直線型臺(tái)陣微動(dòng)技術(shù)在隧道勘察中的應(yīng)用研究

傅慶凱

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,福州 350004)

0 引言

近年來(lái),鐵路、公路建設(shè)飛速發(fā)展,其中隧道作為關(guān)鍵控制工程,其勘探質(zhì)量直接影響工程的施工安全,因此加強(qiáng)隧道地質(zhì)勘察是施工建設(shè)的重點(diǎn),具有十分重要的意義。

我國(guó)對(duì)隧道的探測(cè)目前仍以鉆探方法為主,但鉆探不僅具有成本高、工期長(zhǎng)等特點(diǎn),還會(huì)對(duì)環(huán)境有影響。隨著節(jié)能減排,低碳環(huán)保制度的深入貫徹,綠色地質(zhì)勘察代替?zhèn)鹘y(tǒng)地質(zhì)勘察工程,其中地球物理方法發(fā)揮的作用越來(lái)越大。常用的物探方法有:地震波法、電磁測(cè)深法、彈性波CT法、高密度電法、瞬變電磁場(chǎng)法等[1-7]。其中,微動(dòng)探測(cè)技術(shù)易實(shí)施、高精度、不需要人工震源等優(yōu)勢(shì)使其在探測(cè)地下空間結(jié)構(gòu),了解巖土層的基本構(gòu)成等方面發(fā)揮了重要作用,不僅能夠節(jié)約高額的鉆探費(fèi)用,還能明顯地縮短工期,降本增效,綠色低碳環(huán)保,具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

我國(guó)的微動(dòng)探測(cè)技術(shù)起步比較晚,上世紀(jì)八九十年代,王振東和冉偉彥才[8]第一次將這種方法引進(jìn)到中國(guó);徐佩芬等[9]論述微動(dòng)探測(cè)作為地層分層和隱伏斷裂構(gòu)造探測(cè)的物探新方法;劉宏岳等[10]介紹其在福州地鐵1號(hào)線多個(gè)盾構(gòu)區(qū)間孤石探測(cè)的成功案例,說(shuō)明微動(dòng)探測(cè)方法在城市復(fù)雜的環(huán)境條件下孤石探測(cè)方面具有良好的應(yīng)用效果;李文倩等[11]利用H/V譜比法計(jì)算各場(chǎng)點(diǎn)場(chǎng)地卓越頻率,成功回歸擬合了場(chǎng)地卓越頻率與覆蓋層厚度的關(guān)系;張若晗等[12]對(duì)濟(jì)南中心城區(qū)的土石分界面展開(kāi)研究,說(shuō)明微動(dòng)H/V譜比法在城市強(qiáng)干擾環(huán)境中確定土石分界面深度提供了快速準(zhǔn)確的解決方案。

現(xiàn)在微動(dòng)探測(cè)技術(shù)更多是用于探測(cè)地下橫波速度結(jié)構(gòu)[13-15]和預(yù)測(cè)覆蓋層厚度[16-20],但我國(guó)目前在隧道勘察領(lǐng)域微動(dòng)探測(cè)技術(shù)的研究上整體比較落后,生產(chǎn)單位則更加薄弱,尤其是H/V譜比法方向沒(méi)有什么進(jìn)展。

1 直線型臺(tái)陣微動(dòng)技術(shù)

直線型臺(tái)陣微動(dòng)技術(shù)是基于ESPAC法和H/V譜比法的方法理論,通過(guò)直線型臺(tái)陣滾動(dòng)重復(fù)采集方式,獲取頻散曲線和H/V曲線等剖面數(shù)據(jù),進(jìn)行聯(lián)合解譯,獲得地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

1.1 拓展空間自相關(guān)法的基本原理

拓展空間自相關(guān)法(ESPAC:Extended spatial autocorrelation)的原理與傳統(tǒng)的空間自相關(guān)法(SPAC)基本一樣,它是基于陣列設(shè)備采集地面微動(dòng)信號(hào),通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算及相關(guān)的數(shù)字處理技術(shù)提取其垂直分量中面波信號(hào)(主要為瑞雷波)的相速度頻散曲線,進(jìn)而推斷其地質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種地球物理探測(cè)方法。

根據(jù)Aki的理論假設(shè),推導(dǎo)出空間自相關(guān)系數(shù)可以用零階貝塞爾函數(shù)表示,即:

(1)

