微動勘探技術(shù)在隧道深厚風(fēng)化層勘察中的應(yīng)用

馮坤偉，梁培峰

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司，貴陽 550009)

淺層巖土風(fēng)化分層是隧道工程勘察中一項重要工作，其結(jié)果直接影響隧道后期掘進(jìn)施工的安全性與經(jīng)濟(jì)性。淺層風(fēng)化層結(jié)構(gòu)疏松，極易在邊坡地區(qū)形成大量的原生與次生結(jié)構(gòu)面，這類巖土體完整性差、膠結(jié)差、巖質(zhì)極軟、孔隙比大、易飽水且失水干裂、圍巖自穩(wěn)性極差，施工安全隱患大。若隧道掘進(jìn)面處于風(fēng)化層上，支護(hù)不及時、支護(hù)強(qiáng)度不足時，圍巖極易發(fā)生突發(fā)性大面積坍塌、管涌、流土、流沙、涌水、突泥、冒頂?shù)任：ΑＲ虼?，在施工前需先查明不同風(fēng)化層厚度，才能采用相應(yīng)的掘進(jìn)及支護(hù)方式。

風(fēng)化層分界面的探測多采用鉆探和物探相結(jié)合的方法。常用的物探方法有地質(zhì)雷達(dá)、激電法和瞬態(tài)面波法等。為克服單一物探方法的局限性，一般綜合采用淺層地震法、瞬態(tài)面波法、大地電磁法和高密度電法等綜合解釋地質(zhì)結(jié)構(gòu)分層。盡管如此，在砂泥巖地層中，由于砂泥巖電阻率與地表覆蓋層接近，且砂泥巖地層含水率較高，導(dǎo)致不同界面的電性參數(shù)差異不大，采用常規(guī)電法與電磁法往往探測效果不理想，而主動源地震法勘探深度有限，上述方法不宜開展大尺度的地質(zhì)界面探測工作，而鉆探法成本高，周期長，且無法探明整個區(qū)域地質(zhì)情況。

近年來，微動儀器設(shè)備技術(shù)、采集技術(shù)、軟件處理技術(shù)[1-4]突飛猛進(jìn)，在城市地下孤石、古河道暗浜、人防設(shè)施、溶洞、煤礦采空區(qū)等勘察[5-8]工作中取得了較好的勘探效果。目前將微動技術(shù)應(yīng)用在地層界線的探測則較少，徐興倩等[9]利用微動勘察法確定的滑坡潛在滑動面起伏形態(tài)清晰可見，探測結(jié)果與鉆孔資料相吻合；張若晗等[10]將微動技術(shù)譜比法應(yīng)用在土石界面探測中，取得了良好的效果。由于微動技術(shù)基于地震理論，類似于瞬態(tài)面波技術(shù)，且在砂泥巖地層風(fēng)化層存在波阻抗，具備地球物理探測條件，主動源瞬態(tài)面波技術(shù)應(yīng)用在風(fēng)化層探測中已有成功的應(yīng)用[11]，因此將其應(yīng)用在地層界線探測中理論與實踐均具有可行性。本文借助于工程勘察實例，采用微動新技術(shù)對隧道軸線及其附近范圍內(nèi)進(jìn)行探測，結(jié)合少量鉆孔進(jìn)行鉆探驗證，最終得到隧道區(qū)內(nèi)的地層分界線，為類似工程應(yīng)用該方法提供參考。

1 地質(zhì)條件及工作方法

本項目為云南省境內(nèi)某高速公路王家寨隧道，全長8 km。場區(qū)覆蓋層為殘坡積層(Qel+dl)粉質(zhì)粘土，下伏基巖為上第三系(N1)砂巖夾粘土巖(半成巖)、印支期(γ51(b))二長花崗巖、古生代變質(zhì)地層瀾滄群的石英片巖、變粒巖。由于半成巖砂巖具膠結(jié)差，巖質(zhì)極軟、孔隙比大、飽和度高、失水干裂、水穩(wěn)性差，受擾動易發(fā)生潰砂、流土、突泥涌砂破壞等特點，需要查明隧道穿過區(qū)域內(nèi)巖體風(fēng)化層分布情況，為隧道設(shè)計施工提供工程地質(zhì)資料。

