微動勘探法在勘察項目中探測孤石的應用

中圖分類號：TU195 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)24-0148-04

Abstract:The micro-motion explorationmethod isused todetecttheorchardsandinterlayersinthesurveystage，andthe on-sitedrllingverfcationisused.Tecomparisonresultssowthatthemicro-motionexplorationmethodhasagoodffetin preliminarydetectionofthedistributionoforchardsandinterlayers，andtherebycanbeappliedinspecialsitesandconditions.

Keywords:micro-motion exploration; boulder; interlayer; survey； field drilling

隨著工程建設的發展，在房建領域高層建筑越來越多，基礎型式需采用樁基礎，目前福建地區主要應用的樁基礎型式為PHC預應力管樁、沖（鉆）孔灌注樁、旋挖樁。樁基礎設計及施工對勘察質量的要求越來越精細，且鉆探深度越來越深，大部分樁基需采用更深部的中風化巖層作為樁端持力層。目前，勘察方法主要為鉆探、坑探、原位測試、取樣及試驗，地質測繪、物探等，采用單一的鉆探僅能揭示單個鉆孔的地層情況，對鉆孔與鉆孔之間的地層起伏變化無法準確判斷，需要根據地質測繪或其他物探方法進行綜合判定。對于地層中存在的巖石風化核及軟弱夾層多的情況，成為樁基礎選型決定性因素。一般在詳細勘察階段僅對地層起伏坡度較大的區域進行勘察補孔，對于孤石及夾層分布較多的區域還需要進行施工勘察（超前鉆)，必要時進行單樁單孔的勘察工作，以查明樁身穿越孤石、夾層及樁端以下穩定持力層分布深度及厚度等數據，以指導設計及施工過程中打樁順利，確保樁基礎質量要求。

本文通過在詳細勘察階段根據設計布置的大口徑灌注樁樁位，先采用微動勘探法對場地范圍內可能存在的孤石及夾層進行判別，排除無孤石及夾層區域，在可能存在孤石及夾層的樁位進行補孔鉆探，以準確查明孤石分布的埋深、厚度，為施工圖設計階段基礎方案選型提供參考依據。

1項目概況

1.1 工程概況

擬建場地位于福清市龍江街道下梧村，福建師范大學福清分校南側，擬建場地分為2個地塊，其中1地塊位于霞樓街南側，2地塊位于1地塊南側，兩地塊之間為規劃的道路。1地塊擬建項目由5幢25—34F高層公寓（編號 1-1^#～1-5^#) 及1—2F附屬商業裙樓組成，并設-2F滿鋪地下室。2地塊擬建項目由6幢23—31F高層公寓（編號 2-1^#～2-6^#) 及1—2F附屬商業裙樓等組成，并設-2F滿鋪地下室，1地塊及2地塊總建筑面積約 312482m² 。擬采用樁基礎，擬建工程重要性等級為一級，基坑工程安全等級為一級，場地復雜程度等級為二級，地基復雜程度等級為二級，巖土工程勘察等級綜合判定為甲級。地基基礎設計等級為甲級，建筑樁基設計等級為甲級，建（構)筑物抗震設防類別為標準設防類（丙類）。

1.2 工程地質條件

場地地貌單元屬剝蝕準平原地貌單元，局部地勢低凹區域為沖洪積地貌單元，現狀為林地、菜地及空地。地勢呈緩坡狀，呈西高東低。根據區域地質資料，場地下無活動斷裂通過。該場地巖土層主要為第四系人工填土( 、沖積粉質黏土( Q₄^al) 、坡殘積成因土

L ，下部為燕山晚期二長花崗巖 (γπ₅^3b) 及其風化層，場地內局部侵入輝綠巖 (β₆) 及其風化層。場地主要巖土層為 ①_-1 素填土、 ①_-2 雜填土、 ①_-3 耕土、 ② 粉質黏土、 ③ (坡積)粉質黏土、 ④ 殘積砂質黏性土、 ⑤ 全風化二長花崗巖、 ⑥ 散體狀強風化二長花崗巖、 ⑦ 碎裂狀強風化二長花崗巖、 ⑧ 中風化二長花崗巖和 ⑨ 微風化二長花崗巖。場地巖石風化層中不均勻分布有孤石、風化殘留體等，基巖無洞穴、臨空面、軟弱巖層及破碎巖體。按福建省標準DBJ13-84—2006《巖土工程勘察規范》規定及參考廈門地區經驗，現場風化巖土層劃分界限按照標貫測試修正后擊數進行劃分：本項目殘積土層根據標貫測試擊數修正值 N^′<30 擊劃分；全風化巖層根據標貫擊數修正值 30?N^′<50 擊劃分；散體狀強風化巖層根據標貫擊數修正值 N^′? 50擊劃分。

