微動探測技術在城市道路隱伏巖溶勘察中的應用

＊王成龍 楊雪娟

（1.河北省地下水資源與生態環境安全技術創新中心 河北 050021 2.河北省水文工程地質勘查院（河北省遙感中心） 河北 050021）

近年來我國已有許多城市路面發生了隱伏巖溶塌陷災害現象，使地面上的建筑物及附屬物發生變形、倒塌，及道路坍陷等災害，給人們的生產生活造成了很大的損失。準確探查出道路隱伏巖溶的空間發育特征，已然勢在必行。巖溶一般發育在碳酸鹽巖地層中，空間分布特征不規律，鉆探勘查雖然可以準確地揭露巖溶的存在，但卻很難（成本高、耗時長等因素制約）反映出巖溶的空間分布狀況及形態特征，故不能完全依靠鉆探勘查。多個工程實例證明，采用地面物探掃面測量，針對物探異常區域進行鉆探驗證，物探結合鉆探驗證結果再重新進行標定解譯，是較為理想的勘探思路。物探包括多種工作方法，每種方法均有其適用性，探測巖溶發育的物探方法有很多，如高密度電法、探地雷達法、淺層地震反射波法、微動勘探法、瞬變電磁法等。但是在城市道路上，面對地面硬化、地下金屬管道錯綜復雜、人文及電磁干擾嚴重的環境里，微動探測是這幾種物探方法中首選的方法。本文結合工程實例，運用微動探測技術對杭州市蕭山區某街道地下巖溶分布進行勘察，查明了隱伏巖溶的分布情況，并利用鉆探驗證了物探結果的可靠性。

1.項目區概況

項目區位于杭州某區，屬于沖海積平原及侵蝕丘陵地貌，路面地形起伏不大，項目場區路面標高在2～8m左右。杭州市位于我國東南沿海的錢塘江下游，地處長江三角洲南翼，城區橫跨錢塘江兩岸。項目區區域內內陸河河網密集、水系繁多。該區域河道岸坡一般采用塊石及木樁護坡，局部平緩處岸坡為天然土質護坡。項目區內巖溶主要發育在石炭系中統黃龍組（C2h）灰巖的上部，上覆較厚的第四系松散層，巖溶類型屬覆蓋型巖溶，通過收集前期勘察資料顯示項目區屬巖溶強發育，溶洞頂板深度30.0～50.0m不等，洞高0.10～12.50m不等，形態不規則，溶洞內多被黏性土或含碎石黏土等充填，部分溶洞無充填或很少填充。

2.地球物理前提

微動探測分層不要求各層介質間縱向上存在波阻抗差異，僅要求各層介質之間存在橫波波速差異，由于橫波波速主要與介質的松散與密實程度有關，因此微動探測法對地層軟弱程度有較好的分辨能力，較適合軟巖及密實度差異較大地區的工程勘探。巖石波速不僅僅與巖石的成分有關系，還與其結構、孔隙度、含水量、黏土含量等較多因素關系密切，橫波速度全風化巖石＜強風化巖石＜中風化巖。通常溶洞發育區橫波波速具有以下特征：半填充溶洞＜粉質黏土＜泥巖＜砂巖＜砂礫巖＜灰巖，因此使用微動探測隱伏巖溶具備地球物理前提條件。

3.工作方法

探測巖溶常規的物探方法有高密度電法、探地雷達法、淺層地震反射波法、瞬變電磁法等。但是在城市強干擾背景下探測幾十米深度內的巖溶發育，地面硬化及地下金屬管道對高密度電法影響較大、探地雷達法在幾十米深度上分辨率較低甚至接受不到有用的反射信號、城區交通工具產生的振動干擾對淺層地震勘探產生的噪音干擾較大、城區內電磁信號又嚴重干擾瞬變電磁法對有用信號的提取，經對比分析，選擇目前國內新興且先進的微動探測技術是相對適宜的方法選擇。

(1)微動探測技術原理

微動探測法又稱天然源面波法，是從自然界背景地震波動噪音（地脈動）中通過自相關方法提取瑞雷波頻散曲線，從而推斷地層信息，與主動源面波法相比，天然源面波法對場地條件要求低，而探測深度大。常用的觀測裝置有四種，三角嵌套、圓形裝置、L型裝置及一字型裝置。

(2)工作參數

由于場地條件限制，工作接收器需要按照一字型方式布置，接收器按照設計數字順序布設，測點記錄為裝置中心，所有檢波器與大線連接后，在監測端觀察儀器是否正常采集數據，待儀器正常測量開始計時，根據探測要求決定采集時間，一般情況觀測約30min，個別點需觀測到一個小時。一個測點采集完成以后，關閉接收器，移位進行下一個測點的測量。天然源面波（微動）勘探使用設備為WZG-24C寬頻地震儀，觀測頻率為0.01Hz至4000Hz，采集耦合頻率為0.1～15Hz，使用檢波器為2Hz低頻檢波器，每測點共觀測30min，根據場地環境特征個別測點延長至60min。主要采用一字型觀測系統，觀測邊長均為20～100m。

