微動(dòng)探測(cè)技術(shù)在蠕動(dòng)變形斜坡勘察中的應(yīng)用

楊先杰 ，毛承英，黃 霖，何廷全，周延潔

(1.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；3.廣西大學(xué)，廣西 南寧 530004)

0 引言

近年來，隨著高速公路向山區(qū)的建設(shè)速度越來越快，挖方邊坡在高速公路建設(shè)中占比越來越大，然而，擾動(dòng)邊坡產(chǎn)生的山體蠕動(dòng)變形未能引起足夠的注意，山體蠕動(dòng)變形可能會(huì)形成剝落、滾石、滑坡、坍塌等自然災(zāi)害[1]。地層巖性、巖層與節(jié)理產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等多個(gè)因素多可使邊坡產(chǎn)生蠕動(dòng)變形[2]。為了觀測(cè)蠕動(dòng)位移量，地質(zhì)上使用三維激光雷達(dá)和鉆孔深層位移測(cè)斜，其中三維激光雷達(dá)對(duì)觀測(cè)位移量達(dá)到毫米級(jí)精度[3]，鉆孔深層測(cè)斜采取智能檢測(cè)技術(shù)，依據(jù)最小二乘法擬合原理對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理[4]，可對(duì)變形邊坡進(jìn)行長(zhǎng)期的不間斷的檢測(cè)和預(yù)警[4-5]。此2種方法存在局限性，三維激光雷達(dá)無法確定蠕動(dòng)滑動(dòng)面的空間位置，鉆孔深層測(cè)斜確定滑動(dòng)面的位置需要長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)加以整合才能確定。因此需要一種高效的、分辨率高的、環(huán)境友好型的、低成本的物探探測(cè)手段來查明蠕動(dòng)斜坡的巖性、蠕動(dòng)面的空間分布等地質(zhì)信息，為蠕動(dòng)斜坡的處理提供基礎(chǔ)地質(zhì)信息[6]，微動(dòng)探測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

微動(dòng)探測(cè)方法是指利用微動(dòng)中的面波來推斷地殼淺部的地層速度結(jié)構(gòu)，上世紀(jì)50、60年代由Aki和Capon分別使用頻率-波數(shù)法( F-K 法)和空間自相關(guān)法( SPAC 法)從微動(dòng)信號(hào)中獲得了面波信號(hào)[7]，自此建立了其理論基礎(chǔ)。其后，經(jīng)過十多年的研究與實(shí)踐，日本北海道大學(xué)系統(tǒng)提出了“微動(dòng)探測(cè)法”這一地球物理勘探方法的概念。國(guó)內(nèi)的微動(dòng)理論和應(yīng)用研究始于上世紀(jì)90年代左右，李巧靈[8-9]等應(yīng)用微動(dòng)探測(cè)技術(shù)探測(cè)覆蓋層厚度和巖體裂隙發(fā)育帶，冉偉彥[10]、孫勇軍[11]等在地?zé)?、礦產(chǎn)采空區(qū)、地殼結(jié)構(gòu)等方面利用微動(dòng)探測(cè)技術(shù)進(jìn)行探測(cè)。

傳統(tǒng)物探方法如人工源多道瞬態(tài)面波法、地震反射法等主動(dòng)源物探手段很難克服外界噪音干擾，對(duì)場(chǎng)地噪音要求較高，局限性較大。微動(dòng)探測(cè)技術(shù)克服了其它地球物理方法在復(fù)雜場(chǎng)源中應(yīng)用的局限性，受外界干擾較小，探測(cè)深度較大、分辨率高，不僅能夠節(jié)約勘探成本，對(duì)環(huán)境也毫無影響。近年來，微動(dòng)探測(cè)技術(shù)逐漸被市場(chǎng)認(rèn)可，在工程建設(shè)領(lǐng)域有比較廣泛的應(yīng)用，例如滑坡地質(zhì)災(zāi)害勘察、淺埋隧道、巖溶路基、煤礦采空區(qū)和城市軌道交通等眾多領(lǐng)域的勘察均取得了豐富的工程應(yīng)用成果，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，是一種很有前景的地球物理勘探新技術(shù)。

