二维微动探测技术在广州地铁十八号线番南区间的应用研究

2020-07-16雷锋国

国防交通工程与技术 2020年4期

雷锋国

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300222)

微动探测方法因采用天然源的绿色环保特性，抗电磁干扰、振动干扰能力强，仪器设备轻便、探测方便等技术优势，适用于城市区域强干扰环境下的地质勘察。目前，国内外众多学者和公司开展了微动探测的理论、应用研究及技术服务，在地热资源勘察、地热井位选址，煤矿采区构造，城市地质基岩面探测、活断层调查，地铁地质勘察土石界面、岩溶、空洞、断裂构造、孤石等工作中，取得了一批具有工程应用价值的探测成果[1-5]。微动探测技术现已成为城市地质调查、工程地质勘察的重要物探手段，受到业界广泛关注与好评。

本文采用小台阵二维微动剖面探测方法，在广州地铁18号线番南区间不能实施钻探的地方开展微动探测工作，探明了地面以下40 m范围内土岩界面起伏、岩性变化及软弱岩体，为大直径盾构下穿密集城市建筑群施工提供了可靠的物探依据。

1 工程概况

广州市轨道交通十八号线番南1号盾构井(PN1)～番南2号盾构井(PN2)区间，线路主要沿番禺大道北敷设，穿越众多建筑物，人员和房屋密集，车辆穿梭频繁，部分路段穿经村庄、厂房，钻探勘察施工困难，地质安全隐患多。

根据岩土工程勘察报告，区间场地地层主要为人工填土层(Q4ml)、冲积-洪积土层(Q3+4al+pl)<4N-2>、硬塑残积土层(Qel)<5H-2>、全风化花岗岩<6H>、强风化花岗岩<7H>、中风化花岗岩<8H>和微风化花岗岩<9H>。结合土石工程等级、土石的开挖性等方面，探测时把全风化岩层<6H>的底面作为土、岩分界线，即<1>～<6H>划为土层，把<7H>划为岩层。在工程地质断面上，以<6H>与<7H>间的分界线定为土、岩分界线。

本区间开展微动探测工作具有较好的地球物理条件：①探测深度范围内场地岩土层由覆盖土层及基岩组成，面波在地下非均匀介质中传播会发生频散现象，故可通过提取面波的频散曲线来获得介质的结构构造信息。②非密实岩体、松散土体、富水、软弱区域物性表现为横波低速，密实土体、完整基岩表现为横波高波速特征，两者存在明显的横波波速差异，具备微动探测的地球物理前提。③土岩分界面为全风化岩层的底界面，横波速度和密度均存在明显差异，也具有明显的视S波速度差异，微动视S波速度剖面能有效分层、探测基岩面突起。

2 二维微动探测方法

微动探测方法是以平稳随机过程理论为依据，采用数据处理技术从地表的微动信号中提取Rayleigh波相速度频散曲线，再通过对频散曲线的反演，获得地下介质的横波速度结构、达到勘探目的的一种地球物理探测方法。

采用空间自相关法(SPAC法)从微动记录中提取面波(瑞雷波)并计算各台阵的瑞雷波频散曲线，采用个体群探索分歧型遗传算法，由相速度频散曲线反演勘探点(台阵)下方的S波速度结构。反演计算前先给定初始模型，即层数以及各层S波速度及层厚的范围(上限和下限)，再从给定的范围中求得S波速度结构的最优解。

二维微动剖面探测则在获得各微动中心点的面波频散曲线后，用式(1)直接计算Vx，可将相速度频散曲线(Vr-f曲线)转换成视S波速度Vx随深度的变化曲线(Vx-H曲线)，再通过插值、光滑计算，最终可获得视S波速度彩色剖面。

(1)

式中：vr为瑞雷波速度；ti为周期。

视S波速度Vx是既不同于相速度Vr也不同于S波速度Vs的面波物性参数，具有速度量纲。因为避免了反演过程中设置初始模型、反演结果选取等人为因素的影响，微动剖面结果能更客观、直观地反映地层岩性及构造变化。

3 工程实施

3.1 测点布置与仪器设备

本次微动探测分4段(L1～L4)，共布置21个勘探点。勘探点布设以10 m左右间距均匀布设，由场地条件确定实测位置。选定的勘探点做好标志，在勘探点上方铺设0.9 m台阵布，以精确确定0.9 m小台阵中3个观测点的位置。观测台阵中的其余观测点用皮尺丈量确定位置，满足微动探测对小台阵观测测点精度的要求，测量误差控制在厘米级。

采用MTKV-3C独立式微动数据采集系统，包括拾震仪和记录仪两大部件。拾震仪为CDJ-S2Cm的2 Hz三分量速度型，电压输出灵敏度≥2 V·cm/s；记录仪采用日本白山工业株式会社DataMark LS8800型记录仪；导航定位系统为南方灵锐RTK S86型号。

3.2 微动数据采集

3.2.1 仪器一致性测试

工作之前，对仪器进行一致性测试，以确保观测数据可靠有效。仪器一致性测试时，将全部仪器放置到同一点处同步记录10 min左右，由该记录计算各台仪器的功率谱、功率谱之比、相干系数和相位差，以对仪器的一致性做出评价。

仪器一致性测试波形记录如图1所示，图2为计算获得的各台仪器的功率谱、功率谱之比、相干系数和相位差。结果表明，仪器的一致性优于97%，达到微动探测对仪器一致性的要求。

图1 仪器一致性测试波形

图2 仪器一致性测试结果

3.2.2 数据采集

本次微动探测采用图3所示T字形观测台阵，台阵半径根据场地条件选用0.9 m-4 m-12 m 和0.9 m-5 m-15 m二种，可满足探测深度要求。

图3 微动观测台阵示意图

采集数据前对记录仪进行采集参数设置，采样频率为100 Hz，放大倍数为16倍。在仪器安放到位、确保进入正常工作状态后，记录各台仪器同步采集的起始时间。实际施工时按照设计的观测系统沿测线逐点进行观测。单点每次观测时间16 min，观测结束后将仪器搬运到下一个点观测。

3.3 数据处理

微动探测现场数据包括野外班报、实测微动数据和波形记录、微动勘探点实测坐标等。微动数据处理分为野外数据实时预处理和内业SPAC法处理两部分。实时预处理的主要目的是将实测数据转换成SPAC数据处理格式，画出波形图，以监控实测数据的有效性；剔除被场地噪声明显干扰的数据段，计算台站间空间自相关系数，判断实测数据质量，以指导现场施工。内业处理主要是基于SPAC法从台阵微动数据中提取面波频散曲线，获得视S波速度剖面，数据处理流程见图4。参考测线旁钻孔岩性信息，以微动剖面Vx速度变化特征为依据，与钻孔岩性对比，总结出测区视S波速度与岩性的关系，如表1所示。