微动剖面探测法在城市轨道交通勘察中的应用及效果：以广州地铁十号线为例

乔高乾， 徐佩芬， 龙 刚， 凌甦群

(1.广东有色工程勘察设计院， 广州 510080； 2.中国科学院地质与地球物理研究所， 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室， 北京 100029； 3.中国科学院地球科学研究院， 北京 100029； 4.中国科学院大学地球与行星科学学院， 北京 100049； 5.北京中科吉奥能源环境科技有限公司， 北京 100083)

城市轨道交通作为公共交通的重要方式，具有节省土地空间、保护周边环境、运载量大、效率高、噪音少、交通相互干扰小等优点，对缓解城市地面交通压力起到关键作用[1]。轨道交通工程建设一般在人员密集、交通压力大的城市中心进行，前期勘察施工难度大，往往受到环境和场地条件限制。无法实施钻探的地段地质资料不全或勘察程度不够，会给后期盾构施工带来地质安全风险。随着中国城市轨道交通全面进入世界领先行列[1]，轨道交通勘测技术也面临新的机遇与挑战。

轨道交通工程建设不良地质勘察一般采用钻探和物探方法。钻探可实现岩芯原位取样、获得钻探地质剖面，岩样经实验室测试还可获得岩土参数，因此，钻探无疑是最直接、精准的探测手段，目前也仍是最常用的探测手段。但在城区开展钻探作业往往妨碍交通、受到场地条件限制，并可能对地下管线等市政设施带来安全风险，加之一孔之见、有损环境和扰民等诸多弊端，施工成本高、难度大，无法实施钻探的地段成为地质信息盲区，给轨道交通设计、施工带来很大不确定性和安全风险。

地球物理探测作为轨道交通岩土工程勘察的重要技术手段，近些年已取得了较快发展[2]，已广泛应用于探测隐伏地质结构、不良地质构造，常用方法可分为地震波法和电磁法二大类。前者包括采用人工震源的反射地震法、折射地震法，多道面波、瞬态面波法以及利用天然源的微动探测法，后者包括高密度电法、浅层瞬变电磁法、地质雷达等。采用人工源的传统物探方法(地震波方法、电磁类方法)在城区开展工作均会受到各种振动或电磁干扰严重影响，原始数据的采集质量难以保证，以致很难通过压制干扰提高信噪比的办法获得可靠的探测结果。所以，发展适应城市复杂环境、抗干扰能力强的城市物探方法，是城市建设、轨道交通工程勘察的关键。

近年来，利用天然源微动的探测方法——微动探测法越来越多的应用于城市环境。在外国，这类方法主要应用于划分地层和确定基岩面深度[3]，因为基岩深度的确定是任何基础设施工程(如隧道、深基坑和地下空间)设计/定线/初始规划的重要组成部分，而钻探确定基岩的深度通常耗时、昂贵和繁琐。在中国，很多学者采用微动探测方法开展轨道交通建设中的不良地质体探测研究[4-8]。实际工作中，因采用相速度、S波速度(由反演获得)和视S波速度等多种参数以及软硬件设备因素，探测效果有较大差别。为满足轨道交通工程勘察精准探测需求，在传统空间自相关法(spatial autocorrelation method，SPAC)微动探测技术[9-10]基础上，创新性研究发展了基于ESPAC法的微动剖面探测技术[6-7]，建立了其理论、方法及技术体系，形成了首个微动探测法国家行业标准[11]。

微动剖面探测技术因无需人工源，不受电磁及噪声干扰影响，抗干扰能力强，适用于城市复杂工况环境。采集处理高频面波数据，提高了分辨能力，已发展成为城市轨道交通岩土工程勘察的关键技术。在贵阳地铁2号线岩溶、断层勘察[6,12]，广州市地铁十八号线番南区间基岩面突起探测[7,13]、广州轨道交通建设工程勘察[13-14]中发挥了重要作用，为地铁设计、建设提供地质安全保障。

