)”,易于識(shí)別。由此可見(jiàn),多源頻率域地震勘探法對(duì)隧道洞室有較好的探測(cè)效果。

4 結(jié)論與討論

本文針對(duì)復(fù)雜城市環(huán)境中的勘探難題,采用多源頻率域地震勘探方法,實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜城市環(huán)境下隧道洞室的高精度探測(cè)。通過(guò)在某城市軌道交通隧道勘察中的應(yīng)用,主要結(jié)論如下:

1)多源頻率域地震勘探法融合了瞬態(tài)面波法在表層的高精度、微動(dòng)臺(tái)陣法在深層的穩(wěn)定性和微動(dòng)譜比法的場(chǎng)地適應(yīng)性特點(diǎn),具有較強(qiáng)的抗干擾能力和狹小空間適應(yīng)性,適用于復(fù)雜城市環(huán)境的多種應(yīng)用場(chǎng)景。

2)采集設(shè)備輕便小巧,測(cè)點(diǎn)布設(shè)靈活方便,單次采集能同時(shí)獲得3種方法的數(shù)據(jù),工作效率提高2倍,顯著降低了勘探成本。

3)該探測(cè)方法獲得的橫波速度剖面,分辨率高,具有較好的穩(wěn)定性和可靠性,探測(cè)得到的隧道頂板埋深與實(shí)際埋深相差0.7 m,探測(cè)誤差僅為3.3%,證明該方法在探測(cè)城市隧道洞室方面具有較好的應(yīng)用效果。

由于多源頻率域地震勘探法是建立在上述3種方法融合利用的基礎(chǔ)上,不可避免地存在這些方法自身固有的缺點(diǎn)。該方法的有效實(shí)施,首先要基于場(chǎng)地發(fā)育面波等有效波場(chǎng),如基巖出露或覆蓋層較淺時(shí)則存在效果不佳等問(wèn)題;其次應(yīng)避免規(guī)律性的近場(chǎng)振動(dòng)干擾。此外,瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)的采集目前還建立在直線觀測(cè)裝置下,如何突破線性裝置的限制,實(shí)現(xiàn)任意觀測(cè)裝置下3種信號(hào)源的多源頻率域地震勘探,是今后進(jìn)一步研究的方向。