1.3場地地質對樁基方案選擇分析

根據詳勘階段現場鉆探資料，本工程大部分區域地層分布穩定，不存在孤石及夾層，或零星分布于 ⑥ 散體狀強風化二長花崗巖層中下部。但在場地 1-1^# 樓及 1-5^# 樓區域大部分鉆孔有分布連串的孤石，且多分布于 ④ 殘積砂質黏性土、 ⑤ 全風化二長花崗巖、 ⑥ 散體狀強風化二長花崗巖層中上部，設計擬采用的PHC預應力管樁需穿越孤石及硬夾層進入下部 ⑥ 散體狀強風化二長花崗巖層，在孤石及硬夾層分布較多區域施工難度大，且目前也無較好的方法進行處理。故只能選擇可以穿透孤石及硬夾層的大口徑沖孔灌注樁或旋挖成孔灌注樁，樁端持力層選擇中(微)風化巖。根據建設單位要求，在詳勘階段初步探明孤石分布情況，為樁基設計選型及工程造價提供依據。在現場勘察未結束時根據已完成鉆孔地層資料及設計樁位圖，按擬設計的建筑物軸線方向布設微動勘探線4條，共完成微動勘探點52個，微動參考點15個，微動參考點為鉆探孔位旁。選擇樁位點先進行微動勘探，待微動勘探成果分析可能存在孤石的點位再進行補充鉆探進行驗證。

2微動勘探技術介紹

2.1 技術理論

微動瑞雷波勘探法（簡稱“微動勘探”）利用大地自身存在的一種微弱振動為震源，是一種天然場法。它利用大地微動中的長周波部分（周期大于1s），提取其頻散曲線，獲得一維橫波速度剖面，可以探查數十米至二三千米深度范圍內的地質構造。微動沒有特定的震源，振動波來自觀測點的四面八方，攜帶有豐富的地球內部信息[2。故一般也被稱為被動源面波勘探法。

微動勘探法利用的有效波為面波(瑞雷波)。面波是一種沿介質自由表面傳播的彈性波，巖土的面波傳播速度與剪切波速度基本相等，對于巖石，二者差別不超過 8% ，對于土體，二者只有 5% 左右的差別，因此可利用其相關性進行勘察。

面波勘察基于面波的如下特性： ① 在分層介質中，面波具有頻散特性； ② 面波的影響深度大致在一個波長以內，波長不同，穿透深度也不同，不同波長的面波反映不同深度的介質情況； ③ 面波傳播速度與剪切波速具有密切相關性。

微動勘探方法一般是對有效面波信號進行提取，對得到的數據進行有效的特定處理，有頻率波數法（簡稱F-K法）和空間自相關法（簡稱SPAC法）。頻率波數法是在頻率波數域中，一般當觀測到的微動信號中面波對其他波占有優勢時，使用該方法能求得一條相速度對頻率關系的比較光滑曲線。空間自相關法是1957年Aki為了研究地震波里所含有的各種類型的傳播特性，將隨機過程理論應用到地震圓形臺陣觀測的資料處理研究過程中，提出的一種資料處理方法。空間自相關法是假定微動由各向同性且來自各個方向的波組成，其基于以下原理： ① 微動這樣復雜的波動現象，可以假定為時間和空間上的平穩隨機過程；② 用圓形臺陣觀測到的微動數據可以用空間自相關系數來定義； ③ 空間自相關系數是相速度和頻率的函數3]。

視勘探目的不同，微動探測分為單點(測深)和剖面探測2種方式4，本次勘察采用微動剖面探測法，是一種基于微動臺陣探測的地球物理探測方法。工作原理如圖1所示。采用空間自相關法-SPAC法從微動臺陣記錄中提取瑞雷波頻散曲線，將剖面上各臺陣測點經插值光滑計算形成面波頻散速度等值線圖剖面，面波頻散速度等值線剖面能客觀、直觀地反映地層巖性變化，是地質解釋的基本依據。

