二維微動(dòng)探測(cè)技術(shù)在廣州地鐵十八號(hào)線番南區(qū)間的應(yīng)用研究

雷鋒國(guó)

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300222)

微動(dòng)探測(cè)方法因采用天然源的綠色環(huán)保特性，抗電磁干擾、振動(dòng)干擾能力強(qiáng)，儀器設(shè)備輕便、探測(cè)方便等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，適用于城市區(qū)域強(qiáng)干擾環(huán)境下的地質(zhì)勘察。目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者和公司開(kāi)展了微動(dòng)探測(cè)的理論、應(yīng)用研究及技術(shù)服務(wù)，在地?zé)豳Y源勘察、地?zé)峋贿x址，煤礦采區(qū)構(gòu)造，城市地質(zhì)基巖面探測(cè)、活斷層調(diào)查，地鐵地質(zhì)勘察土石界面、巖溶、空洞、斷裂構(gòu)造、孤石等工作中，取得了一批具有工程應(yīng)用價(jià)值的探測(cè)成果[1-5]。微動(dòng)探測(cè)技術(shù)現(xiàn)已成為城市地質(zhì)調(diào)查、工程地質(zhì)勘察的重要物探手段，受到業(yè)界廣泛關(guān)注與好評(píng)。

本文采用小臺(tái)陣二維微動(dòng)剖面探測(cè)方法，在廣州地鐵18號(hào)線番南區(qū)間不能實(shí)施鉆探的地方開(kāi)展微動(dòng)探測(cè)工作，探明了地面以下40 m范圍內(nèi)土巖界面起伏、巖性變化及軟弱巖體，為大直徑盾構(gòu)下穿密集城市建筑群施工提供了可靠的物探依據(jù)。

1 工程概況

廣州市軌道交通十八號(hào)線番南1號(hào)盾構(gòu)井(PN1)～番南2號(hào)盾構(gòu)井(PN2)區(qū)間，線路主要沿番禺大道北敷設(shè)，穿越眾多建筑物，人員和房屋密集，車輛穿梭頻繁，部分路段穿經(jīng)村莊、廠房，鉆探勘察施工困難，地質(zhì)安全隱患多。

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，區(qū)間場(chǎng)地地層主要為人工填土層(Q4ml)、沖積-洪積土層(Q3+4al+pl)<4N-2>、硬塑殘積土層(Qel)<5H-2>、全風(fēng)化花崗巖<6H>、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖<7H>、中風(fēng)化花崗巖<8H>和微風(fēng)化花崗巖<9H>。結(jié)合土石工程等級(jí)、土石的開(kāi)挖性等方面，探測(cè)時(shí)把全風(fēng)化巖層<6H>的底面作為土、巖分界線，即<1>～<6H>劃為土層，把<7H>劃為巖層。在工程地質(zhì)斷面上，以<6H>與<7H>間的分界線定為土、巖分界線。

本區(qū)間開(kāi)展微動(dòng)探測(cè)工作具有較好的地球物理?xiàng)l件：①探測(cè)深度范圍內(nèi)場(chǎng)地巖土層由覆蓋土層及基巖組成，面波在地下非均勻介質(zhì)中傳播會(huì)發(fā)生頻散現(xiàn)象，故可通過(guò)提取面波的頻散曲線來(lái)獲得介質(zhì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造信息。②非密實(shí)巖體、松散土體、富水、軟弱區(qū)域物性表現(xiàn)為橫波低速，密實(shí)土體、完整基巖表現(xiàn)為橫波高波速特征，兩者存在明顯的橫波波速差異，具備微動(dòng)探測(cè)的地球物理前提。③土巖分界面為全風(fēng)化巖層的底界面，橫波速度和密度均存在明顯差異，也具有明顯的視S波速度差異，微動(dòng)視S波速度剖面能有效分層、探測(cè)基巖面突起。

2 二維微動(dòng)探測(cè)方法

微動(dòng)探測(cè)方法是以平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程理論為依據(jù)，采用數(shù)據(jù)處理技術(shù)從地表的微動(dòng)信號(hào)中提取Rayleigh波相速度頻散曲線，再通過(guò)對(duì)頻散曲線的反演，獲得地下介質(zhì)的橫波速度結(jié)構(gòu)、達(dá)到勘探目的的一種地球物理探測(cè)方法。

采用空間自相關(guān)法(SPAC法)從微動(dòng)記錄中提取面波(瑞雷波)并計(jì)算各臺(tái)陣的瑞雷波頻散曲線，采用個(gè)體群探索分歧型遺傳算法，由相速度頻散曲線反演勘探點(diǎn)(臺(tái)陣)下方的S波速度結(jié)構(gòu)。反演計(jì)算前先給定初始模型，即層數(shù)以及各層S波速度及層厚的范圍(上限和下限)，再?gòu)慕o定的范圍中求得S波速度結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解。