广州作为中国粤港澳大湾区建设的重要城市，轨道交通建设一直走在全国前列，也因面临岩溶、孤石、基岩突起、断裂构造、软硬岩复合地层等各种地质难题[15-17]，素有城市轨道交通建设地质博物馆之称。除此之外，还时常遇到地下构筑物，如早年修建的地下人防工程设施、废弃的地下建筑物等。未探明的地下构筑物对地铁设计、施工构成威胁。盾构施工如遭遇不明地下构筑物，轻则会破坏构筑物结构，重则可能引发地面建筑物坍塌等严重事故，为了避让地下构筑物需对隧道设计进行修改和调整也会增加工程成本、耽误工期。地下构筑物因隐蔽性、年代久远无从考证的不确定性而成为城市地下轨道交通勘测的探测难题。

以广州市轨道交通十号线工程寺右新马路段地下人防构筑物探测工程[14]为例，介绍微动剖面探测方法及其探测成果。通过与钻探成果的对比，分析两种探测成果的差别与原因，在此基础上总结提出该方法在城市轨道交通勘察设计不同阶段的使用建议。

1 微动剖面探测法

1.1 基本原理

微动探测的物理前提是基于地层介质的不均匀性，面波在地层介质中传播时会产生频散。微动探测观测地球表面无时不在的地面振动“微动”(振幅微米量级)，以平稳随机过程理论为依据，从微动信号中提取面波(瑞利波)频散曲线，通过对频散曲线反演获得地下介质的横波速度结构[18]。微动剖面探测则是基于沿测线多点探测获得瑞利波频散曲线(Vr-f，其中，Vr为瑞利波相速度，f为频率)，通过Vr-Vx，Vx为视S波速度)变换将相速度转换成视S波速度并成像获得视S波速度剖面[4-7,14]，达到分层、探测不良地质体的目的。

1.2 工作方法

野外数据采集需利用特定台阵[6-7,14,19-20](如圆形、丁字形阵列等)观测天然场源微动数据，一台拾震器置于圆心、其他各拾震器布设在半径为r的圆周上，以接收来自各个方向的微动。拾震器越多，勘探的精度越高，半径(观测半径)越大，勘探的深度越深。具体工作流程如图1所示[21]。

微动剖面法通常采用扩展空间自相关法(the extended spatial auto-correlation，ESPAC)[9,21-22]从台阵微动数据中提取频散曲线，再通过Vr-Vx变换法计算视S波速度并成像，获得视S波速度剖面。

2 工程实例研究

2.1 工程及地质概况

广州市轨道交通十号线工程寺右新马路站-署前路站区间位于广州市越秀区，线路出寺右新马路站后沿寺右新马路向西敷设约940 m。通过走访和调查发现，图2所示的寺右新马路段(杨箕涌-达道路)存在部队地下人防工程，埋深15～20 m，基础类型不详，也因年代久远，已无法收集相关图纸资料，军事工程设施更无法通过有损的钻探施工去探查。如果不能通过有效的探测方法查明地下人防工程的位置、埋深及走向，将会给地铁线路的设计和施工带来极大的安全风险和隐患。

图2 广州市轨道交通十号线寺右新马路段微动探测测区及工程布置图

本区间发育地层从上至下依次为人工填土层<1>、砂层<3-2>、粉质黏土层<4N-2>、全风化泥质粉砂岩<6-3>、强风化泥质粉砂岩<7-3>、中风化泥质粉砂岩<8-3>、微风化泥质粉砂岩<9-3>。该区域岩土层岩石力学指标统计值如表1 所示，工程地质断面(局部)如图3所示。隧道盾构主要穿越于强～中风化基岩(泥质粉砂岩)中，其明显的“差异风化”特性使得本区工程地质条件较为复杂，后期地铁盾构施工也面临较大工程地质风险。

图3 测区工程地质剖面图

表1 岩层岩石力学指标统计表

2.2 微动剖面测线布置

测区范围内道路较为狭窄，车流量大，交通十分拥堵。居民房屋、军事辖区建筑密集，沿街商铺集中，人流量大，还有人行天桥、各种地下管线等设施。总之测区地面条件复杂，震动干扰大，电磁波干扰严重，传统物探方法难于开展工作。

考虑到微动探测法具有突出的抗干扰能力和更好的场地适应性，首次在广州市轨道交通十号线勘察工程中引入该项技术，以解决地下建构筑物设施探测难题，同时也希望总结工程应用经验，为粤港澳大湾区城市轨道交通勘察推广应用提供指导。

