基于微動(dòng)探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)鐵路機(jī)制砂廠三維可視化展示

汪 崢, 范 琪, 譚冠華, 湯建平, 周仕隆, 王 肖

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都 610036;2.川藏鐵路技術(shù)創(chuàng)新中心有限公司, 成都 610256)

鐵路機(jī)制砂廠建設(shè)地附近一般地質(zhì)條件復(fù)雜,易發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。因此,在修建砂廠之前,需要對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行地質(zhì)探測(cè),對(duì)可能影響工程施工的問題進(jìn)行提前處理,保證施工安全。

傳統(tǒng)的地質(zhì)探測(cè)手段有鉆探法、高密度電法、重力法等。鉆探法需要較為寬闊的場(chǎng)地架設(shè)鉆機(jī)等裝置,在建設(shè)前期,沿線無(wú)道路或僅有狹窄的道路條件,難以運(yùn)輸和架設(shè)鉆探設(shè)備,施工難度大,并且成本高、施工效率低;高密度電法需要采集電阻率數(shù)據(jù),但電阻率容易受到裂隙水等因素的影響,使電阻數(shù)據(jù)失真,導(dǎo)致探測(cè)精度降低;重力法易受到地形起伏的影響,使得探測(cè)精度下降。因此亟須一種無(wú)損的、適應(yīng)性強(qiáng)、精度高的探測(cè)技術(shù)。

作為地層分層和隱伏構(gòu)造探測(cè)的物探新方法,微動(dòng)探測(cè)技術(shù)無(wú)需人工震源,具有較強(qiáng)的抗干擾性、高探測(cè)精度和靈活的施工方式。在地層劃分[1]、地質(zhì)勘查[2]、地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)[3]等多個(gè)領(lǐng)域已取得良好的應(yīng)用成果。微動(dòng)探測(cè)技術(shù)在環(huán)境條件要求較低的同時(shí),展現(xiàn)出良好的探測(cè)效果。然而,在復(fù)雜的山地環(huán)境中,這一技術(shù)的應(yīng)用尚屬罕見。本文通過具體案例分析,將微動(dòng)探測(cè)技術(shù)引入鐵路機(jī)制砂廠建設(shè)工程項(xiàng)目,對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行地質(zhì)探測(cè),全面評(píng)估場(chǎng)地條件,并排查地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn),有效解決了項(xiàng)目中的難題。同時(shí),將微動(dòng)探測(cè)成果整合到三維數(shù)據(jù)平臺(tái),以直觀且準(zhǔn)確的方式展示測(cè)區(qū)的地質(zhì)情況。

1 微動(dòng)探測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

地球表面即便沒有發(fā)生明顯可以感知的地震,也始終存在著各種頻率的微弱振動(dòng),這類振動(dòng)稱為微動(dòng)。一般來(lái)說(shuō),微動(dòng)的振幅都很小,位移幅值通常介于10-4～10-2mm。微動(dòng)信號(hào)源于自然和人類活動(dòng)兩類因素:自然因素包括地震、海浪、潮汐、風(fēng)、降雨等;人類活動(dòng)因素包括工廠生產(chǎn)、交通及日?；顒?dòng)等。微動(dòng)信號(hào)中同時(shí)包含有體波和面波成分,面波成分在微動(dòng)信號(hào)中占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位,從本質(zhì)上講微動(dòng)探測(cè)是一種基于面波特性來(lái)研究淺地表地層結(jié)構(gòu)的彈性波物探方法。

根據(jù)微動(dòng)采集數(shù)據(jù)方式的不同,可以將微動(dòng)分為基于臺(tái)陣的方法及基于單點(diǎn)的方法。

1.1 微動(dòng)臺(tái)陣方法

SPAC(spatial autocorrelation,空間自相關(guān))法最早由Aki于1957年從理論上推導(dǎo),目前在工程勘察[4]、地質(zhì)災(zāi)害勘察[5]等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。SPAC法要求采用圓形等規(guī)則臺(tái)陣[6],具體形式為圓心布設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn),圓周布設(shè)3個(gè)及以上的測(cè)點(diǎn)。SPAC法處理臺(tái)陣微動(dòng)數(shù)據(jù)獲取橫波速度結(jié)構(gòu)主要分三個(gè)步驟:①計(jì)算臺(tái)陣中臺(tái)站對(duì)的空間自相關(guān)函數(shù),并經(jīng)方位平均后得到空間自相關(guān)系數(shù);②利用第一類零階貝塞爾函數(shù)擬合得到瑞雷波的相速度(頻散曲線);③反演頻散曲線得到地下橫波速度結(jié)構(gòu)。