二維微動(dòng)剖面探測(cè)則在獲得各微動(dòng)中心點(diǎn)的面波頻散曲線后，用式(1)直接計(jì)算Vx，可將相速度頻散曲線(Vr-f曲線)轉(zhuǎn)換成視S波速度Vx隨深度的變化曲線(Vx-H曲線)，再通過(guò)插值、光滑計(jì)算，最終可獲得視S波速度彩色剖面。

(1)

式中：vr為瑞雷波速度；ti為周期。

視S波速度Vx是既不同于相速度Vr也不同于S波速度Vs的面波物性參數(shù)，具有速度量綱。因?yàn)楸苊饬朔囱葸^(guò)程中設(shè)置初始模型、反演結(jié)果選取等人為因素的影響，微動(dòng)剖面結(jié)果能更客觀、直觀地反映地層巖性及構(gòu)造變化。

3 工程實(shí)施

3.1 測(cè)點(diǎn)布置與儀器設(shè)備

本次微動(dòng)探測(cè)分4段(L1～L4)，共布置21個(gè)勘探點(diǎn)?？碧近c(diǎn)布設(shè)以10 m左右間距均勻布設(shè)，由場(chǎng)地條件確定實(shí)測(cè)位置。選定的勘探點(diǎn)做好標(biāo)志，在勘探點(diǎn)上方鋪設(shè)0.9 m臺(tái)陣布，以精確確定0.9 m小臺(tái)陣中3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的位置。觀測(cè)臺(tái)陣中的其余觀測(cè)點(diǎn)用皮尺丈量確定位置，滿足微動(dòng)探測(cè)對(duì)小臺(tái)陣觀測(cè)測(cè)點(diǎn)精度的要求，測(cè)量誤差控制在厘米級(jí)。

采用MTKV-3C獨(dú)立式微動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括拾震儀和記錄儀兩大部件。拾震儀為CDJ-S2Cm的2 Hz三分量速度型，電壓輸出靈敏度≥2 V·cm/s；記錄儀采用日本白山工業(yè)株式會(huì)社DataMark LS8800型記錄儀；導(dǎo)航定位系統(tǒng)為南方靈銳RTK S86型號(hào)。

3.2 微動(dòng)數(shù)據(jù)采集

3.2.1 儀器一致性測(cè)試

工作之前，對(duì)儀器進(jìn)行一致性測(cè)試，以確保觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠有效。儀器一致性測(cè)試時(shí)，將全部?jī)x器放置到同一點(diǎn)處同步記錄10 min左右，由該記錄計(jì)算各臺(tái)儀器的功率譜、功率譜之比、相干系數(shù)和相位差，以對(duì)儀器的一致性做出評(píng)價(jià)。

儀器一致性測(cè)試波形記錄如圖1所示，圖2為計(jì)算獲得的各臺(tái)儀器的功率譜、功率譜之比、相干系數(shù)和相位差。結(jié)果表明，儀器的一致性優(yōu)于97%，達(dá)到微動(dòng)探測(cè)對(duì)儀器一致性的要求。

圖1 儀器一致性測(cè)試波形

圖2 儀器一致性測(cè)試結(jié)果

3.2.2 數(shù)據(jù)采集

本次微動(dòng)探測(cè)采用圖3所示T字形觀測(cè)臺(tái)陣，臺(tái)陣半徑根據(jù)場(chǎng)地條件選用0.9 m-4 m-12 m 和0.9 m-5 m-15 m二種，可滿足探測(cè)深度要求。

圖3 微動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣示意圖

采集數(shù)據(jù)前對(duì)記錄儀進(jìn)行采集參數(shù)設(shè)置，采樣頻率為100 Hz，放大倍數(shù)為16倍。在儀器安放到位、確保進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，記錄各臺(tái)儀器同步采集的起始時(shí)間。實(shí)際施工時(shí)按照設(shè)計(jì)的觀測(cè)系統(tǒng)沿測(cè)線逐點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。單點(diǎn)每次觀測(cè)時(shí)間16 min，觀測(cè)結(jié)束后將儀器搬運(yùn)到下一個(gè)點(diǎn)觀測(cè)。

3.3 數(shù)據(jù)處理

微動(dòng)探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)包括野外班報(bào)、實(shí)測(cè)微動(dòng)數(shù)據(jù)和波形記錄、微動(dòng)勘探點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo)等。微動(dòng)數(shù)據(jù)處理分為野外數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)預(yù)處理和內(nèi)業(yè)SPAC法處理兩部分。實(shí)時(shí)預(yù)處理的主要目的是將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成SPAC數(shù)據(jù)處理格式，畫(huà)出波形圖，以監(jiān)控實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性；剔除被場(chǎng)地噪聲明顯干擾的數(shù)據(jù)段，計(jì)算臺(tái)站間空間自相關(guān)系數(shù)，判斷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。內(nèi)業(yè)處理主要是基于SPAC法從臺(tái)陣微動(dòng)數(shù)據(jù)中提取面波頻散曲線，獲得視S波速度剖面，數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖4。參考測(cè)線旁鉆孔巖性信息，以微動(dòng)剖面Vx速度變化特征為依據(jù)，與鉆孔巖性對(duì)比，總結(jié)出測(cè)區(qū)視S波速度與巖性的關(guān)系，如表1所示。

