微動(dòng)技術(shù)在城市軌道交通采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

馮坤偉，龍斌

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081）

采空區(qū)探測(cè)作為城市軌道交通工程勘察中重要的一項(xiàng)工作，采空區(qū)勘察結(jié)果的精準(zhǔn)度直接關(guān)系著設(shè)計(jì)與后期施工的安全性。采空區(qū)附近結(jié)構(gòu)疏松，且周?chē)鷰r體完整性差、富水、圍巖自穩(wěn)能力差，存在施工安全隱患。若隧道開(kāi)挖范圍處于采空區(qū)及其影響范圍內(nèi)，若隧道支護(hù)強(qiáng)度不夠、支護(hù)不及時(shí)，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中易發(fā)生涌水突泥等風(fēng)險(xiǎn)，也會(huì)給后期隧道運(yùn)營(yíng)造成隱患，導(dǎo)致隧道襯砌變形、地表沉降等。因此，在勘察階段需要查明采空區(qū)影響范圍，為設(shè)計(jì)和后續(xù)施工提供指導(dǎo)。

城市環(huán)境下進(jìn)行物探探測(cè)存在諸多不利條件，場(chǎng)地狹窄，不利于儀器布設(shè)，同時(shí)車(chē)輛行人眾多，地下管線(xiàn)管網(wǎng)密布，電磁干擾和震動(dòng)干擾均較大。探地雷達(dá)法具有高分辨率的特點(diǎn)，但其探測(cè)深度淺，在城市環(huán)境下容易受到電磁信號(hào)、金屬及建筑物等的干擾；高密度電法深度深，但成本相對(duì)較高，且在城市中接地與布線(xiàn)空間受限，操作不便，接地效果也不佳，探測(cè)效果肯定大打折扣；大地電磁法探測(cè)深度大，對(duì)采空區(qū)探測(cè)效果較好，但易受電磁干擾，且市區(qū)內(nèi)往往沒(méi)有布設(shè)磁棒空間，操作不便[1]。

隨著近年來(lái)微動(dòng)采集設(shè)備硬件技術(shù)、軟件處理技術(shù)迅速發(fā)展，技術(shù)越發(fā)成熟，該方法已經(jīng)在城市環(huán)境下探測(cè)孤石、防空洞、巖溶等地質(zhì)異常體勘察工作中取得了較好的效果[2-3]。而將微動(dòng)技術(shù)應(yīng)用在城市軌道交通地下采空區(qū)的探測(cè)則較少，吳飛（2021）在安徽利用微動(dòng)確定了煤礦采空區(qū)及其影響范圍[4]。于淼（2013）分析研究了基于空間自相關(guān)法的微動(dòng)面波探測(cè)技術(shù)，分析了水平層狀介質(zhì)中的微動(dòng)面波的傳播理論，在此理論基礎(chǔ)上進(jìn)行了正演分析和反演計(jì)算研究，從理論和實(shí)踐證明了尤其是在其解決煤炭采空區(qū)的構(gòu)造問(wèn)題等方面，已經(jīng)體現(xiàn)其有效性和可行性[5]。因此將其應(yīng)用在城市軌道交通采空區(qū)探測(cè)中理論與實(shí)踐均具有可行性。本文借助于軌道交通工程勘察實(shí)例，將微動(dòng)法應(yīng)用于貴陽(yáng)軌道交通三號(hào)線(xiàn)采空區(qū)探測(cè)工程中，為今后微動(dòng)技術(shù)在城市地下采空區(qū)探測(cè)中提供參考。

1 地質(zhì)概況及工作方法

工區(qū)位于貴陽(yáng)市軌道交通三號(hào)線(xiàn)某段，在建區(qū)間線(xiàn)路周邊人口密集，行車(chē)流量很大，隧道沿線(xiàn)建構(gòu)筑物密集，地下和地上管網(wǎng)密集，交通環(huán)境復(fù)雜，總體來(lái)講工程環(huán)境極其復(fù)雜，作業(yè)空間有限。