F-K法(頻率-波數(shù)法)最早由Capon于1969年提出,目前也被用于工程勘察等領(lǐng)域[7]。F-K法的臺(tái)陣布設(shè)比SPAC法自由,一般不受臺(tái)陣布設(shè)形狀的限制,但需要的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)多,一般在6個(gè)或6個(gè)以上。該方法基于頻率、波數(shù)域功率譜密度函數(shù)的計(jì)算,將臺(tái)陣觀測(cè)信號(hào)從時(shí)間-空間域轉(zhuǎn)換到頻率-波數(shù)域,從而獲取入射波場(chǎng)能量在不同慢度和方位角的分布。不同頻率的面波在二維波數(shù)空間上會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的峰值;確定該峰值的位置即可得到波數(shù),從而能夠計(jì)算出不同頻率面波的相速度,獲取面波的頻散曲線,通過反演得到地下橫波速度結(jié)構(gòu)。

1.2 微動(dòng)單點(diǎn)方法

HVSR(horizontal-to-vertical spectral ratio,水平-垂直譜比)法最早由Nogoshi和Igarashi于1971年提出,并由Nakamura于1989推廣應(yīng)用,目前已廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域,如場(chǎng)地類型評(píng)價(jià)、地震放大效應(yīng)評(píng)估等方面[8-9]。HVSR法采用單臺(tái)三分量地震儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,沒有臺(tái)陣布設(shè)的限制,可以因地制宜地進(jìn)行探測(cè)點(diǎn)位的布設(shè)。HVSR法計(jì)算地表微動(dòng)記錄的水平分量頻譜與垂直分量頻譜的比值,典型的HVSR曲線具有一個(gè)明顯的峰值頻率F0,通過分析曲線的峰值頻率F0特征并反演得到地下橫波速度結(jié)構(gòu)。

2 項(xiàng)目應(yīng)用

在某鐵路隧道洞口建設(shè)的機(jī)制砂廠工程項(xiàng)目中開展微動(dòng)探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,旨在識(shí)別和評(píng)估潛在的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn),從而確保工程的安全和高效進(jìn)行。

2.1 技術(shù)對(duì)比

擬建廠區(qū)附近高山林立,屬于典型的高山峽谷地貌。地面多為滾石、雜土,植被茂盛,地表不平整且地形起伏大,作業(yè)面局限。選取約10 m×10 m的區(qū)域作為試驗(yàn)場(chǎng)地,對(duì)SPAC法、F-K法和HVSR法進(jìn)行場(chǎng)地適應(yīng)性研究及方法間的比選,(圖1)。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地選擇

2.1.1 SPAC法

SPAC法對(duì)臺(tái)陣形式要求嚴(yán)格,但由于地表?xiàng)l件限制,難以選取規(guī)則的作業(yè)面,在人工對(duì)部分地面進(jìn)行平整后,本次采用圓內(nèi)接正五邊形的臺(tái)陣形式,由位于圓心的1臺(tái)儀器及圓周的5臺(tái)儀器組成,臺(tái)陣半徑設(shè)置為2 m。臺(tái)陣布設(shè)如圖2(a)所示。

圖2 SPAC法

在完成臺(tái)陣布設(shè)后,進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為15 min的微動(dòng)數(shù)據(jù)采集。利用SPAC法進(jìn)行頻散曲線的提取,由圖2(b)可知,在2～50 Hz的頻率范圍內(nèi),頻散曲線范圍發(fā)散,無(wú)法提取有效的頻散曲線。

2.1.2 F-K法

F-K法對(duì)臺(tái)陣形式要求相對(duì)自由,但對(duì)臺(tái)陣內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)的一致性要求很高,選區(qū)地面為滾石、碎石及雜土等多種類型。在進(jìn)行點(diǎn)位布設(shè)時(shí),盡量將地面條件控制為相對(duì)均一的碎石/雜土類型,臺(tái)陣內(nèi)部節(jié)點(diǎn)最小間距為1 m,最大間距為6 m,臺(tái)陣布設(shè)如圖3(a)所示。

圖3 F-K法

在完成臺(tái)陣布設(shè)后,進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為15 min的微動(dòng)數(shù)據(jù)采集。雖然盡量控制了地面條件的均一性,但由于地表類型變化不規(guī)律,F-K法采集的原始數(shù)據(jù)還是存在一定程度的差異,如圖3(b)所示。

