物探微動技術(shù)在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

■余海強

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，福州 350004）

在工程項目建設(shè)過程中，地質(zhì)勘察是最基礎(chǔ)的施工工序之一，只有掌握清楚工程項目所在地的地質(zhì)組成情況，才能確定建筑工程的施工結(jié)構(gòu)和受力情況；反之，一旦工程地質(zhì)勘察結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，將直接影響到工程項目建設(shè)質(zhì)量，造成難以挽回的損失。 為了獲得工程項目所在地的地質(zhì)勘察詳細(xì)結(jié)果，傳統(tǒng)上一般使用鉆探、探井等方法，雖然這些方法能夠獲得較為詳細(xì)的地質(zhì)組成信息，但是工作效率低、占用時間和人力資源較多，同時也容易對局部地層基礎(chǔ)完整性組成造成破壞，因此具有一定的使用局限性[1]；且復(fù)雜的城市環(huán)境、強烈的電磁干擾、密集的建筑等，極大地限制了各種機(jī)械勘察手段及舊地球物理方法在城市工程勘測中的范圍和有效性， 在此形勢下物探微動技術(shù)逐步得到重視。微動探測具有抗干擾能力強，探測深度大，對環(huán)境干擾小等特點， 可廣泛應(yīng)用于城市工程地質(zhì)勘察。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和信息技術(shù)的普及，融合了物理波動理論和信息表征技術(shù)的物探微動技術(shù)在地質(zhì)勘察過程中獲得了廣泛的應(yīng)用，并有在城市工程勘察中逐漸取代傳統(tǒng)機(jī)械地質(zhì)勘探手段的趨勢。

1 物探微動技術(shù)的基本原理

1.1 微動波的產(chǎn)生

地球由于自身構(gòu)造及所在宇宙空間中的位置原因， 無時無刻都存在著一種微弱的振動， 稱為“微動”，利用波基儀器可以進(jìn)行振動信號采集。 地質(zhì)層是由不同歷史時期沉積下來的巖石組成的，層與層之間無論是密度還是波動反射特性都有區(qū)別，因此如果地球微動產(chǎn)生的波束在穿越不同性質(zhì)的地質(zhì)層時，必然會產(chǎn)生特征參數(shù)（如波速、振幅、頻率等）的變化，如果利用物理儀器采集到這類波動特征的變化并對其進(jìn)行分析，就可以得到該地所對應(yīng)的地質(zhì)層的組成情況，從而為地質(zhì)勘察分析提供依據(jù)[2]。

地球微動產(chǎn)生的波束類型較為復(fù)雜，既有面波又有體波，另外波束在不同地質(zhì)層之間進(jìn)行傳輸時難免帶來干擾的影響，這也增加了波束特性分析的難度[3]。 實際上微動是由體波和面波組成的復(fù)雜振動，且振幅很小，其振幅位移一般在10-4～10-3cm 左右，因而必須提高地震儀的放大倍數(shù)，從而增大微動信號，但是，這種放樣不僅放大了有用的地震信號，同時更放大了噪聲，使得有用的微動信號被淹沒。 因此，天然源面波勘探的基礎(chǔ)就是由天然源信號中提取面波信號，即由天然源信號推斷地下構(gòu)造的根本在于如何從天然源信號中提取面波。 所謂提取面波，就是求出面波的周期（或頻率）與相速度的關(guān)系。

1.2 微動波收集和處理方法

物探微動技術(shù)可以通過收集和處理地球振動波， 反演頻散曲線以獲得地下介質(zhì)的剪切波速度，從而判斷不同地層結(jié)構(gòu)，其原理示意圖如圖1所示。

圖1 微動技術(shù)原理

收集和處理地球振動產(chǎn)生的微動波，可以采用頻率-空間自相關(guān)（SPAC）法或者H/V 譜比法。 無論哪種方法都是對地球微動波束信息進(jìn)行探測和采集，一般都使用多個拾振器（多采用寬頻帶型號）、數(shù)字信號放大器和數(shù)字記錄儀共同組成微動觀測系統(tǒng)，各個儀器設(shè)備根據(jù)探測要求選擇相應(yīng)的工作參數(shù)。

