直線型臺陣微動技術在隧道勘察中的應用研究

傅慶凱

(福建省交通規劃設計院有限公司,福州 350004)

0 引言

近年來,鐵路、公路建設飛速發展,其中隧道作為關鍵控制工程,其勘探質量直接影響工程的施工安全,因此加強隧道地質勘察是施工建設的重點,具有十分重要的意義。

我國對隧道的探測目前仍以鉆探方法為主,但鉆探不僅具有成本高、工期長等特點,還會對環境有影響。隨著節能減排,低碳環保制度的深入貫徹,綠色地質勘察代替傳統地質勘察工程,其中地球物理方法發揮的作用越來越大。常用的物探方法有:地震波法、電磁測深法、彈性波CT法、高密度電法、瞬變電磁場法等[1-7]。其中,微動探測技術易實施、高精度、不需要人工震源等優勢使其在探測地下空間結構,了解巖土層的基本構成等方面發揮了重要作用,不僅能夠節約高額的鉆探費用,還能明顯地縮短工期,降本增效,綠色低碳環保,具有重大的經濟和社會效益。

我國的微動探測技術起步比較晚,上世紀八九十年代,王振東和冉偉彥才[8]第一次將這種方法引進到中國;徐佩芬等[9]論述微動探測作為地層分層和隱伏斷裂構造探測的物探新方法;劉宏岳等[10]介紹其在福州地鐵1號線多個盾構區間孤石探測的成功案例,說明微動探測方法在城市復雜的環境條件下孤石探測方面具有良好的應用效果;李文倩等[11]利用H/V譜比法計算各場點場地卓越頻率,成功回歸擬合了場地卓越頻率與覆蓋層厚度的關系;張若晗等[12]對濟南中心城區的土石分界面展開研究,說明微動H/V譜比法在城市強干擾環境中確定土石分界面深度提供了快速準確的解決方案。

現在微動探測技術更多是用于探測地下橫波速度結構[13-15]和預測覆蓋層厚度[16-20],但我國目前在隧道勘察領域微動探測技術的研究上整體比較落后,生產單位則更加薄弱,尤其是H/V譜比法方向沒有什么進展。

1 直線型臺陣微動技術

直線型臺陣微動技術是基于ESPAC法和H/V譜比法的方法理論,通過直線型臺陣滾動重復采集方式,獲取頻散曲線和H/V曲線等剖面數據,進行聯合解譯,獲得地下地質結構。

1.1 拓展空間自相關法的基本原理

拓展空間自相關法(ESPAC:Extended spatial autocorrelation)的原理與傳統的空間自相關法(SPAC)基本一樣,它是基于陣列設備采集地面微動信號,通過數學計算及相關的數字處理技術提取其垂直分量中面波信號(主要為瑞雷波)的相速度頻散曲線,進而推斷其地質結構的一種地球物理探測方法。

根據Aki的理論假設,推導出空間自相關系數可以用零階貝塞爾函數表示,即:

(1)

式中:ρ為自相關系數;r為兩個檢波器的距離;ω為角速度;ω=2πf;S12為兩個檢波器的互功率譜;S11與S22分別為兩個檢波器的自功率譜;c為瑞雷波相速度;J0為第一類零階貝塞爾函數。

1.2 H/V譜比法的基本原理

如果場地為堅硬平坦(或基巖)的理想場地,理論上可以認為該場地并不會在某一頻段或某一方向上放大地震反應,即每一個頻段,每一個方向上的振動應該是大致相同的。但對于存在覆蓋層的一般場地而言存在波阻抗界面,界面水平方向地震動存在放大效應,豎向地震動并沒有顯著放大,那么通過水平和豎向地震動的功率譜之比,則可以實現場地地層地劃分。

微動數據的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關系,從統計學角度分析,根據大量的調研以及工程實例,可以認為,當樣本越多,越靠近真實情況,可擬合出二者的函數關系。據此,可根據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,這和很多應用結果相符。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。通過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為覆蓋層加權平均剪切波速度(m/s)。

2 野外工作方法及數據處理

ESPAC法精度雖然略微遜色于SPAC法,但它克服了SPAC法臺陣布設受限的缺點。因此,我們采用基于ESPAC方法理論的直線型臺陣滾動重復采集方式,不僅臺陣布設方式簡單,外業效率明顯提高,橫向分辨率也大大提高,而且更符合公路線路勘察的需求。與傳統的SPAC法不同的是:需要將直線型臺陣按一定規則,抽道、組合成若干個小排列,同時保證每個小排列均是相同時間序列。

假設單個排列的檢波器數量為n,滾動檢波器數為m,抽道、組合得到小排列數為m,每個小排列檢波器數量為k(k=n-m+1),再將每個小排列單獨采用ESPAC方法進行數據處理,獲得小排列中心點的頻散曲線,最后將每個小排列獲得的m條頻散曲線按坐標組合成剖面,而傳統的SPAC法僅能獲得單點頻散曲線。因此,通過直線型臺陣滾動重復采集方式,創新的由剖面代替單點,橫向分辨率顯著提高,同時類似高密度電法一樣,排列越長,檢波器越多,解譯深度大大提高。具體工作裝置布置圖見圖1,以單個排列有12個檢波器,每次滾動5個檢波器為例。數據處理流程見圖2。

圖1 工作裝置布置圖

圖2 工作流程圖

3 工程概況

筆者以德化縣某項目隧道勘察為例,論述直線型臺陣微動技術在隧道勘察中的應用研究。該隧道位于泉州市德化縣城郊,隧道長為1.85 km,屬于長隧道,地貌上總體屬于低山丘陵地貌區,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,地形較復雜。山間谷地地形呈階梯狀分布,現狀多水田、村莊分布。