式中:ρ為自相關(guān)系數(shù);r為兩個(gè)檢波器的距離;ω為角速度;ω=2πf;S12為兩個(gè)檢波器的互功率譜;S11與S22分別為兩個(gè)檢波器的自功率譜;c為瑞雷波相速度;J0為第一類(lèi)零階貝塞爾函數(shù)。

1.2 H/V譜比法的基本原理

如果場(chǎng)地為堅(jiān)硬平坦(或基巖)的理想場(chǎng)地,理論上可以認(rèn)為該場(chǎng)地并不會(huì)在某一頻段或某一方向上放大地震反應(yīng),即每一個(gè)頻段,每一個(gè)方向上的振動(dòng)應(yīng)該是大致相同的。但對(duì)于存在覆蓋層的一般場(chǎng)地而言存在波阻抗界面,界面水平方向地震動(dòng)存在放大效應(yīng),豎向地震動(dòng)并沒(méi)有顯著放大,那么通過(guò)水平和豎向地震動(dòng)的功率譜之比,則可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地地層地劃分。

微動(dòng)數(shù)據(jù)的H/V譜為水平方向的功率譜與垂直方向的功率譜之比,即:

(2)

式中:PNS(ω)和PEW(ω)分別是水平方向兩個(gè)分量的功率譜;PUD(ω)代表垂直方向的功率譜。

典型的H/V譜比法曲線具有一個(gè)明顯的峰值頻率F0,大量研究表明,H/V譜比法曲線的峰值頻率與土石分界面深度H之間存在一定的函數(shù)關(guān)系,從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析,根據(jù)大量的調(diào)研以及工程實(shí)例,可以認(rèn)為,當(dāng)樣本越多,越靠近真實(shí)情況,可擬合出二者的函數(shù)關(guān)系。據(jù)此,可根據(jù)H/V譜比法曲線峰值頻率估算土石分界面深度[11]。

H/V峰值頻率與松散沉積層的共振頻率相吻合,這和很多應(yīng)用結(jié)果相符。H/V曲線中的頻率峰值F0與松散覆蓋層的平均剪切波速度和覆蓋層厚度相關(guān)。通過(guò)H/V譜比法獲得頻率峰值F0以及Vs,可以用公式(3)獲得覆蓋層厚度。

(3)

式中:Dov為松散覆蓋層厚度;VS為覆蓋層加權(quán)平均剪切波速度(m/s)。

2 野外工作方法及數(shù)據(jù)處理

ESPAC法精度雖然略微遜色于SPAC法,但它克服了SPAC法臺(tái)陣布設(shè)受限的缺點(diǎn)。因此,我們采用基于ESPAC方法理論的直線型臺(tái)陣滾動(dòng)重復(fù)采集方式,不僅臺(tái)陣布設(shè)方式簡(jiǎn)單,外業(yè)效率明顯提高,橫向分辨率也大大提高,而且更符合公路線路勘察的需求。與傳統(tǒng)的SPAC法不同的是:需要將直線型臺(tái)陣按一定規(guī)則,抽道、組合成若干個(gè)小排列,同時(shí)保證每個(gè)小排列均是相同時(shí)間序列。

假設(shè)單個(gè)排列的檢波器數(shù)量為n,滾動(dòng)檢波器數(shù)為m,抽道、組合得到小排列數(shù)為m,每個(gè)小排列檢波器數(shù)量為k(k=n-m+1),再將每個(gè)小排列單獨(dú)采用ESPAC方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,獲得小排列中心點(diǎn)的頻散曲線,最后將每個(gè)小排列獲得的m條頻散曲線按坐標(biāo)組合成剖面,而傳統(tǒng)的SPAC法僅能獲得單點(diǎn)頻散曲線。因此,通過(guò)直線型臺(tái)陣滾動(dòng)重復(fù)采集方式,創(chuàng)新的由剖面代替單點(diǎn),橫向分辨率顯著提高,同時(shí)類(lèi)似高密度電法一樣,排列越長(zhǎng),檢波器越多,解譯深度大大提高。具體工作裝置布置圖見(jiàn)圖1,以單個(gè)排列有12個(gè)檢波器,每次滾動(dòng)5個(gè)檢波器為例。數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖2。