1 微動(dòng)探測(cè)原理

1.1 微動(dòng)探測(cè)原理[12]

地球表面無時(shí)無刻、任何地方都存在天然的微弱的震動(dòng)，稱之為“微動(dòng)”。微動(dòng)是一種復(fù)雜振動(dòng)，由面波和體波組成的，其中面波能量所占比重，達(dá)70%以上[13]。它的特點(diǎn)是振幅為10-4～10-2mm，其頻率為0.3～5.0 Hz。微動(dòng)信號(hào)主要來源于兩個(gè)方面：一是相對(duì)高于1 Hz高頻信號(hào)源，這種信號(hào)源是由人類的活動(dòng)產(chǎn)生的，包括人的行走、機(jī)械振動(dòng)、車輛、船舶的往來等，這類微動(dòng)信號(hào)通常被稱作常時(shí)微動(dòng)；二是相對(duì)低于1 Hz的低頻信號(hào)源，這種信號(hào)源源于自然現(xiàn)象，包括風(fēng)吹草動(dòng)、浪起浪落、河水流動(dòng)等，這類微動(dòng)通常被稱作長(zhǎng)波微動(dòng)。微動(dòng)信號(hào)攜帶有豐富的地球內(nèi)部信息，它的頻譜特性反映了微動(dòng)在時(shí)間和空間上的變化，這一點(diǎn)正是利用微動(dòng)信號(hào)來研究地層速度結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。微動(dòng)探測(cè)深度的大小是根據(jù)臺(tái)陣的大小規(guī)模而定的，臺(tái)陣越大，探測(cè)深度也越大，最深可達(dá)上百米。

1.2 微動(dòng)探測(cè)工作流程

利用專門的儀器采集到的微動(dòng)信號(hào)，通過空間自相關(guān)法(SPAC)提取代表各地層的頻散曲線，頻散曲線能直接地反映地層的波阻抗界面即速度界面。把提取到的頻散曲線反演后可以得到地層的擬面波速度(Vx)剖面圖，進(jìn)而進(jìn)行地層分層，達(dá)到勘查目的。圖1為微動(dòng)勘探工作流程。

1.3 頻散曲線提取方法[14]

頻散曲線的提取是微動(dòng)勘探數(shù)據(jù)反演最為關(guān)鍵的部分，在眾多方法中空間自相關(guān)法(SPAC 法)應(yīng)用最為廣泛，是提取頻散曲線最常用的方法，其計(jì)算步驟如下:

把某時(shí)段的微動(dòng)信號(hào)當(dāng)作是穩(wěn)定的隨機(jī)過程的樣本函數(shù)X[t，ξ(γ，θ)]，設(shè)臺(tái)陣圓心A和圓周上測(cè)點(diǎn)B的空間自相關(guān)函數(shù)S(γ，θ) 為：

S(r，θ)=

(1)

式中:r、θ、ω分別為觀測(cè)半徑、波的入射角和角頻率；φ為方位角;g(ω，r，θ) 為空間協(xié)方差函數(shù);h(ω，φ)為頻率-方位密度。

取空間協(xié)方差函數(shù)g(ω，r，θ)的方位平均:

g(ω，r)=

(2)

式中:J0(rk) 、rk分別為第Ⅰ類零階貝塞爾函數(shù)與其宗量。定義ρ(ω，r) 為角頻率的空間自相關(guān)系數(shù)則可得式(3)， 由式(3)確定第Ⅰ類零階貝塞爾函數(shù)的宗量， 再由式(4)可確定Rayleigh波相波速c(f)，繪制相波速-頻率曲線，得到頻散曲線。

(3)

(4)