根据探测范围、深度及精度要求，本次微动探测布置两条测线。测线1布置于寺右新马路南侧，共布设44个勘探点，对应于该区间左线里程ZCK10+331.255～ZCK9+937.551段；测线2布置于寺右新马路北侧，共布设29个勘探点，对应于该区间右线里程YCK10+336.628～YCK10+256.948和YCK10+137.092～YCK9+962.748段。路南测线先以10 m间距均匀布设勘探点，如果在微动剖面上发现异常，则在异常区域加密探测点，以精确查明异常边界，再到路北相应测线段布设勘探点，以确定异常的走向。微动测线、测点及钻孔平面布置如图2所示。

2.3 微动剖面探测成果

采用ESPAC法处理每个勘探点实测微动数据并形成视S波速度剖面[14]，如图4所示。

为对微动视S波速度剖面进行地质解释，首先收集测点附近的钻探资料并与微动剖面速度特征进行对比分析，总结出测区视S波速度与岩性的对应关系如表2所示，再根据微动剖面速度变化特征追踪划分地层界面、识别速度异常并做出地质解释。据此，可划分解释三套地层，从上到下依次为①素填土-粉质黏土；②全-强-中风化泥质粉砂岩；③中-微风化泥质粉砂岩，与钻孔岩性具有较好对应关系。

表2 测区岩性与视S波速度的关系

在线路里程ZCK9+960 m～ZCK10+60 m(勘探点13～4)、YCK9+970 m～YCK10+50 m段(勘探点N17～N2)，发现长度80～100 m的低速异常区域，解释为地下人防工程[14]。推测人防工程具有“主体(地下室)+洞室+通道”的结构，其平面位置如图3所示(兰线勾画区域)。表3为人防工程离隧道结构顶板的距离，在ZCK10+30～40 m段左硐室离隧道顶板最近，仅4.5 m，主体(地下室)及通道离隧道顶板≥12 m。

表3 人防工程构筑物底板离隧道结构顶板的距离

3 微动探测结果与钻探结果的对比分析

为进一步了解微动探测成果的可靠性和精度，在后续工程勘察中布设钻孔验证，钻孔尽可能布设在离微动探测点5 m左右范围内，以对比、分析两种探测成果的差别及原因。

钻探揭示的地层可分为：Ⅰ第四系土层；Ⅱ全、强风化层；Ⅲ中、微风化层，与前述微动剖面解释的①～③地层相对应。微动探测结果与钻孔的深度误差如表4所示。

表4 钻探验证岩土层分层

验证钻孔的岩芯照片如图5、图6所示。钻探揭示地层属白垩系上统三水组西濠段(K2S2b)内陆湖泊相为主的粗砂-细砂屑碳酸盐建造[23]，岩性以紫红色泥质粉砂岩，粉砂质泥岩夹含砾粗砂岩为主，呈薄～中厚层状，含钙质团块。部分钻孔揭示其基岩存在明显“差异风化”现象，主要表现为强风化层中夹有中风化岩、中风化层中夹有微风化岩以及部分地段完整的中微风化岩面埋深变化较大，如钻孔MJZ3-SS-35和MJZ3-SS-47。

黄色、兰色箭头位置分别指示①层(覆盖层)和②层(全-强-中风化泥质粉砂岩)底界

MJZ3-SS-28和MJZ3SS-30孔分别在16.1 m和17.8 m处钻遇混凝土块，指示人防工程结构顶板

在微动探测确定的人防工程主体范围内布设钻孔MJZ3-SS-28和MJZ3-SS-30(位置如图2所示)，分别在16.1 m和17.8 m处钻遇混凝土块，即人防工程结构(主体)顶板，验证了微动探测确定的人防工程(主体)的位置，二者的深度误差分别为5.59%和4.49%(表5)。

表5 钻探验证地下人防工程结构

3.1 划分岩土层的效果

①素填土-粉质黏土(可塑状)。该层为测区覆盖层，其物理力学性质和强风化岩差别明显。比对结果显示，底界面的误差介于1.56%～4.48%，平均值为2.79%，误差范围及平均值均能满足工程勘察要求。误差较大(4.48%)出现在7号勘探点、MJZ3-SS-31号钻孔处，微动剖面显示该处覆盖层增厚，底界面变化大。所以，尽管MJZ3-SS-31号孔与7号勘探点相距3.56 m，两处的覆盖层厚度可能会产生一定变化。