經(jīng)前期勘察，在擬建地鐵隧道附近有采空區(qū)分布，但采空區(qū)具體與隧道相對(duì)位置關(guān)系無(wú)法查清，進(jìn)入施工階段后，該區(qū)域的采空區(qū)會(huì)對(duì)施工及后續(xù)運(yùn)營(yíng)造成安全隱患，因此需查明該區(qū)域內(nèi)采空區(qū)分布情況。

本區(qū)間巖土原則上劃分為第四系人工回填土、紅粘土，下伏基巖為三疊系安順組（T1a）白云巖和三疊系大冶組（T1a）石灰?guī)r、二疊系龍?zhí)督M（Plt）泥灰?guī)r、炭質(zhì)泥巖、石灰?guī)r等。

采空區(qū)相對(duì)周?chē)暾麌鷰r地層表現(xiàn)出的地球物理特征差異是開(kāi)展物探方法的前提條件。當(dāng)采空區(qū)內(nèi)有垮塌圍巖或水充填時(shí)，其物性特征表現(xiàn)為相對(duì)低波速。根據(jù)工區(qū)勘察成果，場(chǎng)區(qū)內(nèi)介質(zhì)物性參數(shù)如表1 所示。

表1 場(chǎng)區(qū)內(nèi)介質(zhì)物性參數(shù)

根據(jù)勘察要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，圍繞房屋布置3條測(cè)線(xiàn)，分別命名為WD1～WD1’、WD2～WD2’、WD3～WD3’。微動(dòng)測(cè)線(xiàn)布置圖如圖1 所示。

圖1 微動(dòng)測(cè)線(xiàn)布置圖

微動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣主要有圓形、“+”字形、“L”形或“一”字形。研究表明觀測(cè)臺(tái)陣還可以采取多種形式布置檢波器，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地情況靈活選擇。觀測(cè)時(shí)間要根據(jù)不同場(chǎng)地作出選擇。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，本次探測(cè)采用的設(shè)備為國(guó)為GN209 智能實(shí)時(shí)微動(dòng)采集系統(tǒng)，共10 個(gè)檢波器，檢波器頻率為4Hz。本次探測(cè)的3 條微動(dòng)測(cè)量剖面均采用“一”字線(xiàn)型布陣方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，檢波器間距1m。10 個(gè)站臺(tái)同時(shí)工作，每個(gè)點(diǎn)觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)為30min，測(cè)量點(diǎn)距為2～3m。

2 數(shù)據(jù)處理及資料解釋

2.1 數(shù)據(jù)處理

微動(dòng)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集、處理步驟類(lèi)似主動(dòng)源地震勘探方法，分為采集數(shù)據(jù)、提取頻散曲線(xiàn)、頻散曲線(xiàn)反演3 個(gè)步驟。由于面波的頻散特性，微動(dòng)信號(hào)具有振幅、頻率隨時(shí)間、空間發(fā)生顯著變化的特點(diǎn)，但在一定的時(shí)空范圍內(nèi)滿(mǎn)足統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性，可用平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程來(lái)描述。與傳統(tǒng)地震勘探及地震學(xué)中采用射線(xiàn)理論估算地震波傳播速度不同，由于微動(dòng)震源的不確定性，微動(dòng)信號(hào)中面波的相速度通過(guò)求取觀測(cè)系統(tǒng)陣列中臺(tái)站間的空間自相關(guān)系數(shù)即可獲得。

2.2 資料解釋

關(guān)鍵微動(dòng)探測(cè)的工作原理同常規(guī)地震探測(cè)工作原理，均是探測(cè)地下地質(zhì)界面的波阻抗差異，若地層中出現(xiàn)溶洞、富水區(qū)或采空區(qū)等波阻抗小的介質(zhì)，微動(dòng)反演出的橫波速度表現(xiàn)為低速，區(qū)別于完整巖體。因此可以利用這一地球物理特征來(lái)探測(cè)采空區(qū)及其影響帶，采空區(qū)在微動(dòng)剖面上表現(xiàn)為相對(duì)低速。本次探測(cè)根據(jù)前期勘察的地質(zhì)資料、填土和巖層的橫波速度范圍作為參考進(jìn)行綜合解釋。微動(dòng)反演成果如圖2～4 所示。

