地微动勘探技术在孤石探测中应用<br/>——以福州地铁1号线工程为例

地微动勘探技术在孤石探测中应用
——以福州地铁1号线工程为例

2020-08-12李月莲宗全兵

福建建筑 2020年7期

李月莲宗全兵

(1.福建信息职业技术学院福建福州 350001；2.福州地铁集团有限公司福建福州 350001)

福州地铁1号线一期工程，起于福州市区北部的新店象峰，终于火车南站，途经晋安、鼓楼、台江和仓山四个行政区，为主城区内轨道交通南北向的主干线。工程沿线下伏基岩主要为燕山晚期侵入的花岗岩，局部为凝灰熔岩、辉绿岩、花岗斑岩，其上覆盖厚度不等的残积、坡积土；第四纪地层主要为河相、海相沉积层，交替沉积有淤泥、淤泥质土、砂土、卵石层等。岩土工程勘察表明，在新店车辆基地出入场线、树兜站-屏山站-东街口站区间、达道站-上藤站-三叉街站区间、屏山站、达道站等8个车站、12个区间均发现有孤石分布。2013年5月，在新店车辆基地出入场线区间、三叉街站-上藤站区间的盾构施工过程中遇到未经查明的孤石，造成盾构机刀具损坏，施工停滞。

提前探明影响盾构施工的孤石，并对其预处理成为保障福州地铁1号线洞通的关键。对随机分布的孤石，若采用钻探手段，则钻孔间距必须足够小，若要进一步考虑孤石部分侵入隧道的情况则需布置多排钻孔，其工作量大、排查周期长、对交通影响大，需要政府部门下很大决心协调交通、市政以及各管线权属部门。

研究表明[1-5]：浅层地震法、跨孔电阻率法、跨孔CT法、地微动法是行之有效的孤石探测方法。基此，在综合考虑探测方法对城市环境的影响、可实施性和经济性后，决定采用地微动法对盾构区间进行孤石排查。

1 地微动探测孤石原理及判别

受气压变化、海浪、人类交通活动等因素的影响，在地球表面随时都存在频率0～20Hz、振幅约10-4～10-2mm的随机振动(称为“地微动”或常时微动)。地微动是一种由体波(P波和S波)和面波构成的复杂振动，其中面波能量占振动总能量的70%以上。地微动虽不是来源于特定震源，但因在传播过程中受岩土体的滤波和吸收作用，累积了反映场地岩土介质特性的信息，具有在不同地点功率谱形状不同，在同一地点的功率谱形状相似的特点[6]。地微动进行勘探方法就是从采集的微动数据中提取Rayleigh面波的频散信息，并据此推断地下介质的速度结构[7-8]。孤石与其周围松散介质相比，在密度、S波速度、S波波阻抗等方面存在显著差异。从微动探测方法上看，S波速度差异由视S波速度剖面反映，而波阻抗差异可由测点的H/V谱比给予反映。

福州地铁1号线探测孤石，采用沿隧道轴线布置中心距为5m、半径为2.5m的圆形微动探测台阵，每个台阵由放置于正五边形顶点和中心点的6个检波器组成，如图1所示。对采集的微动信号作如下假设：①平面波假设；②水平层状介质假设；③垂直分量基本为Rayleigh波，且基阶波占主要能量；④在一定时空范围内采集到的微动信号具有统计稳定性，可采用随机平稳过程理论进行描述。

对每个台阵采集到的地微动信号，采用高分辨率频率波数域(HRFK)法提取瑞雷波频散曲线[9-10]，计算视S波速度，再经插值光滑计算即可获得沿隧道轴线的二维视S波速度剖面；同时，对各检波器获取的信号进行用傅里叶变换，获得水平分量和垂直分量的频谱量值生成H/V曲线，并形成每个台阵的Nakamura H/V谱比曲线[11-13]。视S波速度和H/V谱比计算流程如图2～图3所示。

(a)地微动台阵布置

(b)测数据采集现场图1 微动圆形观测台阵

图2 视S波速度计算流程

图3 H/V谱比计算流程

微动测试获得的视S波速度剖面，能直观显示测试范围内地层的速度及其纵横向变化，剖面上的异常高速体对应着基岩面凸起或孤石，特别是在隧道范围内被低速围岩“包裹”或“半包裹”的高速异常体往往给地铁盾构施工带来安全风险，是盾构施工过程需要特别注意的地方。

当测点范围内有孤石存在时，可将该范围内的地层视为有软硬不均夹层的场地，测点的H/V谱比曲线会呈现多波峰形态。福州地铁1号线盾构区间地微动探测与钻探结果对比分析表明[12]：在视S波速度判据基础上辅以H/V谱比法判据，可有效提高孤石判别的准确度。H/V曲线可进一步归纳为尖单峰、缓单峰、双峰、前台阶型、后台阶型、杂乱型6类，且不同类型的H/V曲线形态对应不同的地层结构(见表1)。根据孤石及其周围介质的地球物理特性差异及S波剖面和H/V曲线特征，可将存在孤石的测点分为以下4大类异常：