1.1 區(qū)域地質(zhì)條件

項目區(qū)域?qū)贋憸娼迶鄮?。場區(qū)發(fā)育有斷層F1及斷層F1-1，均為非活動性斷層。F1在地表與路線大角度交于ZK24+880(K24+840)里程處，該斷層屬于勐庫—雙江斷裂的次級斷裂，為逆斷層，斷層面傾向320°，傾角60°，斷層兩盤巖性均為三疊紀(jì)侵入巖相(γ51(b))二長花崗巖。進(jìn)口段位于斷層下盤，N1巖層產(chǎn)狀為50°∠18°。F1-1地表與路線大角度交匯于ZK23+840(K23+840)處，與斜井相交于XJK0+583處，為F1斷層的次生斷層，該斷層走向北北東向，斷層面傾向120°，傾角70°，斷層上盤巖性為第三系半成巖，巖層綜合產(chǎn)狀120°∠4°～8°；斷層下盤巖性均為三疊紀(jì)侵入巖相二長花崗巖。

1.2 地球物理條件

地質(zhì)界面探測需滿足物性差異，這是開展物探方法的前提條件。土石分界面是指松散沉積層(土)和堅硬基巖(石)之間的界面，界面兩側(cè)存在顯著的波阻抗差異。強(qiáng)風(fēng)化層因節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，較中風(fēng)化、微風(fēng)化地層存在波阻抗差異。根據(jù)工區(qū)前期勘察成果，得到了場區(qū)內(nèi)介質(zhì)物性參數(shù)，見表1。由表1可知，土石界面及強(qiáng)風(fēng)化層界面具有波阻抗差異，存在可分辨的物性異常，具備開展微動探測的條件。

表1 場區(qū)內(nèi)介質(zhì)物性參數(shù)

1.3 微動法原理

微動，也稱為地脈動或地震噪音，是地面的微弱振動，微動技術(shù)屬于地震勘探方法門類，是一種由體波和面波組成的復(fù)雜振動，并且面波能量占總能量的 70% 以上[12]。由于地震、人類活動等因素，在地球體內(nèi)隨時都存在頻率在0～20 Hz的隨機(jī)振動。微動雖不是特定激發(fā)的震源，但在傳播過程中也攜帶了地下巖土體的地球物理特性。

微動勘探屬于地震勘探中被動源面波法，主要采用臺陣方法，本文采用的數(shù)據(jù)處理方法為空間自相關(guān)法(SPAC)。臺陣常用的有圓形、三角“ +”字形 和線性排布[13-15]，根據(jù)場地特性合理選擇。從微動信號中提取面波頻散曲線，空間自相關(guān)法架設(shè)微動信號在時間和空間上均為平穩(wěn)隨機(jī)過程，基階面波能量在各頻率成分中占比最大。對采集的微動隨機(jī)信號首先做傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻率域，則微動臺陣中心調(diào)查點和圓周上任意一點的空間自相關(guān)系數(shù)頻率域內(nèi)可表示為:

ρ(ω,r)=

(1)

2 探測結(jié)果分析

2.1 測線布置

本文以王家寨隧道為例，論證微動技術(shù)在土石界面和風(fēng)化層探測中的應(yīng)用效果。地面微動測線沿隧道左幅軸線ZK22+200～ZK22+860段布置1條縱測線Ⅰ～Ⅰ′，在ZK22+770附近布置1條垂直縱測線的橫測線Ⅱ～Ⅱ′。同時在ZK22+495右10 m和ZK22+765兩處布置了2個鉆孔驗證，具體測線布置及鉆孔布置見圖1。