該方法是一種基于微動臺陣探測的地球物理探測方法，與常規的物探方法相比具有諸多優勢： ① 無需人工震源； ② 對場地條件要求低； ③ 探測深度大；④ 橫向分辨率高； ⑤ 可在垂直和水平方向實現連續測量，與鉆探勘察方法相結合，可對工程場地實現“點\"\"面'綜合評價的效果，具有省時、高效、直觀及勘察效率高等特點。微動探測法(被動源面波)勘探技術日趨成熟，該方法在工程實踐中已取得了較好的效果。

圖1面波相速度剖面獲取流程圖

2.2 主要儀器設備

本次微動探測數據由EPS系列的一體化微功耗數字地震儀采集完成，設備包含6個 2Hz 的地震儀、方向控制板1片、羅盤1臺、鋼卷尺1把 .50m 皮尺1把和GPS-RTK測量儀器1臺，各自同步獨立采集數據。

3微動勘探現場試驗及數據處理分析

3.1微動勘探外業工作方法

本次外業工作根據設計單位提供的擬采用大口徑沖孔灌注樁樁位平面圖，并根據初步完成鉆孔地層資料，選擇在周圍可能存在孤石及夾層的樁位均勻布置微動勘探點，并選擇有代表性的鉆孔附近進行微動勘察，作為后期數據分析參考依據。初步布設微動勘探點52個。

本次微動探測的觀測系統采用五邊形陣列（除中心點外，其他5個測點均勻分布在圓周上），每個圓形陣列由五角形頂點和中心點的地震儀組成，五角形頂點到中心點的距離稱為觀測半徑 R 。本次觀測圓形陣列，每個角點到中心點距離基本一致，一般半徑采用1.5～2.5m 。數據正式采集之前，對地震儀進行采集參數設置。在儀器放置到位，確保進入正常工作狀態后，盡量保持周圍環境相對安靜，以利有效記錄數據。實際施工時按照設計的觀測系統沿測線逐點進行觀測，單點每次觀測時間為 10～20min ，觀測結束后將整個臺陣移動到下一個探測點觀測。測點地表主要為素填土、(坡積)粉質黏土，場地條件總體較好，但部分測點受植被及現場條件限制影響，臺陣位置作適當調整。

3.2數據處理及成果解釋

微動數據處理一般流程為根據現場采集數據，先對6個采集儀收集數據匯總，并進行異常數據分析剔除，利用頻率波數法(F-K)和空間自相關法(SPAC）提取面波相速度頻散曲線及自相關系數曲線。利用譜比法計算各點臺陣的頻率(H/V）水平/垂直)曲線，利用傅里葉函數變換計算出各臺陣功率譜曲線，能量譜占比曲線，并采用數據擬合形成頻散曲線與深度的關系。繪制剖面等值線圖和測點曲線圖，根據現場微動勘探點鉆探參考地層進行綜合分析解釋，形成巖土地層剖面圖。

微動地層分層及中風化核判定主要依據面波頻散速度等值線圖結合H/V比值等值線圖、鉆孔資料進行分析。在頻率相速度等值線圖中，風化殘留體表現為 Vr 高速異常；在頻率自相關系數等值線圖中，風化殘留體表現為自相關系數高值異常；在頻率H/V比值等值線圖中，風化殘留體表現為凸起、多峰異常[。

面波及體波傳播至地下橫向異質體時會產生繞射和散射，微動數據處理時這些繞射和散射波也同時進行了處理，從而會產生對面波頻散曲線的擾動，由于體波在繞射和散射中占比較大，這種對面波頻散曲線的擾動大多數情況為高速異常；同時，存在橫向異質體會使H/V曲線形態發生些許的變化，在等值線圖表現為小的圈閉或未封口的圈閉形態。

微動資料成果解釋以面波視層速度彩色剖面圖、H/V比值等值線圖、鉆孔資料等為基礎。通過面波視層速度與鉆孔資料的對比，確定了本場地主要巖土層與面波視層速度 (V_X) 的對應關系(表1）。

表1場地主要巖土層和面波視層速度對應關系

通過分析表1的對應關系，根據測點間的層速度變化趨勢進行推斷分層，最終繪制出4條測線H/V等值線圖、面波頻散速度等值線圖、面波視層速度剖面圖、面波成果解釋剖面圖，及各點對應的面波頻散曲線圖。