頻率-空間自相關(guān)（SPAC）法是利用多臺拾振器的組合來采集來自不同地層傳導(dǎo)的微動波。 這些拾振器中1 臺布設(shè)在圓心處、剩余拾振器根據(jù)測量需要均勻布設(shè)在等半徑的圓周上。 對于同一段時域內(nèi)采集到的面波進(jìn)行空間頻率自相關(guān)分析，理論上獲得的空間頻率自相關(guān)曲線應(yīng)該符合近似零階貝塞爾函數(shù)曲線的形狀， 改變拾振器的空間位置分布，貝塞爾曲線的形狀大小會發(fā)生變化，結(jié)合拾振器的空間位置坐標(biāo)可以確定待測點（也就是拾振器布置及有效測量范圍）波束的傳輸相速度，依據(jù)相速度與頻率之間的關(guān)系就可以計算得出地質(zhì)層硬度、厚度等特征參數(shù)。

H/V 譜比法的原理在于，微動數(shù)據(jù)的H/V 譜為水平方向的功率譜與垂直方向的功率，即：

式中：PNS(ω)和PEW(ω)分別代表水平方向2 個分量的功率譜，PUD(ω)代表垂直方向的功率譜。 求取微動實測數(shù)據(jù)的H/V 譜分為以下幾個步驟：（1）將每道中的總數(shù)據(jù)量N 平均分成L 段，每段中的數(shù)據(jù)量為M，即：N=L·M；（2）對每一段數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變化；（3）將L 段數(shù)據(jù)傅立葉變換后的值進(jìn)行處理，求出3 個方向的功率譜；（4）按照式（1）求出H/V 譜。由于H/V 譜比法峰值頻率與基巖面存在冪函數(shù)關(guān)系，從統(tǒng)計學(xué)角度分析，可以認(rèn)為，當(dāng)樣本越多，越靠近真實情況時，則可擬合出二者的函數(shù)關(guān)系。 因此需要開展大量的數(shù)據(jù)采集工作。 H/V 值使用單臺頻譜分析儀進(jìn)行水平、 垂直分量頻譜相比就可得到，實施起來簡單快捷，因而得到廣泛的應(yīng)用。

2 物探微動技術(shù)的特點與優(yōu)勢

物探微動技術(shù)主要是采集地球振動波在穿越不同地層時發(fā)生的衰減數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析來探究地層基本組成情況。 采用這種方法進(jìn)行工程地質(zhì)勘察時，無需配備人工震源，對環(huán)境不產(chǎn)生震動干擾，滿足城市無噪音施工要求，且時間短、效率高，能夠降低工程項目的地質(zhì)勘察成本。 在使用過程中及使用之后不會對探測區(qū)域內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)造成破壞，尤其適用于地面以下地鐵等構(gòu)筑物多且復(fù)雜的現(xiàn)代城市環(huán)境。 地球微動波具有信號頻率低、波長大、抗干擾性好的特點，采用較為精準(zhǔn)的拾振器就能獲得理想的信號采集結(jié)果，對于地質(zhì)勘察結(jié)果的可靠性較為有利。

3 物探微動技術(shù)的應(yīng)用實例

3.1 測區(qū)概況

國道G324 線泉州大橋及接線擴(kuò)寬改造工程初步設(shè)計項目中采用了天然源面波（微動）法、場地剪切波（多道瞬態(tài)面波法）手段。 對于天然源面波（微動）法，測區(qū)的地球物理條件是：勘察區(qū)素填土、粉細(xì)砂、 淤泥和粉質(zhì)粘土面波視層波速為120～150 m/s，全風(fēng)化和強風(fēng)化花崗巖的面波視層波速為150～250 m/s，下伏中風(fēng)化花崗巖基巖的面波視層波速大于250 m/s。 根據(jù)測區(qū)巖層面波視層波速的分布情況分析，表層的覆蓋層與其下基巖的面波視層波速差異較明顯，具備開展微動測試的物理前提。 這是采用天然源面波法的有利地球物理條件，但工作中對采用以上方法的不利條件為： 在采石場附近，挖機(jī)和車輛活動頻繁，影響地震信號采集的質(zhì)量。 分析地形、地質(zhì)與地球物理條件，通過現(xiàn)場試驗，確定應(yīng)對措施如下：（1）為了減少人類活動對地震波采集的不利影響， 本次物探工作在數(shù)據(jù)采集過程中，避開挖機(jī)和車輛活動時段， 以提高采集資料的信噪比；（2）為使天然源面波的勘探具有較大的深度，盡量擴(kuò)大圓圈的直徑， 盡可能多地采集低頻的地震波。 通過采取以上若干措施，保證物探現(xiàn)場采集資料的可靠和質(zhì)量。