圖1 物探測線及鉆孔布置

微動測試采用三重圓形臺陣，微動測量深度大約3R～5R，三重圓抗干擾能力最強(qiáng)，臺站在不同的方位上，計算空間自相關(guān)性最好。微動臺陣采用10個2 Hz低頻檢波器組成，臺陣半徑為R1=12.5 m、R2=20 m、R3=50 m。三重圓排列方式為：3個半徑分別為R1(2，3，4臺站所在的圓)、R2(5，7，9采集站所在圓)、R3(6，8，10所在圓)，其測量點在1號臺站所在位置，臺陣布置形式見圖2。每個觀測點觀測時間20 min。本次微動采用逐點連續(xù)觀測方式形成二維觀測剖面，點距20 m。縱測線共34個測點，橫測線共11個測點。

圖2 微動臺陣布置

2.2 探測步驟

1) 布設(shè)微動臺陣前，先清理檢波器埋設(shè)點附近雜草，鏟平和壓實地面；

2) 檢波器安放應(yīng)與底層耦合良好，并保證檢波器豎直放置，調(diào)試儀器一致性以保證同步采集數(shù)據(jù)；

3) 當(dāng)儀器進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，采集至少30 min的微動信號，從穩(wěn)定后的信號中提取完整的微動波形記錄，以便后期微動數(shù)據(jù)處理階段使用；

4) 數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、計算功率譜、空間自相關(guān)法提取頻散曲線、模型生成及反演擬合；

5) 根據(jù)反演結(jié)果再結(jié)合2處鉆孔信息，進(jìn)行地質(zhì)界面分層。

2.3 探測結(jié)果分析

根據(jù)反演結(jié)果，該區(qū)域從上到下可主要分為3層：覆蓋層(250 m/s～500 m/s)、強(qiáng)風(fēng)化半成巖(500 m/s～750 m/s)、中風(fēng)化半成巖(≥750 m/s)?？v測線探測結(jié)果見圖3，橫測線探測結(jié)果見圖4。

從圖3可知，ZK22+200～ZK22+860段橫波速度(Vs)剖面圖顯示，速度成層性較好，巖性界面起伏較大，結(jié)合地質(zhì)情況解譯主要分4層，見表2。

由圖4可知，ZK22+765左100 m～ZK22+765右100 m段橫波速度剖面圖顯示，速度成層性較好，巖性界面起伏不大，結(jié)合地質(zhì)情況解譯主要分4個速度界面，見表3。

以BZK1、BZK22個鉆孔資料作為驗證，從圖3、圖4可以看出，微動勘察的地層劃分與工程地質(zhì)資料較為吻合。通過工程地質(zhì)勘察資料和探測結(jié)果的對比分析可知，微動法是一種地質(zhì)界面探測的有效手段，具有較高的分辨率和可靠性。

圖3 縱測線微動視橫波速度

表2 縱測線速度分布

表3 橫測線速度分布

圖4 橫測線微動視橫波速度

3 結(jié)論

1) 微動勘探方法在初步探查土石界面與巖性界面方面均有比較理想的效果，能適應(yīng)山地地形起伏的探測環(huán)境。

2) 測區(qū)內(nèi)橫波速度具有較明顯的分層特性，能很好地劃分地質(zhì)界面和基巖風(fēng)化程度分界面，結(jié)合隧址區(qū)鉆孔就能對整個測區(qū)地質(zhì)界面有較高精度的劃分，微動勘探法具有勘探深度大、地質(zhì)界面深度準(zhǔn)確、起伏形態(tài)清晰等特點。

3) 在采用微動勘探進(jìn)行地質(zhì)界面探測時，應(yīng)根據(jù)前期地調(diào)情況，初步了解地形及探測深度，選擇合適的臺陣布置方式和半徑，才能最大程度滿足勘探深度和精度。

4) 在進(jìn)行成果解譯時應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件、地層巖性特點和鉆孔資料，找出劃分該地地質(zhì)界面的速度分界面，這樣才能確保分層解譯的準(zhǔn)確性。