式中:h0(ω)為臺(tái)陣中心點(diǎn)頻率-方位密度;f為頻率。

2 微動(dòng)探測(cè)工作方法

經(jīng)過前人的研究和總結(jié)，不同的臺(tái)陣所測(cè)得的頻散曲線各有差異，它們都有各自適用的觀測(cè)場(chǎng)地。目前微動(dòng)探測(cè)技術(shù)數(shù)據(jù)采集的臺(tái)陣布設(shè)方式主要有6種，分別是內(nèi)嵌三角形、圓形、十字型、T 型、L 型和直線型等，見圖2。

圖2 微動(dòng)探測(cè)臺(tái)陣布設(shè)方式

由于天然震源傳播方向的不確定性，其它臺(tái)陣很難捕捉到震源信息，而內(nèi)嵌三角形拾振器分布方式指向多，構(gòu)成長(zhǎng)短不一的線段多，有利于適應(yīng)不同波長(zhǎng)的天然源面波的采集[15]。同等數(shù)量拾振器，內(nèi)嵌三角形臺(tái)陣和圓形臺(tái)陣采集效果比其它臺(tái)陣探測(cè)結(jié)果好，能適應(yīng)絕大多數(shù)場(chǎng)地的數(shù)據(jù)采集要求，也是目前所使用最多的臺(tái)陣布設(shè)方式，其結(jié)果的精度和探測(cè)深度跟陣列的邊長(zhǎng)(半徑)和地質(zhì)體的相速度有關(guān)。

經(jīng)研究表明，相較于三角形和圓形臺(tái)陣，十字形、T字型、L 型和一字型陣列適用場(chǎng)地條件比較嚴(yán)苛。要取得比較理想和可靠的探測(cè)結(jié)果，十字形、T字型、L 型場(chǎng)源必須穩(wěn)定，也就是在空間和時(shí)間上波動(dòng)變化不大，拾振器接收的微動(dòng)信號(hào)不能為某一方向的信號(hào)。直線形陣列要求微動(dòng)信號(hào)不能集中在個(gè)別方向且微動(dòng)波場(chǎng)滿足各向同性條件。[15]

研究表明觀測(cè)臺(tái)陣還可以有更多的形式，也可以采取任意形式布置檢波器，但需要滿足3個(gè)條件：滿足探查深度范圍需要的波長(zhǎng)、臺(tái)陣中各接收點(diǎn)連線的方向要盡可能的多、臺(tái)陣中各接收點(diǎn)之間的距離要方便計(jì)算。

3 微動(dòng)探測(cè)技術(shù)在廣西某高速公路隧道蠕動(dòng)變形斜坡勘察中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

在建廣西某高速公路央達(dá)隧道地層分布為上覆第四系殘坡積層(Qel+dl)粉質(zhì)黏土，厚度0.50～3.50 m；下伏三疊系中統(tǒng)蘭木組(T2l)砂巖夾泥巖，泥巖主要呈夾層或互層分布于砂巖層中，分強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化二層，巖體破碎-較破碎。巖層產(chǎn)狀306°/SW∠46°(傾向坡內(nèi))，2組節(jié)理產(chǎn)狀分別為J1：45°/NW∠25°(4～5 條/m)、 J2： 28°/SE∠83°(5～6 條/m)，其中J1傾向斜坡外側(cè)，對(duì)擬建隧道斜坡穩(wěn)定性極為不利。

該隧道在施工過程中發(fā)生了邊坡變形破壞，山體局部地表開裂，隧道塌方，拱頂、拱腰位置初支出現(xiàn)開裂、剝皮、掉塊等地質(zhì)病害(圖3為隧道塌方與山體變形裂縫)。受此影響，隧道被迫停止掘進(jìn)施工。為查明隧道斜坡蠕動(dòng)變形面和其他不良地質(zhì)情況，為斜坡的防治設(shè)計(jì)與施工提供地質(zhì)依據(jù)，開展了微動(dòng)探測(cè)。