4鉆探驗證分析

因微動勘探數量較多，揭露可能存在孤石點數量較多，根據微動勘探選擇有代表性的7個微動勘探點進行鉆探以查看孤石分布情況，最終實際驗證鉆孔位置及驗證結果： W10，W20，W25，W29，W33，W44 和W50均揭露孤石，且多處出現連串孤石分布。同時選擇W37無孤石區域代表性驗證W37未揭露孤石，驗證結果較為理想。

從驗證結果可以得出，微動勘探方法可以作為探測中風化孤石的輔助參照方法，可在一定范圍內對地下是否存在中風化孤石提供相對有效的判斷，但對中風化孤石的埋深及大小還需結合相關地質資料及鉆探揭示地層情況，并結合微動勘探法解析的孤石發育層位特征進行綜合判斷。雖然本次探測對已發現的孤石孔位進行了埋深分析，但實際可能存在一定的誤差。微動勘探方法孔位若發現多個孤石，則本孔位存在中風化孤石的概率將較大，比如W1、W3、W10，W11、W12、W14、W15、W20，W25，W26、W29，W30、W32、W33、W34、W35、W39、W44、W45和W50在進行基樁施工時應特別注意。按照一定的工作布置順序，可先行采用微動勘探進行孤石區域篩選分析，可減少大范圍的鉆孔探測孤石工作，有效減少工作量及縮短工期。

微動勘探探測孤石數量統計：結合 1-1^# 樓及 1-5^# 樓的全部物探點來觀察，主要在其中兩棟樓位置，揭露到明顯存在孤石特征的有20個點位，占全部探測點的 38% ；存在孤石特征有： 1-1^# 樓有孤石特征為22個，全部測試點26個，占比 85%;1-5^# 樓有孤石特征為23個，全部測試點為26個，占比為 88% 。

鉆探揭露孤石數量統計：結合 1-1^# 樓及 1-5^# 樓詳勘階段的全部鉆孔地層資料來觀察， 1-1^# 樓揭露有孤石分布的勘探點有10個，勘探點數量為10個，孤石揭示比例為 100%;1-5^# 樓揭露有孤石分布的鉆孔有13個，勘探點數量為15個，孤石揭示比例為 87% 。

5 成果應用分析

根據現場鉆探結合微動勘探，本工程 1-1^# 樓及1-5^# 樓存在明顯數量多、大小及分布不均勻的孤石，且主要集中分布于全風化二長花崗巖及散體狀強風化二長花崗巖層中，采用PHC預應力管樁不易穿越孤石層進人樁端持力層，且引孔難度很大，故不建議設計單位采用PHC預應力管樁基礎方案。而建議采用具有較強的穿透能力，單樁承載力大的沖孔灌注樁。建議亦可選擇功率大、扭矩大的設備旋挖成孔灌注樁，并能夠穿越孤石、硬核夾層等設備，確保成孔成功率。且樁基方案也得到設計及建設單位的認可，最終確定采用旋挖成孔灌注樁基礎方案。

而對于場地存在孤石殘留體，建議施工時應注意鑒別未鉆探區域可能存在的孤石及風化巖殘留體，避免誤判，并采取有效措施穿越，確保樁端全斷面進入持力層深度滿足設計要求。另外，本次勘察階段為詳細勘察，考慮到場地孤石多，本階段工作任務無法探測所有樁位孤石分布，建議建設單位在根據物探成果資料基礎上對本次微動勘探揭示的可能存在孤石樁位進行施工勘察，并對剩余未進行探測孤石的樁位采用先微動勘探進行孤石樁位篩選，再進行施工勘察鉆探，以查明場地孤石詳細情況，指導樁基施工工作。

6 結束語

本次勘察采用的微動勘探法是一種原位勘察手段，微動勘探方法探測中風化孤石對勘察工作有一定的指導意義，按照一定的原則可以定性對測點下是否存在中風化孤石進行判斷。但對孤石的深度還需要結合工程具體地質環境，孤石的發育層位特征進行判斷。本次探測也對每個孔位孤石進行了深度的確定，實際可能存在一定的偏差，但如果孔位上存在有3個及以上孤石時，那么本孔遇到孤石的可能性非常大。對于有孤石分布場地可采用少部分鉆探基礎上先進行微動勘探對大范圍的場地孤石分布區域篩選，根據微動勘探成果選擇孤石分布位置，再進行補充鉆探或施工勘察鉆探（超前鉆），有效指導建筑物基礎設計方案及樁基施工工作。

參考文獻：

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