圖4 SPAC微動(dòng)探測(cè)流程圖

3.4 微動(dòng)剖面地質(zhì)解釋

表1 測(cè)區(qū)巖性與視S波速度的關(guān)系

3.4.1 劃分巖土層

依據(jù)Vx速度特征劃分巖土層、解釋隧道深度范圍(40 m)內(nèi)巖體巖性變化，重點(diǎn)關(guān)注高速(致密)巖體、低速(軟弱)巖體可能對(duì)隧道施工造成的影響。圖5和圖6分別為5號(hào)勘探點(diǎn)和L3測(cè)線實(shí)測(cè)頻散曲線和微動(dòng)探測(cè)剖面圖。

圖5 5號(hào)勘探點(diǎn)實(shí)測(cè)頻散曲線

圖6 視S波速度剖面及地質(zhì)解釋(L3線)

根據(jù)巖性速度差異劃分出以下速度巖性層。

(1)雜填土、素填土：近地表Vx=160～200 m/s±的土層，巖性均勻。局部地段地表之下2 m左右深度范圍內(nèi)見(jiàn)Vx=290～4 000 m/s±高速區(qū)域。

(2)砂質(zhì)粘性土：在雜填土層之下普遍發(fā)育，該層巖性及速度特征與黏土層類似，但其中夾含低速似層狀、透鏡狀低速體(砂層)。

(3)砂層：該層Vx<160 m/s±，巖性較為均勻。測(cè)區(qū)內(nèi)較發(fā)育，呈層狀，局部呈透鏡體狀尖滅。

(4)全風(fēng)化花崗巖：該層Vx=260～400 m/s±，巖性較為均勻，但速度低，密實(shí)度差。局部差異風(fēng)化現(xiàn)象明顯(對(duì)應(yīng)似層狀、透鏡狀低速層)。

(5)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：該層Vx=400～500 m/s±，巖性均勻。

(6)中風(fēng)化花崗巖：該層Vx>500 m/s±，巖性較為均勻，巖性密實(shí)度高。但局部呈強(qiáng)風(fēng)化狀，如5號(hào)點(diǎn)下方-6～-12.5 m、-19～-24 m深度范圍內(nèi)的低速巖體，關(guān)注其與圍巖軟硬程度差異可能對(duì)盾構(gòu)施工帶來(lái)影響。

3.4.2 基巖軟硬變化可能對(duì)隧道施工的影響

把全風(fēng)化花崗巖底界面作為巖面，重點(diǎn)關(guān)注該界面起伏變化、巖體軟硬變化可能對(duì)隧道施工帶來(lái)的影響。根據(jù)L1～L4四段、21個(gè)勘探點(diǎn)所探測(cè)資料處理分析，得到巖面起伏、花崗巖差異風(fēng)化情況如表2、表3所示。

表2 花崗巖差異風(fēng)化情況

表3 巖面(全風(fēng)化花崗巖底界)起伏變化

4 結(jié)論

(1)測(cè)區(qū)覆蓋層為雜填土/素填土、砂質(zhì)粘性土、砂層，下伏基巖花崗巖(全～強(qiáng)～中風(fēng)化)。參考測(cè)點(diǎn)旁鉆探柱狀資料對(duì)巖性層作出定性解釋，再結(jié)合剖面速度特征追蹤巖面(全風(fēng)化花崗巖底界)，微動(dòng)探測(cè)劃分的土巖界面及主要巖層界面可靠。

(2)微動(dòng)剖面上解釋的土巖界面是速度分界面，與巖石軟硬程度、致密程度有關(guān)。由于速度與巖性并非唯一對(duì)應(yīng)，并且縱、橫向速度都是內(nèi)插、光滑計(jì)算的結(jié)果，所以，微動(dòng)探測(cè)解釋的巖層界面與鉆孔所見(jiàn)真實(shí)的巖性地層界面可能存在一定誤差，這可通過(guò)鉆孔結(jié)果標(biāo)定加以校正。

(3)在隧道施工時(shí)，建議在具備條件的地方鉆探進(jìn)一步查明硬巖(中風(fēng)化花崗巖突起)的范圍；如果隧道穿越花崗巖差異風(fēng)化巖體，需注意巖體致密程度變化、軟硬變化可能給盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)造成的不良影響，應(yīng)及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)。