從物性特征來看,測區覆蓋層與下伏中風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,本場地具備開展微動測試的物理前提。通過H/V譜比法,則可以實現場地地層的劃分。

4 物探工作布置及異常成果解釋

4.1 物探工作布置

本次任務主要是運用綜合物探與鉆孔驗證相結合,查明隧道沿線可能存在的不良地質情況。在選擇物探方法時,因隧道沿線分布三條高壓線,且隧道最大埋深約180 m,不宜采用電磁類的物探方法,所以采用抗干擾的直線型臺陣微動技術,同時在部分淺埋段采用高密度電法,相互驗證,共布置三條物探測線(L1～L3),具體地形、物探布置平面如圖3所示,各測線采用的物探方法、測點范圍、長度、工作參數情況見表1。

表1 物探工作量表

圖3 物探測線平面圖

4.2 異常成果解釋

4.2.1 直線型臺陣微動技術物探成果

縱觀L1～L3測線直線型臺陣微動技術物探成果剖面,發現測線間相速度分布情況基本一致,說明數據的可靠性。

1)節理裂隙密集帶。相速度分布整體呈現上低下高的趨勢,依據相速度大小、等值線下凹等情況,結合地形、地質調繪和測線間的相對位置,物探推測了三條節理裂隙密集帶F1～F3,具體異常空間展布和物探成果見圖3～圖6。

2)巖性接觸帶。L2測線物探成果剖面中L2-93～L2-133段(400 m)、L3測線物探成果剖面中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,而區域地質顯示在該異常附近存在花崗巖與凝灰熔巖的巖性接觸帶,結合L1測線高密度電法成果,綜合分析,物探推測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,導致該處物探成果呈現低速、低阻的異常形態,具體異常空間展布和物探成果見圖3～圖6。

3)土石界面。對于隧道土石界面的劃分,主要是通過H/V譜比法來推斷,以微動譜比法峰值頻率與土石界面的關系以及峰值非連續的斷點異常為依據,一般認為譜比法值頻率通過深度轉換后,對應的深度即土石界面的深度。因此,采用連續追蹤譜比法最大值的方式(類似地震法追蹤同相軸),均存在一條比值大于2的連續層位,在圖4(b)、圖5(b)、圖6(b)譜比法等值線剖面圖中用連續虛線表示,即土石界面,埋深約5 m～30 m,具體地層劃分見圖4～圖6。

圖4 L1測線物探成果剖面

圖5 L2測線物探成果剖面

圖6 L3測線物探成果剖面

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,能夠準確快速地探測一定深度范圍內的節理裂隙密集帶、巖性接觸帶等的不良地質體。L1測線高密度電法物探成果剖面中L1-84～L1-96段(80 m)視電阻率呈現近垂直條帶狀低阻異常,結合其他物探測線異常,推測為F3節理裂隙密集帶;L1-120～L1-158段(380 m)、L1-180～L1-194段(140 m)視電阻率相對兩測偏低,異常范圍較大,結合其他物探測線成果,物探推測存在條帶狀巖性接觸帶;L1-103和L1-170處附近存在兩個相對低阻的圈閉異常體,由于均處于山頂正下方,物探推測為地形引起的假異常,具體異常空間展布和物探成果見圖3～圖4(c)。

4.3 鉆孔對照與分析

根據物探解譯成果以及現場地質調繪、區域地質等資料,在隧道沿線共布置五個鉆孔(CS8、SS44～47)進行驗證,部分鉆孔巖芯照片見圖7。

圖7 鉆孔巖芯照片(部分)

根據SS44鉆孔揭示,該鉆孔45 m～60 m段巖芯破碎,發育有節理密集帶,與物探推測的F2節理裂隙密集帶位置和埋深相符,見圖7(a)。

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

根據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育,存在明顯的巖性接觸帶,與物探推測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的結果基本一致,充分說明了直線型臺陣微動技術的有效性。

由于鉆孔位置與物探測線存在一定的距離(10 m～30 m),無法直接驗證H/V譜比法推測的基巖面埋深的準確性,但根據以往經驗以及鉆孔揭示,基巖面起伏與物探推測的成果基本一致。

5 結論及建議

筆者以德化縣某項目隧道勘察為例,介紹了直線型臺陣微動技術的原理、野外工作方法及數據處理流程,同時論述其良好的應用效果。具體結論及建議如下:

1)通過多條平行測線以及綜合物探方法,得到的物探成果具有高度相似性,說明方法和數據是可靠、有效的。

2) 物探成果表明節理裂隙密集帶和巖性接觸帶由于破碎、富水,導致與圍巖的相速度、電阻率有明顯差異,在成果剖面圖(圖4～圖6)中表現為低速、低阻異常區,經鉆孔、地質調查驗證,不良地質體展布情況與物探解譯成果一致。

3) 對于隧道土石界面的劃分,主要是通過H/V譜比法來推斷,結果與鉆孔、地質調查基本一致,能夠基本滿足勘探精度要求。

4)通過算法的優化、對地形突變地把控,直線型臺陣微動技術基本能夠克服高壓線、地形等影響,探測深度與排列長度成正比。

5)直線型臺陣滾動重復采集方式符合線路勘察的特點,僅需通過采集排列數據,就能獲取該排列下方的頻散曲線和H/V曲線等多個核心參數剖面數據,進行聯合解譯,獲得地下地質結構和土石界面成果。

因此,直線型臺陣微動技術具有較高的勘察效率和較低的勘探成本,結合工程實例,說明其在隧道勘察中能夠取得較好的地質效果,可推廣應用。