3.2 數(shù)據(jù)采集及處理

場區(qū)布置的4 個測點位置如表1 所示。 數(shù)據(jù)采集設(shè)備使用我國北京市水電物探研究所生產(chǎn)的SWS-3G 型多波列數(shù)字圖像工程勘探和工程檢測儀。 該儀器具有瞬時浮點放大，A/D 轉(zhuǎn)換為20 bit，信號迭加增強為32 bit、全通、高通、低通濾波、儀器通頻帶為0.5～4000 Hz。 其他設(shè)備包括微機(jī)、檢波器及接收電纜等。 數(shù)據(jù)處理步驟如下：（1）進(jìn)行物探工作的資料處理， 通過對原始資料進(jìn)行整理核對、編錄后，通過專用軟件顯示或打印各工區(qū)所采集的記錄，形成頻散曲線后存盤；（2）根據(jù)頻散曲線進(jìn)行分層和層速度計算并做出定性解釋；（3）在定性解釋的基礎(chǔ)上，進(jìn)行定量解釋，確定各層的厚度；（4）結(jié)合測區(qū)的勘探資料，進(jìn)行綜合歸納總結(jié)，利用CAD軟件繪制微動頻散曲線解釋圖，并依據(jù)頻散曲線的拐點或疏密變化點來劃分地層。

表1 場區(qū)測點位置數(shù)據(jù)

3.3 結(jié)果與討論

依據(jù)微動譜比法峰值頻率與土石界面的關(guān)系，結(jié)合地質(zhì)資料綜合分析， 推斷探測地表下15 m 以內(nèi)地層劃分。 結(jié)果顯示，測區(qū)地表標(biāo)高為59～62 m，解譯后的典型地質(zhì)斷面顯示，砂土狀強風(fēng)化層與微風(fēng)化層分界面標(biāo)高在53～55 m， 實際WD1 鉆孔的巖面標(biāo)高為53.89 m，與WD1 鉆孔揭露的地層較吻合。 上下地層界線比較清晰，解譯成果可以滿足勘察需求。 解譯成果典型地質(zhì)斷面如圖2 所示，WD1鉆孔地層如圖3 所示。

圖2 WD1 微動測線物探解釋剖面圖

圖3 WD1鉆孔柱狀圖

4 結(jié)語

物探方法所用技術(shù)合理，成果精度符合行業(yè)規(guī)范。 天然源面波（微動）法與前期地質(zhì)資料相結(jié)合的方法，實例分析證明是行之有效和適宜勘察場區(qū)的手段。 物探微動技術(shù)是對地球內(nèi)部巖土層結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行勘察的重要手段， 屬于近年來新興的技術(shù)，在很多大型工程項目建設(shè)中都獲得了應(yīng)用，利用該技術(shù)進(jìn)行工程地質(zhì)基礎(chǔ)勘察具有無接觸、 零損傷、效率高、抗干擾、對環(huán)境友好、結(jié)果滿足需求的特點。本研究分析了物探微動技術(shù)的理論基礎(chǔ)，從微動波的產(chǎn)生和收集處理方法等方面研究了物探微動技術(shù)的工作原理， 論述了物探微動技術(shù)的特點與優(yōu)勢，并結(jié)合傳統(tǒng)地質(zhì)勘察方法、借助信息化技術(shù)獲得了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，進(jìn)一步開發(fā)了精確的探測器以獲得優(yōu)質(zhì)的地球微動信號，以上這些措施都可以進(jìn)一步拓展物探微動技術(shù)在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用。