(a) 隧道塌方

3.2 微動(dòng)工作布置與數(shù)據(jù)采集

本次沿斜坡蠕動(dòng)方向布置3條測(cè)線，線距50m，單條測(cè)線長(zhǎng)度200 m，圖4為滑坡物探測(cè)線布置圖。

圖4 斜坡物探測(cè)線布置圖

開展工作前在測(cè)區(qū)試驗(yàn)了不同臺(tái)陣探測(cè)效果，經(jīng)過實(shí)地試驗(yàn)，直線型排列采集到微動(dòng)信號(hào)一致性較差，內(nèi)嵌三角形采集到一致性較好的微動(dòng)信號(hào),內(nèi)嵌三角形試驗(yàn)采集的原始數(shù)據(jù)和提取的頻散曲線如圖5所示，因此本次工作采用內(nèi)嵌三角形作為微動(dòng)勘察的主要臺(tái)陣，沿測(cè)線方向逐點(diǎn)采集數(shù)據(jù)。每個(gè)臺(tái)陣(排列)采用10個(gè)節(jié)點(diǎn)(每個(gè)節(jié)點(diǎn)檢波器主頻為2 Hz)，三角形最大邊長(zhǎng)20 m，測(cè)點(diǎn)距5 m，采樣間隔4 ms，觀測(cè)時(shí)間15～40 min。

(a)原始數(shù)據(jù)

3.3 微動(dòng)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)信號(hào)處理采用頻率波數(shù)譜分析法，輸入面波記錄文件，選定面波數(shù)據(jù)窗口，經(jīng)過傅立葉計(jì)算轉(zhuǎn)換，得到二維振幅譜圖象，在振幅譜圖中確定基階面波頻譜峰脊，根據(jù)得到的峰脊值便獲得面波頻散曲線。面波頻散曲線是地層進(jìn)行速度結(jié)構(gòu)分層的前提，對(duì)測(cè)線上拾取的頻散曲線按照物探樁號(hào)從小到大來進(jìn)行層速度計(jì)算和反演，即可達(dá)到定量解釋的效果。 其中可得到(見圖6) 擬面波速度(Vx)剖面圖。

圖6 擬面波速度(Vx)剖面圖

3.4 微動(dòng)探測(cè)結(jié)果分析

3.4.1地層波速分層分析

從微動(dòng)探測(cè)結(jié)果看，場(chǎng)地在微動(dòng)探測(cè)范圍內(nèi)擬面波速度(Vx)多為150～2 000 m/s，整體上由淺至深逐漸增大，與之對(duì)應(yīng)地層為覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層。根據(jù)鉆孔揭露地層結(jié)果，覆蓋層擬面波速度(Vx)為150～360 m/s，厚度12.0～30.0m，其下為強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾泥巖，擬面波速度(Vx)多為430～830 m/s，其層底埋深1.5～3.0 m。深部為中風(fēng)化砂巖，擬面波速度(Vx)多為830～2000 m/s。表1為地層巖性/結(jié)構(gòu)面與擬面波速度(Vx)的關(guān)系。

表1 地層巖性/結(jié)構(gòu)面與擬面波速度(Vx)關(guān)系Table 1 The relationship between formation lithology/ structural plane end quasi surface speed地層巖性/結(jié)構(gòu)面層底埋深范圍/m層厚/mVx/(m·s-1)第四系覆蓋層1.5～3.01.5～3.0150～360強(qiáng)風(fēng)化砂巖12.0～30.09.5 ～28.0430～830中風(fēng)化砂巖——830～2 000強(qiáng)風(fēng)化泥巖(夾層)3.5～7.0/12.5～13.50.8～1.4/1.0～2.1360～430節(jié)理裂隙發(fā)育帶——230～630蠕動(dòng)變形面①15～22—430～830蠕動(dòng)變形面②27～47—430～1 230

