微動探測方法在城市地鐵盾構施工“孤石”探測中的應用——以福州地鐵1號線為例

劉宏岳， 黃佳坤， 孫智勇， 宗全兵

(1. 福建省建筑設計研究院， 福建 福州 350001； 2. 福州市城市地鐵有限責任公司， 福建 福州 350001)

微動探測方法在城市地鐵盾構施工“孤石”探測中的應用
——以福州地鐵1號線為例

劉宏岳1， 黃佳坤1， 孫智勇2， 宗全兵2

(1. 福建省建筑設計研究院， 福建 福州 350001； 2. 福州市城市地鐵有限責任公司， 福建 福州 350001)

孤石在我國南方花崗巖地區(qū)普遍存在，其分布無明顯規(guī)律，形狀各異，強度可達到100 MPa以上。福州地鐵1號線在施工過程中遇到了孤石問題，盾構區(qū)間范圍內的孤石如果沒有提前查明并處理，會給盾構施工造成重大不利影響和安全隱患。采用微動探測方法有效解決了福州地鐵1號線的孤石問題，運用微動探測成果結合少量鉆孔驗證進行盾構施工的安全性分析，為盾構施工提供指導。簡要闡述了微動探測方法的基本原理，介紹其在福州地鐵1號線多個盾構區(qū)間孤石探測的成功案例，說明微動探測方法適用于城市復雜的環(huán)境條件，在盾構施工孤石探測方面具有良好的應用效果。

微動探測； 福州地鐵； 盾構施工； 孤石

0 引言

花崗巖風化土中的球狀風化核，俗稱“孤石”，主要由不易風化的石英礦物形成石英角礫質殘留核(球狀風化核)組成，在我國南方燕山期花崗巖發(fā)育地區(qū)普遍存在，其形狀各異，大小從幾十厘米到幾米不等，強度可以達到100 MPa以上[1-2]。孤石會給地鐵施工帶來極大風險，盾構掘進中若遇到未探明的孤石，經常會嚴重損壞盾構，甚至會造成噴涌、塌方等意外情況；被動地處理孤石可能會造成環(huán)境破壞、工期延誤、路面交通堵塞和投資控制的不確定性增大等問題，造成的損失往往是巨大的。因此，在盾構施工開始之前探明孤石非常有必要。

孤石探測方法一般分為鉆探和地球物理2大類。由于孤石的發(fā)育無規(guī)律性，埋藏及分布較為隨機，很難通過地質鉆探查明其分布情況。雖然通過加密鉆孔可以提高發(fā)現孤石的概率，降低工程風險，但受成本和場地條件等限制，鉆探常常難于實施；同時，在城市道路中往往存在密集分布的電力、電信、雨水、污水、燃氣和路燈的地下復雜管道等障礙物，鉆探本身就具有很高風險[3]。因此，尋求一種適應城市復雜環(huán)境的地球物理方法來探測孤石勢在必行。

城市地鐵盾構施工孤石探測是公認的技術難題，如廣州地鐵建設中針對孤石的專題研究，采用十余種物探方法，由于地鐵建設所處的城市綜合環(huán)境復雜，電磁波類方法受城市復雜電磁背景干擾嚴重，常規(guī)地震方法及電法類受城市狹小地面空間和復雜地表情況影響較大，各類跨孔CT方法雖有一定效果，但也受到孔間距等影響，諸多物探方法均達不到預期效果[4-10]。

福州地鐵1號線的盾構施工同樣遇到了孤石問題[11]，對此，采用微動方法解決了孤石探測這一技術難題。這里介紹福州地鐵1號線幾個盾構區(qū)間孤石探測的成功案例，希望可對類似工程提供參考。

在世界上不同的地區(qū)和國家，微動有不同的名稱。在美洲，稱為被動源面波(Passive Surface Wave)；在日本，稱為微動(Microtremor)；而在歐洲則是環(huán)境隨機振動(Ambient Vibration)；在我國，有時又叫作天然源。盡管名稱各異，但實質相同。如今，在美洲、歐洲和日本等地區(qū)和國家，微動探測方法在無損檢測和場地地震評價中的應用日益廣泛，但運用于淺地表工程領域的孤石探測基本沒有。國內徐佩芬等[12-14]在這方面開展了比較多的研究工作，成功將微動方法應用于探測地熱斷層、煤炭陷落柱等中深部勘探以及巖土工程尺度的城市地鐵勘察；在深圳地鐵7號線采用微動方法得到2個剖面共19個勘探點的速度，并對可能存在的花崗巖孤石進行劃分，但未見鉆探驗證資料。總體而言，微動探測方法在巖土工程方面的應用較少，在國內尚處于起步階段。