利用F-K法進(jìn)行頻散曲線的提取,由圖4可知,在2～50 Hz的頻率范圍內(nèi),頻散曲線范圍發(fā)散,無(wú)法提取有效的頻散曲線。

圖4 F-K方法提取頻散曲線

2.1.3 HVSR法

HVSR法僅需單臺(tái)三分量微動(dòng)記錄儀,儀器之間相互獨(dú)立,沒有臺(tái)陣形式及儀器間一致性的要求,可以覆蓋不同的地面條件,如滾石、碎石、雜土等。在試驗(yàn)區(qū)域布設(shè)微動(dòng)點(diǎn)位,進(jìn)行微動(dòng)數(shù)據(jù)采集,如圖5(a)所示。

圖5 HVSR方法

在完成點(diǎn)位后,進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為15 min的微動(dòng)數(shù)據(jù)采集。利用HVSR法計(jì)算HVSR曲線,由圖5(b)可知,HVSR曲線具有清晰的峰值頻率,數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

綜上所述,SPAC法對(duì)臺(tái)陣形式要求嚴(yán)格,測(cè)區(qū)地面不平整,地表起伏大,大部分區(qū)域需要進(jìn)行人工平整,成本巨大且難以實(shí)施,因此難以按照?qǐng)A形臺(tái)陣形式進(jìn)行點(diǎn)位布設(shè),且通過SPAC法無(wú)法提取得到有效的頻散曲線;F-K法臺(tái)陣形式相對(duì)靈活,但由于地表類型多種多樣,且分布無(wú)規(guī)律,難以保證臺(tái)陣節(jié)點(diǎn)間的一致性,因此無(wú)法提取得到有效的頻散曲線;HVSR法節(jié)點(diǎn)之間相互獨(dú)立,對(duì)場(chǎng)地條件要求低,可以最大限度地利用已有場(chǎng)地環(huán)境進(jìn)行點(diǎn)位布設(shè),施工靈活、高效,計(jì)算得到的HVSR曲線可靠、有效,滿足探測(cè)要求。因此,選取HVSR法進(jìn)行測(cè)區(qū)的場(chǎng)地條件評(píng)估工作。

2.2 場(chǎng)地條件評(píng)估

2.2.1 微動(dòng)數(shù)據(jù)采集

砂廠區(qū)域長(zhǎng)度約為200 m,寬度約為120 m,本次微動(dòng)探測(cè)采用一體化、高精度、三分量寬頻帶數(shù)字地震儀,在砂廠區(qū)域布設(shè)微動(dòng)點(diǎn)位,用于微動(dòng)數(shù)據(jù)的采集。

本次微動(dòng)探測(cè)共計(jì)完成275個(gè)微動(dòng)點(diǎn)位的工作,如表1所示。

表1 微動(dòng)探測(cè)完成工作量

2.2.2 HVSR曲線提取

完成微動(dòng)數(shù)據(jù)采集后,進(jìn)行HVSR曲線的提取。計(jì)算得到HVSR曲線后,采用歐洲SESAME項(xiàng)目提出的準(zhǔn)則檢驗(yàn)HVSR曲線的可靠性,本次數(shù)據(jù)的95%均符合該標(biāo)準(zhǔn),數(shù)據(jù)可靠度高,一個(gè)清晰、可靠的HVSR曲線如圖6所示。

圖6 HVSR曲線

2.2.3 HVSR曲線反演

鄰域算法是一種基于全局搜索的反演方法,主要包括兩個(gè)步驟:首先應(yīng)用維諾圖的幾何分割方法在參數(shù)空間搜索符合條件的模型,然后對(duì)模型進(jìn)行貝葉斯統(tǒng)計(jì)分析,最終確定最優(yōu)模型。采用鄰域算法對(duì)計(jì)算得到的HVSR曲線進(jìn)行反演,主要參數(shù)空間包括地層縱波速度、地層橫波速度、泊松比及密度。通過反演地層橫波速度結(jié)構(gòu),結(jié)合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn),將測(cè)區(qū)的場(chǎng)地類型分為三類。

第Ⅰ類為基巖型。這種類型地層地面為出露基巖,地層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,測(cè)點(diǎn)占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的60%左右,場(chǎng)地施工風(fēng)險(xiǎn)較低或無(wú)施工風(fēng)險(xiǎn),如圖7(a)所示。

圖7 HVSR反演地層類型

第Ⅱ類為淺基巖型。這種類型地層地面為上覆土/碎石,基巖面在上覆層之下,上覆層的厚度整體為1～2 m,基巖面以下地層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,測(cè)點(diǎn)占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的25%左右,場(chǎng)地具有一定程度的施工風(fēng)險(xiǎn),如圖7(b)所示。