②基岩(全-强-中风化岩)。比对发现，该层底界深度误差介于1.18%～5.46%，平均值为2.61%。本区强风化岩-中风化岩的物理力学性质变化不大，强风化、中风化岩的天然强度标准值分别为3.62 MPa和7.20 MPa(表1)，而微风化的天然强度标准值则高达17.35 MPa，其物理力学性质和强、中风化岩有明显差别。所以，全-中风化岩与其下微风化岩速度分界面较为清晰，微动探测划分该层界面的深度误差较小。

但MJZ3-SS-35号钻孔与13号勘探点的深度误差高达18%是个例外。分析原因，一是该勘探点处于岩层增厚、岩面呈“V”字形变化(岩性突变)位置，即使MJZ3-SS-35号钻孔与13号勘探点相距仅3 m，层底界深度也可能发生较大变化；二是13～21号点受到长城大厦地下室影响，实测数据不能真实反映地层介质，在微动视S波速度剖面上产生“低速拖尾效应”，影响分层精度。

微动剖面解释的岩层界面实际是速度分界面。由于速度与岩性并非一一对应，并且纵、横向速度都需进行插值和光滑计算，所以，微动探测解释的岩层界面与钻孔所见真实的岩性地层界面存在一定误差是合理的，可采用钻探结果标定加以校正。

3.2 探测人防工程的效果

本次工作查明的地下人防工程开挖修建在微风化基岩(泥质粉砂岩)中。显然，人工开挖后实际介质由泥质粉砂岩变成空气，波速显著降低，与围岩相比形成了明显的低速异常区域。所以，微动剖面上人防工程以“低速异常”为显著特征，易于被识别。采用的微动剖面探测法将频散速度转换成视S波速度并成像，这个过程对岩性(速度)变化具有强化作用[10]，从而微动剖面探测法对岩溶(溶洞)、人防工程、断裂破碎带等低速岩体具有良好的探测效果。

在后期岩土勘察中也布置钻探对微动查明的人防工程结构进行了验证。结果表明，微动探测确定的人防工程结构顶板与钻探结果的深度误差在±5%，能满足工程勘察精度要求。寺右新马路南侧左硐室(10～11号勘探点之下)底板距隧道拱顶 ±4.5 m,满足地铁隧道穿过的最小距离，原隧道设计深度可保持不变，但在施工过程中应该及时、合理调整盾构机的有关参数，以策安全。

4 结论

采用微动剖面探测法，在广州地铁十号线寺右新马路段开展地下人防工程构筑物探测并取得满意效果，查明了构筑物的空间位置及结构，为地铁盾构设计、施工提供了重要的地球物理依据和地质安全保障。实际应用表明，该方法抗干扰能力强，数据采集便捷，适用于城区复杂的交通、工况环境，探测精度能满足工程勘察需求。尽管目前钻探仍是城市工程地质勘察的主要手段，但在城市轨道交通勘察中经常会遇到某些范围或区域因现场环境及人为等因素无法钻探施工的情况，微动剖面探测便可作为有效的替代手段。

针对轨道交通勘察不同阶段及探测对象，提出以下采用微动探测方法的建议，可优化勘察方案、提高勘察效率、降低勘察成本。得出如下结论。

(1)当轨道交通工程位于同一地质分区内，已施工的钻探结果可用于定性、定量标定微动剖面岩性和界面深度，采用微动剖面探测可获得较高的探测精度。

(2)当轨道交通工程位于岩溶、孤石等不良地质发育的复杂区域时，仅依靠钻探很难探明、查清不良地质条件，而依靠加密钻孔来提高勘察精度的做法往往又会增加勘察成本、延长工期。在这种情况下，建议通过采用微动剖面探测补充两个钻孔之间钻探盲区的探测结果。根据微动探测成果还可有针对性地布设钻孔验证，这样既可减少钻探工程量，也可保证地质勘察精度，更能大幅降低勘察成本。

(3)如果轨道交通区间或站点附近有断层构造，钻探的“一孔之见”往往难于高效查明断裂破碎带的准确位置及空间展布形态。建议采用微动剖面探测方法进行精准探测，再布置钻孔验证。