1 微動與微動勘探

地球表面存在一種微弱波動，它源于自然界和人類的各種活動。自然界中的風、潮汐、氣壓變化和火山活動等都會產生振動，而人類活動產生的振動包括車輛移動、工廠機械運行，甚至人的行走等。所有這些振動的能量都以波的形式向遠處傳播，其中含有各種體波，但能量傳播的主要形式是面波，因此微動方法也可以稱為被動源面波法。

微動震源通常分為2大類——自然現象和人類活動，以對應震源的不同頻段。低頻段信號反映深部地層信息，而巖土工程尺度的探測主要使用高頻段的信號，如孤石探測要求的深度較淺，其震源主要為測點附近數百米內的交通和機器振動。當震源距離臺陣較近時，微動波場包含體波和面波；當震源距離臺陣較遠時，面波則為主要傳播形式。

微動是一種由體波(P波和S波)和面波(Rayleigh波和Love波)組成的復雜振動，并且面波的能量占信號總能量的70%以上，大部分的能量以基階模式傳播。垂直分量檢波器僅能探測到Rayleigh面波，水平分量的檢波器能同時探測Rayleigh面波和Love面波。盡管微動信號的振幅和形態(tài)隨時空變化而發(fā)生變化，但在一定時空范圍內具有統(tǒng)計穩(wěn)定性，可用時間和空間上的平穩(wěn)隨機過程描述。微動探測就是以平穩(wěn)隨機過程理論為依據，從微動信號中提取面波(Rayleigh波)的頻散曲線，通過對頻散曲線的反演，獲得地下介質的橫波速度結構[15]。

2 微動探測工作原理簡介

微動探測是一種基于微動臺陣探測的地球物理探測方法。微動探測工作原理如圖1所示，采用臺陣(圓形臺陣或者內嵌三角形臺陣等)布置方式進行信號采集，運用空間自相關(SPAC)算法[16]或頻率波數域(F-K)算法[17]從各測點微動臺陣記錄中提取Rayleigh波頻散曲線，然后直接繪制相速度等值線圖，或者計算視S波速度vx，再經插值光滑計算獲得二維視S波速度剖面。相速度等值線圖或者視S波速度剖面均能客觀且直觀地反映地層巖性變化，是地質解釋的基本依據。本文中案例采用高分辨率頻率波數域(HRFK)算法。

圖1 速度剖面獲取流程圖

在實際計算中，將臺陣微動信號劃分為多個時間窗，用HRFK法計算各個時間窗和不同頻率對應的慢度(速度的倒數)，統(tǒng)計所有時間窗的慢度概率分布，舍棄誤差大且明顯偏離頻散曲線形態(tài)的點，求出各個頻率的慢度平均值，即頻散曲線。

福州地鐵1號線隧洞直徑為6.2m，一般采用半徑為2.5～3m的正五邊形陣列[18]，如圖1觀測臺陣，每個圓形陣列由放置于正五邊形頂點和中心點的6個檢波器和數據采集系統(tǒng)組成，按5m測點間距逐點進行，以形成二維剖面觀測，觀測陣列可基本覆蓋整個隧洞范圍?，F場測試儀器可采用地震儀與2Hz三分量檢波器通過電纜連接方式同步采集振動信號，也可以采用一體化數字地震儀采集，后者采用無線連接方式，通過GPS授時功能實現各臺地震儀的同步信號采集。

微動方法探測“孤石”以孤石與周圍風化土體的速度差異為地球物理前提，在測試成果形成的速度剖面上圈定高速異常區(qū)域，并通過鉆孔驗證直接揭露孤石或者起到排除孤石的作用。

3 福州地鐵1號線微動探測案例

福州地鐵1號線采用微動方法探測盾構施工不良地質體，共完成探測長度超過8km，1 600多個臺陣測點，根據微動探測成果共提出驗證鉆孔96個，實際完成驗證鉆孔78個，其中揭露孤石20個，揭露基巖凸起16個，發(fā)現巖脈6處，驗證鉆孔揭露的最小孤石40cm。根據鉆孔的驗證結果，進行盾構掘進施工的安全性分析，劃分出盾構施工的危險區(qū)、警示區(qū)和安全區(qū)，對盾構施工起到指導作用。從探測成果來看，微動探測取得了理想的效果。