第Ⅲ類為深基巖型。這種類型地層淺層為上覆土/碎石與巖石的互層,基巖面深度較深,整體深度為7～8 m,最深處超過10 m,基巖面以上存在多個(gè)地層分界面,地層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,測(cè)點(diǎn)占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的15%左右,場(chǎng)地施工風(fēng)險(xiǎn)較高,如圖7(c)所示。

本次微動(dòng)探測(cè)獲取了測(cè)區(qū)的地層結(jié)構(gòu)及基巖面信息,將場(chǎng)地類型劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類(圖8),將第Ⅱ、Ⅲ類存在地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的地層分布位置進(jìn)行了重點(diǎn)標(biāo)注,與施工方進(jìn)行了溝通,驗(yàn)證準(zhǔn)確度在90%以上。

圖8 測(cè)區(qū)場(chǎng)地類型分布

通過對(duì)可能影響工程施工的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域提前進(jìn)行了工程處理,保障了工程施工的安全,使得砂廠按質(zhì)按量建設(shè)完工。

2.3 綜合成果展示

2.3.1 三維建模

在機(jī)制砂廠建設(shè)完成后,利用大疆M300無(wú)人機(jī)搭載五目相機(jī)及P1相機(jī)對(duì)廠區(qū)及附近約3 km2區(qū)域進(jìn)行傾斜攝影數(shù)據(jù)采集,共完成14 027張傾斜攝影照片的采集,如圖9所示。

利用飛馬SLAM100對(duì)廠區(qū)及其內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行三維激光掃描,總面積約為200 m×120 m,共完成30組高精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集,單位點(diǎn)云密度大于100/m2,如圖10所示。

圖10 三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)

在完成傾斜攝影及三維激光數(shù)據(jù)采集后,按照設(shè)置坐標(biāo)控制點(diǎn)、空三加密處理、建立密集點(diǎn)云、融合三維激光掃描數(shù)據(jù)、三角網(wǎng)格化、構(gòu)建網(wǎng)格紋理的處理流程,重建了測(cè)區(qū)的高精度三維場(chǎng)景。

2.3.2 成果展示

傳統(tǒng)的地質(zhì)勘探成果以數(shù)據(jù)剖面圖、平面圖為主,往往難以展示測(cè)區(qū)的環(huán)境信息,部分可以通過結(jié)合衛(wèi)星圖等地圖資源的方式解決一定的地理信息問題,但由于衛(wèi)星圖等地圖的精度差,誤差一般在十幾米到幾十米,且數(shù)據(jù)更新速度慢,更新周期通常在幾個(gè)月或幾年,不能真實(shí)地反映測(cè)區(qū)環(huán)境的變化。

利用三維建模技術(shù)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行三維重建,結(jié)合地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)信息實(shí)現(xiàn)測(cè)區(qū)精準(zhǔn)位置的確定。同時(shí),根據(jù)需要可隨時(shí)更新模型數(shù)據(jù),保持與實(shí)際場(chǎng)景的一致。在精度方面,環(huán)境模型的精度控制在厘米級(jí),廠區(qū)及儀器設(shè)備的建模精度達(dá)到毫米級(jí)。

將微動(dòng)探測(cè)成果如基巖面深度等值線圖等,搭載到三維數(shù)據(jù)平臺(tái),直觀地展示了廠區(qū)的基巖面分布情況,真實(shí)地還原了廠區(qū)周圍的環(huán)境信息,解決了傳統(tǒng)地質(zhì)勘探成果在展示上的難題。

3 結(jié)論與展望

首次提出將微動(dòng)探測(cè)技術(shù)用于鐵路機(jī)制砂廠并成功實(shí)現(xiàn)應(yīng)用,通過對(duì)微動(dòng)SPAC法、F-K法及HVSR的適應(yīng)性研究,優(yōu)選了適合本測(cè)區(qū)的HVSR法。通過HVSR曲線的反演將探測(cè)區(qū)域劃分為基巖型、淺基巖型及深基巖型三種場(chǎng)地類型,提示了其可能存在的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn),為工程施工提前處理提供了數(shù)據(jù)支撐,并且取得了良好的應(yīng)用效果。在成果展示方面,創(chuàng)新性地利用三維數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行探測(cè)成果的展示,將GIS信息、環(huán)境信息、廠區(qū)信息及微動(dòng)成果進(jìn)行了融合,達(dá)到了很好的展示效果,值得在鐵路其他機(jī)制砂廠項(xiàng)目中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

同時(shí),基于本文構(gòu)建的三維數(shù)據(jù)平臺(tái)提供了地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、數(shù)字化管理等服務(wù)的可能,符合數(shù)字化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)。