3.4.2軟弱夾層與節(jié)理裂隙發(fā)育帶分析

在Vx剖面中出現(xiàn)較多具有一定連通性的明顯的條帶狀、塊狀低波速異常，其總體分布趨勢(shì)呈向坡外側(cè)傾斜形態(tài)，根據(jù)該條測(cè)線上4個(gè)鉆孔揭露結(jié)果分析，該低波速異常帶推測(cè)為含泥軟弱層與節(jié)理裂隙發(fā)育帶，其中含泥軟弱夾層位于強(qiáng)風(fēng)化層中，其擬面波速度(Vx)為360～430 m/s，推測(cè)的中風(fēng)化巖層中節(jié)理裂隙發(fā)帶擬面波速度(Vx)為230～630 m/s。含泥軟弱夾層與裂隙帶厚度相對(duì)較小，在微動(dòng)探測(cè)Vx剖面圖中反應(yīng)明顯，其對(duì)薄層的分辨能力突出。圖7為鉆孔2-CX2擬面波速度(Vx)柱狀圖。

圖7 鉆孔2-CX2擬面波速度(Vx)柱狀圖

3.4.3蠕動(dòng)變形面分析

根據(jù)地調(diào)、鉆孔和隧道開挖結(jié)果，測(cè)區(qū)存在2處蠕動(dòng)變形面。Vx剖面圖中強(qiáng)、中風(fēng)化界面整體表現(xiàn)為波速分界面，推測(cè)該位置存在蠕動(dòng)變形面①，滑床主要為風(fēng)化界面附近的中風(fēng)化巖層中，滑體為黏土和強(qiáng)風(fēng)化砂巖、泥巖夾層，大部分厚度在15～22 m，部分地段稍厚。Vx剖面在中風(fēng)化層中出現(xiàn)較多具有一定連通性的條帶狀、塊狀低波速異常，擬面波速度(Vx)為430～830 m/s，推測(cè)對(duì)應(yīng)為地層結(jié)構(gòu)面、節(jié)理裂隙發(fā)育破碎帶，其總體分布趨勢(shì)也呈向坡外側(cè)傾斜形態(tài)，容易失穩(wěn)形成滑坡，因此推測(cè)為蠕動(dòng)變形面②，滑床為中風(fēng)化砂巖夾泥巖，滑體為黏土、強(qiáng)、中風(fēng)化層，大部分厚度為27～47m，部分地段稍厚。鉆孔揭露地層、不良地質(zhì)和隧道開挖情況跟微動(dòng)探測(cè)結(jié)果基本一致。

3.5 不同勘察方法驗(yàn)證

本次勘探除利用微動(dòng)探測(cè)手段外，還開展了鉆探、高密度電法和鉆孔深層位移測(cè)斜等方法對(duì)蠕動(dòng)變形斜坡進(jìn)行勘探。

3.5.1鉆孔驗(yàn)證

本條測(cè)線共布置了4個(gè)鉆孔，鉆孔揭露覆蓋層厚度在1.5～3.0 m之間，強(qiáng)風(fēng)化層層低埋深為 12.5～30.0 m ，微動(dòng)探測(cè)推測(cè)的巖性和風(fēng)化界面跟鉆孔揭露的巖性和風(fēng)化界面厚度一致；鉆孔2-ZK1、2-CX2、2-CX3在強(qiáng)風(fēng)化層中均揭露到2層含泥軟弱夾層，Vx剖面圖中也有明顯的條帶狀低波速異常，與鉆孔揭露深度一致；鉆孔2-CX2、2-CX3、2-CX4揭露的蠕動(dòng)變形面①深度為12.6～26 m，揭露的蠕動(dòng)變形面②的深度為22～48 m，微動(dòng)在鉆孔揭露蠕動(dòng)變形面深度處存在明顯的塊狀低波速節(jié)理裂隙發(fā)育帶，推測(cè)為蠕動(dòng)變形面。