Ⅰ类异常：局部速度稍偏高或者偏高；或者无明显速度偏高但H/V曲线中出现小峰值频率对应较好等情况。该类异常对应的可能是岩土层分界面或者不均匀风化，出现孤石的可能性极小。

Ⅱ类异常：局部速度稍偏高或者偏高，且H/V曲线中出现小峰值频率对应较好或者大峰值频率对应较差；或者无明显速度偏高但H/V曲线中出现大峰值频率对应较好等情况。该类异常对应的可能是阻抗比较大的岩土层分界面或者不均匀风化，出现孤石的可能性较小。

Ⅲ类异常：速度明显偏高；或者速度稍偏高或者偏高，且H/V曲线中出现大峰值频率对应较好等情况。该类异常对应的可能是速度较高的岩土体或不均匀风化，出现孤石的可能性较大。

Ⅳ类异常：速度明显偏高且H/V曲线中出现大峰值频率对应较好。该类异常对应的可能是速度较高的岩土体或不均匀风化核，出现孤石的可能性极大。

表1 常见的H/V曲线形态及对应的地层结构

2 地微动探测孤石的工程应用

地铁1号线新店车辆基地～象峰站出入段线盾构区间，自汤斜佳园的1#盾构工作井始发，向东偏北方向穿过汤斜溪、汤斜村，沿线主要经过村民住宅及菜地。区间场地主要岩土层分布特征如下：①0耕植土；①1杂填土；①3淤泥质填土；④粉质粘土；⑤1淤泥质粘土；⑥碎卵石；⑦粉(砂)质粘土；⒀a残积(砂质)粘性土；⒁全风化岩；⒂散体状强风化岩；⒃碎裂状强风化岩；⒄中等风化岩。盾构主要穿越⒀a残积(砂)质粘性土、⒁全风化岩、⒂散体状强风化岩等地层。

2013年5月，福州地铁1号线新店车辆基地出段线盾构推进过程中突遇孤石，导致盾构停机，施工停滞。资料分析表明，新店车辆基地出入段线CDK1+550-CDK1+460、CDK1+203-CDK1+ 105、RDK1+700-RDK1+500约400m长度极可能出现影响盾构施工的孤石。为进一步指导盾构施工，决定采用地微动法对孤石分布情况进行试验性排查。

调查采用SWS-6工程地震仪结合重庆地质仪器厂的CDJ-S2C-2三分量检波器，完成80个圆形台阵勘探点的地微动数据采集，得到了3条探测深度25m～40m的视S波剖面及对应的H/V曲线成果。其中，象峰至新店车辆基地入段线(RDK1+ 700-RDK1+500)的S波速度剖面如图4所示。探测结果表明，出段线测试段未见Ⅰ类以上异常；入段线测试段内存在17处异常测点，其中Ⅰ类以上异常11处，详见表2。

在后续的盾构推进中，施工单位根据测试结果及时对盾构推进参数进行优化调整，加强了盾构机的刀具配置，最终顺利通过了上述测试地段。对盾构施工揭示的情况与地微动探测结果对比表明：微动探测能反映出孤石的分布，在入段线里程RDK1+628.83-RDK1+598.83段现场实际掘进过程中陆续碰到孤石，与微动探测揭示的异常点RC14-RC21位置吻合；测点RC5推进记录无孤石出现，但其后的RC6-RC7、RC8-RC9等位置也有孤石出现。

图4 象峰至新店车辆基地(RDK1+700-RDK1+500)视S波速度剖面图

表2 象峰到新店车辆基地(RDK1+700-RDK1+500)地微动探测结果

在新店车辆基地出入段线探测孤石取得成功后，又先后对出入段线余下的区段、秀山站-罗汉山站区间、树兜站-屏山站-东街口站区间、茶亭站-达道站-上藤站区间、排下站-城门站区间、三角埕站-胪雷站区间等可能具有孤石分布的盾构区段采用地微动法进行探测。1号线全线共完成测线长度8302.9m，微动台阵探测点1608个，并提出验证钻孔96个，实际完成验证钻孔78个，其中揭露孤石16个，揭露基岩凸起16个，起到排除孤石作用的24个，其它情况22个；结合验证钻探结果，划定盾构施工危险区2258 m，警示区998.4m，安全区5046.5m，探测成果如表3所示。对于查明的孤石均提前进行预处理；至2016年5月，福州地铁1号线全线洞通，施工过程中未遇未查明的孤石及基岩突起。