(3)數據處理

微動探測數據處理首先從采集到的時序數據中拾取瑞雷波，獲得其相速度頻散曲線，再對頻散曲線進行反演獲得橫波速度結構，最后結合已知地質資料做出地質解釋。如圖1所示，本次實例中，我們采用了剖面臺陣方式來進行微動探測數據觀測，這種方式是在地面上設置一系列測點，通過觀測不同位置的數據來獲取地下結構的信息。我們從每個測點的數據中提取了瑞雷波頻散曲線，然后繪制了相速度等值線圖。為了獲得更加精確的地下結構信息，我們進行了插值和圓滑等處理步驟，計算出了二維視橫波速度剖面，這個剖面可以直觀地反映地層的變化情況，為地質解釋提供了基礎。

圖1 微動剖面探測數據處理流程圖

利用微動數據中提取的瑞雷波頻散曲線進行反演，以推測地下視橫波速度結構的變化特征，并解譯出相應的地層結構信息。這種方法結合了瑞雷波的特性和半波法的原理，通過分析瑞雷波在地下介質中的傳播速度，可以推斷出地下不同深度處的波速變化情況。通過對探測目標剖面的微動數據進行處理和解釋，可以獲取地下結構的相關信息。這種方法在地質勘探和地下資源開發中具有廣泛的應用，為研究者和工程師提供了有價值的地質信息，幫助他們更好地理解和解釋地下地質條件。計算視橫波速度半波法經驗公式如下。

該方法可用于地層剖面上地層巖性的相對變化而無需反演橫波波速。

式中，νs為視橫波速度；νr為瑞雷波相速度，ti=1/fi為周期，深度一般為半波長的長度。

通過計算視橫波速度和利用相速度頻散曲線，我們可以得到視橫波速度隨深度變化的大致趨勢。然后，為了得到更平滑的曲線，可以使用光滑算法，例如滑動平均或高斯濾波，這些算法可以減少數據中的噪聲，使得結果更加可靠。然而，需要明確的是，視橫波速度并不等同于真實的橫波速度，它是一種近似值，可以間接反映出實際橫波速度的變化趨勢。因此，在進行深度-速度剖面圖的分析時，需要注意到這個近似性質，因此通過視橫波速度-深度剖面成果圖推斷解譯地層結構信息。

本實例中使用的處理軟件為驕佳Geogiga9.15面波高級版進行處理，分析方法為空間自相關SPAC法，如圖2所示，假定天然源面波在時間與空間上是隨機平穩的，對于每一個特定的頻率，相速度可通過擬合空間自相關系數與第一類零階貝賽爾函數得到。

圖2 SPAC法生成的頻散圖

提取頻散曲線信息后，將頻散曲線進行反演即可得到H-V剖面成果。反演算法采用的是遺傳算法（Genetic Algorithm，簡稱GA）。單測點的相速度、視橫波速度及反演層參數后即可使用相關的GIS類軟件進行剖面成圖分析。

4.成果解譯

沿道路方向及垂直道路方向網格式布置測線9條，下面以其中1條測線為例進行敘述。

如圖3，剖面縱向上視橫波波速變化特征較明顯，總體為低-高二層結構，視橫波波速變化范圍為100～400m/s。結合鉆孔資料，具體分層如下：0～47m為淺部低速區，視橫波波速小于250m/s，為粉質黏土反映。47m以下視橫波波速顯著增大，為含礫砂巖及灰巖綜合反映。結合對比鉆孔溶洞特征資料，將深度47m以下視橫波波速Vs＜250m/s的區域圈定為低速異常區，共5處，分別命名為WT-1、WT-2、WT-3、WT-4及WT-5。具體特征解釋如下：WT-1異常中心位置位于剖面38m處，異常影響寬度約20m，埋深約47.9m，異常影響厚度約26m。推測為黏土填充溶洞發育區，附近無預設計基樁。WT-2異常中心位置位于剖面152m處，異常影響寬度約50m，埋深約52m，異常影響厚度約24m。推測為黏土填充溶洞發育區。附近存在NE6、NE7及FZ37右三個基樁，推測溶洞發育情況與地勘揭露鉆孔基本吻合。該處溶洞發育范圍寬度及厚度均較大，設計和施工時加強注意。WT-3異常中心位置位于剖面268m處，異常影響寬度約38m，埋深約53m，異常影響厚度約21m。推測為黏土填充溶洞發育區。附近存在NE10基樁，推測溶洞發育情況與地勘揭露鉆孔基本吻合。該處溶洞發育范圍寬度及厚度均較大，設計和施工時加強注意。WT-4異常中心位置位于剖面320m處，異常影響寬度約18m，埋深約53m，異常影響厚度約10m，推測為黏土填充溶洞發育區。附近存在NE12基樁，設計和施工時加強注意。WT-5異常中心位置位于剖面350m處，異常影響寬度約28m，埋深約51m，異常影響厚度約32m。推測為黏土填充溶洞發育區。附近存在NE12及NE13基樁，該處溶洞發育范圍寬度及厚度均較大，設計和施工時加強注意。

圖3 微動剖面探測解譯成果圖

5.結論

本文通過工程實例論述了采用微動探測技術準確的推測出巖溶的位置、深度和規模，基本查明了巖溶的空間分布形態特性，并在物探異常處進行了鉆探驗證，物探與鉆探結果吻合度很高，結論表明應用目前新興的微動探測技術對城區環境下進行溶洞勘察是行之有效的。