圖1 工作裝置布置圖

圖2 工作流程圖

3 工程概況

筆者以德化縣某項(xiàng)目隧道勘察為例,論述直線型臺(tái)陣微動(dòng)技術(shù)在隧道勘察中的應(yīng)用研究。該隧道位于泉州市德化縣城郊,隧道長(zhǎng)為1.85 km,屬于長(zhǎng)隧道,地貌上總體屬于低山丘陵地貌區(qū),海拔高度一般500 m～800 m不等,坡地天然坡度一般在20°～45°,山坡植被發(fā)育。低山丘陵地貌中多夾有河流階地、山間谷地及小盆地等,沿線高差變化較大,地形較復(fù)雜。山間谷地地形呈階梯狀分布,現(xiàn)狀多水田、村莊分布。

從物性特征來(lái)看,測(cè)區(qū)覆蓋層與下伏中風(fēng)化基巖的瑞雷波相速度差異較明顯,且存在明顯的波阻抗界面。因此,本場(chǎng)地具備開(kāi)展微動(dòng)測(cè)試的物理前提。通過(guò)H/V譜比法,則可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地地層的劃分。

4 物探工作布置及異常成果解釋

4.1 物探工作布置

本次任務(wù)主要是運(yùn)用綜合物探與鉆孔驗(yàn)證相結(jié)合,查明隧道沿線可能存在的不良地質(zhì)情況。在選擇物探方法時(shí),因隧道沿線分布三條高壓線,且隧道最大埋深約180 m,不宜采用電磁類(lèi)的物探方法,所以采用抗干擾的直線型臺(tái)陣微動(dòng)技術(shù),同時(shí)在部分淺埋段采用高密度電法,相互驗(yàn)證,共布置三條物探測(cè)線(L1～L3),具體地形、物探布置平面如圖3所示,各測(cè)線采用的物探方法、測(cè)點(diǎn)范圍、長(zhǎng)度、工作參數(shù)情況見(jiàn)表1。

表1 物探工作量表

圖3 物探測(cè)線平面圖

4.2 異常成果解釋

4.2.1 直線型臺(tái)陣微動(dòng)技術(shù)物探成果

縱觀L1～L3測(cè)線直線型臺(tái)陣微動(dòng)技術(shù)物探成果剖面,發(fā)現(xiàn)測(cè)線間相速度分布情況基本一致,說(shuō)明數(shù)據(jù)的可靠性。

1)節(jié)理裂隙密集帶。相速度分布整體呈現(xiàn)上低下高的趨勢(shì),依據(jù)相速度大小、等值線下凹等情況,結(jié)合地形、地質(zhì)調(diào)繪和測(cè)線間的相對(duì)位置,物探推測(cè)了三條節(jié)理裂隙密集帶F1～F3,具體異常空間展布和物探成果見(jiàn)圖3～圖6。

2)巖性接觸帶。L2測(cè)線物探成果剖面中L2-93～L2-133段(400 m)、L3測(cè)線物探成果剖面中L3-93～L3-111段(180 m)和L3-152～L3-187段(350 m)相速度整體明顯偏低,異常范圍較大,而區(qū)域地質(zhì)顯示在該異常附近存在花崗巖與凝灰熔巖的巖性接觸帶,結(jié)合L1測(cè)線高密度電法成果,綜合分析,物探推測(cè)存在條帶狀巖性接觸帶,在巖性接觸帶附近巖石較破碎、富水,導(dǎo)致該處物探成果呈現(xiàn)低速、低阻的異常形態(tài),具體異?？臻g展布和物探成果見(jiàn)圖3～圖6。

3)土石界面。對(duì)于隧道土石界面的劃分,主要是通過(guò)H/V譜比法來(lái)推斷,以微動(dòng)譜比法峰值頻率與土石界面的關(guān)系以及峰值非連續(xù)的斷點(diǎn)異常為依據(jù),一般認(rèn)為譜比法值頻率通過(guò)深度轉(zhuǎn)換后,對(duì)應(yīng)的深度即土石界面的深度。因此,采用連續(xù)追蹤譜比法最大值的方式(類(lèi)似地震法追蹤同相軸),均存在一條比值大于2的連續(xù)層位,在圖4(b)、圖5(b)、圖6(b)譜比法等值線剖面圖中用連續(xù)虛線表示,即土石界面,埋深約5 m～30 m,具體地層劃分見(jiàn)圖4～圖6。