在驗證的78個鉆孔中，41個孔發(fā)現不良地質體(包括孤石、基巖凸起、巖脈和注漿混凝土塊)，準確率53%，若扣除茶瓶站—達道站區(qū)間18個孔，其他區(qū)間的不良地質驗證準確率高達68%。茶瓶站—達道站區(qū)間異常實際驗證的結果主要為紅黏土地層，該地層速度高，出現地層速度倒轉。

福州地鐵1號線目前微動探測區(qū)域已全部完成洞通，福州地鐵公司反饋微動劃分的安全區(qū)100%準確，微動成果未漏過直徑大于1m的孤石，危險區(qū)域經施工單位的提前處理和施工預案，未出現盾構卡住的現象。

以下介紹福州地鐵1號線新店出入段、屏山站—東街口站區(qū)間和達道站—上藤站區(qū)間3個盾構區(qū)間的不良地質體微動探測案例。

3.1 案例1： 新店出入段

圖2為新店出入段入段線RDK1+700～+500視S波速度剖面圖，其中平行雙實線為隧道洞身范圍，結合詳勘資料，隧道洞身上方速度明顯偏高的土體推斷為碎卵石層，厚度為5m到7m多不等。新店出入段為福州地鐵1號線最早采用微動技術探測的一個試驗段，盾構在前期施工中發(fā)現一些異常，在盾構前方200m區(qū)域進行探測。洞身范圍內RC13—RC21測點表現為較大范圍土體速度明顯偏高，推斷為碎卵石層深入到隧道洞身范圍。由于施工工期緊，且場地條件不允許，未進行鉆孔驗證和處理，盾構掘進過程中在RC13—RC20遇到孤石(大粒徑碎卵石)被卡住。圖3為該段盾構掘進中所取孤石巖芯樣本(照片由施工方提供)，孤石已被盾構攪碎，能夠順利取出，取出的孤石最大直徑為53cm。

圖2 新店入段線RDK1+700～+500視S波速度剖面圖

(a)(b)

圖3 孤石巖芯樣本

Fig. 3 Photos of boulder core samples

3.2 案例2： 屏山站—東街口站區(qū)間

該區(qū)域地質資料顯示場地基巖巖性主要為花崗巖，局部地段輝綠巖呈脈巖狀產出。圖4中屏山站—東街口站區(qū)間下行線里程XK7+840～XK8+610完成探測長度770 m，臺陣測點共155個，圖4中紅色點線為隧道的洞身范圍(根據各頻點的面波半波長穿透深度推算)。根據地質資料和驗證鉆孔揭露巖性，推斷圖中速度較大的4處地方應為后期侵入的巖脈，但風化程度有所不同。

圖4 屏山站—東街口站XK7+840～XK8+610面波相速度等值線圖

根據探測成果剖面可知，該剖面共布置6個異常驗證鉆孔，實際完成5個，驗證結果見表1。

表1 鉆孔驗證結果

其中,X4揭露厚度達4 m的孤石;X7揭露基巖侵入隧道洞身；X34揭露碎塊狀；X13驗證孔由于交通原因，鉆孔位置偏離較遠。值得注意的是測點X100驗證孔洞身范圍內未揭露異常，但在同一個微動臺陣范圍內，靠近X99測點補充驗證孔洞身范圍揭露到孤石，孤石厚6.5 m。所布鉆孔均位于4處巖脈中，其余區(qū)段無明顯速度異常，直接列為盾構掘進的安全區(qū)，該段盾構隧道現已貫通，隧道其余位置未出現妨礙盾構掘進的孤石，安全區(qū)的準確度達100%。

3.3 案例3： 達道站—上藤站區(qū)間

圖5為達道站—上藤站區(qū)間下行線XK12+415.81～+609.81面波相速度等值線圖，圖5中紅色點為根據各頻點的面波半波長穿透深度推算的隧道頂底深度范圍，根據該剖面成果，共布置5處驗證鉆孔。