3.5.2高密度電法結(jié)果驗(yàn)證

高密度電法在強(qiáng)風(fēng)化層和淺部中風(fēng)化層形成的低阻異常帶在剖面中貫通性好，異常邊界視電阻率值變化梯度較大，且異常帶向坡外側(cè)傾斜(圖8為高密度電法視電阻率反演圖)。根據(jù)地調(diào)、鉆孔和隧道開挖結(jié)果，推測(cè)自淺至深共孕育有2個(gè)潛在滑動(dòng)面(蠕動(dòng)變形面①和蠕動(dòng)變形面②)。蠕動(dòng)變形面①主要發(fā)育在強(qiáng)風(fēng)化層與強(qiáng)、中風(fēng)化交界面附近，滑床為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化層砂巖夾泥巖，滑體為黏土和強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾泥巖，大部分厚度方15～22m，部分地段稍厚；蠕動(dòng)變形面②主要發(fā)育在中風(fēng)化層中的結(jié)構(gòu)面、裂隙破碎帶或軟弱夾層，滑床為中風(fēng)化砂巖夾泥巖，滑體為黏土、強(qiáng)、中風(fēng)化層砂巖夾泥巖，大部分厚度為27～45 m，部分地段稍厚。相對(duì)于高密度電法在探測(cè)風(fēng)化界面、地層結(jié)構(gòu)面、節(jié)理裂隙發(fā)育帶或夾泥軟弱層等方面，微動(dòng)探測(cè)效果要優(yōu)于高密度電法，分辨率相對(duì)較高。

圖8 高密度電法視電阻率反演圖

3.5.3深層位移測(cè)斜結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)鉆孔2-CX2 自動(dòng)化深層位移測(cè)斜曲線顯示，孔深24.5 m(高程917.07 m)和42.0 m(高程899.57 m)都發(fā)生了明顯偏轉(zhuǎn)，拐點(diǎn)位置滑面峰值累積分別位移了58.78、13.54 mm(圖9鉆孔深層位移測(cè)斜曲線圖)。根據(jù)鉆孔2-CX3 自動(dòng)化深層位移測(cè)斜曲線顯示，孔深22 m和(高程888.55 m)和44 m(高程866.55 m)也發(fā)生了明顯偏轉(zhuǎn)，拐點(diǎn)位置滑面峰值累積分別位移了9.0、5.0 mm(圖9鉆孔深層位移測(cè)斜曲線圖)。在微動(dòng)反演剖面物探樁號(hào)250～310段埋深21～25 m和40～45 m，有明顯低波速異常分界面，2種手段推測(cè)蠕動(dòng)變形面結(jié)果一致，說明牽引段蠕動(dòng)變形面①、②位置是可靠的。

(a) 鉆孔2-CX2 (b) 鉆孔2-CX3

3.6 滑坡成因分析

隧道出口端邊坡巖層產(chǎn)狀傾向坡內(nèi)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性有利，但節(jié)理45°/NW∠25°對(duì)邊坡是不利的，且坡面中部地形較陡，邊坡巖體總體較破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、局部含泥質(zhì)軟弱夾層，對(duì)邊坡穩(wěn)定性不利。隧道施工左洞ZK142+140位置發(fā)生了小型塌方，洞頂形成了空腔產(chǎn)生了一定卸荷，且ZK142+140 位置為中風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化界限，推測(cè)上覆蓋層與強(qiáng)風(fēng)化沿該空腔產(chǎn)生了一定變形，進(jìn)一步發(fā)展階梯狀蠕滑、拉裂和內(nèi)部剪切破壞，穩(wěn)定性降低，造成了邊坡發(fā)生整體滑移趨勢(shì)。

4 結(jié)束語

本次蠕動(dòng)斜坡勘察主要使用微動(dòng)探測(cè)方法，其探測(cè)結(jié)果與隧道開挖揭露地質(zhì)情況、鉆探、高密度電法和深層位移測(cè)斜探測(cè)結(jié)果基本吻合。從探測(cè)效果來看，相對(duì)于高密度電法，微動(dòng)探測(cè)對(duì)地層軟硬、破碎程度、地質(zhì)結(jié)構(gòu)面和軟弱夾層的分辨率能力更為突出，為斜坡病害處治提供了更加精細(xì)的地質(zhì)資料。總之，微動(dòng)探測(cè)技術(shù)應(yīng)用在蠕動(dòng)變形斜坡勘察中能取得較好效果，它具有探測(cè)深度大，抗干擾能力強(qiáng)，地形影響小，對(duì)巖土分層、結(jié)構(gòu)面分辨精度高，對(duì)不良地質(zhì)體反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。