圖4 L1測(cè)線物探成果剖面

圖5 L2測(cè)線物探成果剖面

圖6 L3測(cè)線物探成果剖面

4.2.2 高密度電法物探成果

高密度電法勘探深度雖然有限,但在淺層分辨率高,能夠準(zhǔn)確快速地探測(cè)一定深度范圍內(nèi)的節(jié)理裂隙密集帶、巖性接觸帶等的不良地質(zhì)體。L1測(cè)線高密度電法物探成果剖面中L1-84～L1-96段(80 m)視電阻率呈現(xiàn)近垂直條帶狀低阻異常,結(jié)合其他物探測(cè)線異常,推測(cè)為F3節(jié)理裂隙密集帶;L1-120～L1-158段(380 m)、L1-180～L1-194段(140 m)視電阻率相對(duì)兩測(cè)偏低,異常范圍較大,結(jié)合其他物探測(cè)線成果,物探推測(cè)存在條帶狀巖性接觸帶;L1-103和L1-170處附近存在兩個(gè)相對(duì)低阻的圈閉異常體,由于均處于山頂正下方,物探推測(cè)為地形引起的假異常,具體異?？臻g展布和物探成果見(jiàn)圖3～圖4(c)。

4.3 鉆孔對(duì)照與分析

根據(jù)物探解譯成果以及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)繪、區(qū)域地質(zhì)等資料,在隧道沿線共布置五個(gè)鉆孔(CS8、SS44～47)進(jìn)行驗(yàn)證,部分鉆孔巖芯照片見(jiàn)圖7。

圖7 鉆孔巖芯照片(部分)

根據(jù)SS44鉆孔揭示,該鉆孔45 m～60 m段巖芯破碎,發(fā)育有節(jié)理密集帶,與物探推測(cè)的F2節(jié)理裂隙密集帶位置和埋深相符,見(jiàn)圖7(a)。

根據(jù)SS45鉆孔揭示,巖芯整體較破碎,與物探推測(cè)的F3節(jié)理裂隙密集帶范圍相符(圖7(b))。

根據(jù)CS8、SS46、47鉆孔揭示,巖芯局部較破碎,花崗巖與凝灰熔巖呈交互狀發(fā)育,存在明顯的巖性接觸帶,與物探推測(cè)的條帶狀巖性接觸帶范圍相符(圖7(c)～圖7(h))。以上鉆孔揭露的異常情況與物探推測(cè)的結(jié)果基本一致,充分說(shuō)明了直線型臺(tái)陣微動(dòng)技術(shù)的有效性。

由于鉆孔位置與物探測(cè)線存在一定的距離(10 m～30 m),無(wú)法直接驗(yàn)證H/V譜比法推測(cè)的基巖面埋深的準(zhǔn)確性,但根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)以及鉆孔揭示,基巖面起伏與物探推測(cè)的成果基本一致。

5 結(jié)論及建議

筆者以德化縣某項(xiàng)目隧道勘察為例,介紹了直線型臺(tái)陣微動(dòng)技術(shù)的原理、野外工作方法及數(shù)據(jù)處理流程,同時(shí)論述其良好的應(yīng)用效果。具體結(jié)論及建議如下:

1)通過(guò)多條平行測(cè)線以及綜合物探方法,得到的物探成果具有高度相似性,說(shuō)明方法和數(shù)據(jù)是可靠、有效的。

2) 物探成果表明節(jié)理裂隙密集帶和巖性接觸帶由于破碎、富水,導(dǎo)致與圍巖的相速度、電阻率有明顯差異,在成果剖面圖(圖4～圖6)中表現(xiàn)為低速、低阻異常區(qū),經(jīng)鉆孔、地質(zhì)調(diào)查驗(yàn)證,不良地質(zhì)體展布情況與物探解譯成果一致。

3) 對(duì)于隧道土石界面的劃分,主要是通過(guò)H/V譜比法來(lái)推斷,結(jié)果與鉆孔、地質(zhì)調(diào)查基本一致,能夠基本滿足勘探精度要求。

4)通過(guò)算法的優(yōu)化、對(duì)地形突變地把控,直線型臺(tái)陣微動(dòng)技術(shù)基本能夠克服高壓線、地形等影響,探測(cè)深度與排列長(zhǎng)度成正比。

5)直線型臺(tái)陣滾動(dòng)重復(fù)采集方式符合線路勘察的特點(diǎn),僅需通過(guò)采集排列數(shù)據(jù),就能獲取該排列下方的頻散曲線和H/V曲線等多個(gè)核心參數(shù)剖面數(shù)據(jù),進(jìn)行聯(lián)合解譯,獲得地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)和土石界面成果。

因此,直線型臺(tái)陣微動(dòng)技術(shù)具有較高的勘察效率和較低的勘探成本,結(jié)合工程實(shí)例,說(shuō)明其在隧道勘察中能夠取得較好的地質(zhì)效果,可推廣應(yīng)用。