其中X2和X8驗證鉆孔揭露花崗巖孤石，厚度分別為0.4 m和1.9 m，見圖6，其余鉆孔未見異常。

圖5 達道站—上藤站XK12+415～+710面波相速度等值線圖

(a)X2(b)X8

圖6 X2和X8驗證孔巖芯照片

Fig. 6 Testifying borehole core samples of X2 and X8

綜合探測成果剖面和鉆孔驗證結果，對該段進行盾構掘進的安全性分析，針對揭露孤石的X2和X8位置附近應進一步查明孤石的大小和分布位置，XK12+415.81～+455列為盾構掘進的危險區(qū)，剩余區(qū)段XK12+455～+609.81，其中X1、X14和X22測點位置未揭露孤石，但能起到排除孤石可能性的作用，鉆孔驗證到的2處孤石位于強風化花崗巖地層中，X2孔孤石埋深17.0～17.8 m，在洞頂附近;X8孔孤石埋深20.6～22.5 m，在洞身范圍。孤石的尺寸相對埋深比例較小，前者為1∶21，后者1∶11，突破了常規(guī)物探方法徑深比1∶10的限制，分辨率也遠超常規(guī)地震勘探四分之一波長的限制。達道站—上藤站區(qū)間在下行線探測到的異常驗證到的最小孤石為40 cm。

4 結論與討論

微動探測有效利用環(huán)境噪聲，并從中獲取面波的頻散特性以推斷地下速度結構，這使得微動探測技術非常適用于城市的復雜環(huán)境，市區(qū)繁忙的交通不僅不影響觀測，還為淺層微動勘探提供了豐富的高頻信號源。微動探測不受場地條件限制，可在交通繁忙、建筑物密集、鉆探難于實施的鬧市區(qū)或地質信息盲區(qū)進行有效探測，是一種無損、經濟、高效的地球物理探測手段。微動探測與少量鉆孔結合，可以得到較精確的地下構造二維剖面，面波相速度等值線圖和視S波速度剖面能直觀顯示巖土層的縱、橫向變化，橫向速度對異常情況有明顯反映，可推斷劃分出盾構掘進位置正常地層與可疑孤石地層的界限，經少量鉆孔校正與驗證，可辨識出盾構施工掘進的安全區(qū)、警示區(qū)和危險區(qū)位置，以便提早處理孤石或準備施工方案。

微動探測對孤石異常有明顯的反映，孤石埋深估算較準確，一般說來孤石越大，速度異常也越明顯，但對孤石的大小、三維形態(tài)無法辨識。對于探測驗證到的孤石，目前施工單位常規(guī)做法仍采用鉆探以密間距確定邊界范圍，并結合孤石爆破一起處理，也有采用鉆孔孔間CT穿透確定異常孤石邊界[19]。由于孤石的尺寸相對臺陣面積一般較小，下一步的研究應考慮微動臺陣采用更多的檢波器確定孤石異常在臺陣中的位置。

微動探測成果劃分盾構施工的危險區(qū)、警示區(qū)和安全區(qū)綜合利用了相速度和H/V曲線2個參數，H/V曲線可以反映測點位置從淺部到深部的波阻抗變化規(guī)律，該部分的內容本文暫未涉及，以后將另文闡述。

微動探測對一定埋深的小尺度孤石異常有較好的反映，分辨率相當高，與常規(guī)地震勘探相比提高了一個數量級，筆者認為與微動探測利用眾多的震動源有關系，國內目前尚未見到這方面的文章，期待更多的同行進行這方面的研究。

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Application of Microtremor Method to Boulders Detection in Urban Metro Shield Construction: Case Study of Fuzhou Metro Line No.1

LIU Hongyue1, HUANG Jiakun1, SUN Zhiyong2, ZONG Quanbing2

(1. Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research, Fuzhou 350001, Fujian, China;2.FuzhouUrbanMetroCo.,Ltd.,Fuzhou350001,Fujian,China)

The boulders (spherical weathered granite) exist commonly in south China; and the compression strength of boulder can reach 100 MPa. The boulders occurred during shield tunneling of Fuzhou Metro Line No. 1, which would lead to potential safety risk. The microtremor method is adopted to detect the boulders of Fuzhou Metro Line No. 1. The application results are testified by borehole drilling. The working principle of microtremor detection method is introduced. The application results of the microtremor detection method to Fuzhou Metro Line No. 1 show that the above-mentioned method is reliable and effective in complex urban area.

microtremor detection; Fuzhou Metro; shield tunneling; boulder

2016-05-03;

2016-07-18

劉宏岳(1967—)，男，福建永泰人，1990年畢業(yè)于同濟大學，勘查地球物理專業(yè)，本科，教授級高級工程師，主要從事工程物探、地震數據處理研究及微動技術研究工作。E-mail: 475068460@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.12.014

U 45

A

1672-741X(2016)12-1500-07