圖2 WD1～WD1’測(cè)線(xiàn)成果圖

圖3 WD2～WD2’測(cè)線(xiàn)成果圖

圖4 WD3～WD3’測(cè)線(xiàn)成果圖

通過(guò)分析WD1～WD1’線(xiàn)微動(dòng)成果剖面：覆蓋層均厚3m，強(qiáng)風(fēng)化層厚度變化較大，薄則3-6m，厚則達(dá)16m；基巖節(jié)理裂隙發(fā)育；在測(cè)線(xiàn)0-8m（ZDK30+762右6.7m-ZDK30+789 左2.1m 段）深15-17m[編號(hào)：采空5]、測(cè) 線(xiàn)16-26m（ZDK30+747—ZDK30+776 左22m 段）深16.6-18.0m[編號(hào)：采空4]、測(cè)線(xiàn)44-49m段埋深14.5-16.5m[ 編號(hào)：采空3]、測(cè)線(xiàn)54-58m 深13-15.0m[編號(hào)：采空2]，波速較低，判斷為小煤窯采空區(qū)。

通過(guò)分析WD2～WD2’線(xiàn)微動(dòng)成果剖面：覆蓋層均厚3-6m，強(qiáng)風(fēng)化層厚度變化較大，薄則2-4m，厚則達(dá)14m；在測(cè)線(xiàn)3-6m（ZDK30+724 左5.0m-ZDK30+724左8.0m 段）表現(xiàn)為豎向低波速，判斷為裂隙發(fā)育。在測(cè)線(xiàn)30-42m 裂隙發(fā)育，在埋深17.5-19.8m 位置[編號(hào)：采空1]，判斷為小煤窯采空區(qū)。

通過(guò)分析WD3～WD3’線(xiàn)微動(dòng)成果剖面：覆蓋層均厚3m，強(qiáng)風(fēng)化層厚度變化較大，薄則4-6m，厚則達(dá)16m；在測(cè)線(xiàn)9-28m 段表現(xiàn)為波速較低，判斷裂隙發(fā)育，在該段深13.0-15.2m 位置可能存在小煤窯采空[編號(hào)：采空5]。

根據(jù)物探成果得出采空區(qū)探測(cè)結(jié)論如下：

（1）本次物探工作，共布置微動(dòng)測(cè)線(xiàn)3 條，發(fā)現(xiàn)5 處采空異常；6 條節(jié)理裂隙；1 個(gè)厚層強(qiáng)風(fēng)化基巖區(qū)；

（2）第4、5 號(hào)采空異常與左線(xiàn)隧道相交，第3 號(hào)采空異常距左線(xiàn)隧道的最小距離為4.5 米；

（3）節(jié)理裂隙與采空區(qū)伴生，推斷為地下水在采空區(qū)富集并下滲，最終形成風(fēng)化裂隙；

（4）厚層強(qiáng)風(fēng)化基巖區(qū)的平均厚度約17 米，基本沿安置房一側(cè)發(fā)育，并與左右線(xiàn)隧道相交；中風(fēng)化基巖面埋深20—25 米。

3 結(jié)論

微動(dòng)技術(shù)經(jīng)過(guò)近年來(lái)的迅速發(fā)展，已逐漸成為一種適應(yīng)性強(qiáng)探測(cè)精度高的地球物理探測(cè)方法。本次微動(dòng)探測(cè)采空區(qū)成功的案例成果表明：微動(dòng)方法在城市強(qiáng)干擾和復(fù)雜環(huán)境下有比較理想的效果，能適應(yīng)城市地球物理探測(cè)的要求。本次探測(cè)的成果表明，微動(dòng)技術(shù)在城市環(huán)境下采空區(qū)探測(cè)中具有良好的效果，準(zhǔn)確地圈定了采空區(qū)與在建軌道交通的空間位置關(guān)系，為設(shè)計(jì)和施工處理提供指導(dǎo)；同時(shí)，在城市中利用微動(dòng)勘探進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)時(shí)，注意成果解釋時(shí)應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件、地層巖性特點(diǎn)和鉆孔資料。這樣才能保證解釋的準(zhǔn)確性。