微动谱比法在跨江公铁大桥选址中的应用

汪文刚

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 地质路基设计研究院，湖北 武汉 430063)

1 引 言

拟建的监利至华容长江公铁两用大桥位于长江窑监河段，岸南为湖南省华容市，岸北为湖北省监利市，建成后将连通南北两岸地市，作为江汉平原货运铁路支线以及利华高速公路的过江通道，极大地促进了两岸经济发展以及方便了两岸人民出行。考虑到长江通航以及生态自然保护等问题，主桥初步设计为大跨度双跨钢桁梁斜拉桥，线位与桥位需结合地质情况进行设计。在前期的选线工作中，提出了若干比较方案，在初测阶段，需要查明各论证方案沿线的地质情况，重点是覆盖层厚度，其对后续设计以及施工造价影响很大。根据区域地质资料以及地调结果来看，该区域覆盖层较厚，使用钻探的成本高，周期长，不适合大规模开展，而微动谱比法具有经济快速的特点，且对覆盖层反映良好，因此，该项目采用微动谱比法对长江两岸线路进行了初步勘探。

微动谱比法(Microtremor Horizontal-vertical Spectral Ratio，简称MHVSR)是最近几年发展比较快的一种物探方法，在工程勘察中应用于探测地下岩溶、活动断裂、基岩分界面等方面，都取得了较好的效果。微动探测可视为地震勘探的一种，其震源包括了自然环境中的振动(如地脉动、潮汐等)以及人类活动产生的振动(如车辆行驶、机器运作等)[1,2]，属于天然被动源面波方法，因此微动探测方法对环境要求较低，不受电磁和环境噪声的影响，实施起来方便快捷[3,4]。微动探测根据采集方式的不同，分为台阵法和谱比法。台阵法采用多个单分量检波器以一定的布设方式(如三角形、六边形、方形等)进行数据采集，然后提取频散曲线来反演地下速度剖面[5-8]，但是这种方式检波器布设方式复杂。与之相比，谱比法是一种更为简单快捷的方法，它是采用单个或多个三分量检波器，沿测线方向进行布设，简单易行。谱比法最早由Nogoshi和 Igarashi提出[9]，后经 Nakamura推广应用到场地效应评价[10,11]，其研究结果表明，三分量检波器采集到的微动信号，其水平分量和垂直分量的傅里叶谱之比(H/V)可以反映地层的横波速度结构。具体来说，H/V谱比曲线的峰值频率与地层的卓越频率非常接近[12,13]，而卓越频率和地层分界面深度存在幂指数函数关系[14]，据此，可根据H/V谱比曲线峰值频率估算地层分界面深度。此外，对H/V谱比曲线反演还可以获得地层的横波速度剖面[15-19]，并且仅利用单台三分量检波器采集的数据即可计算出H/V谱比曲线，实施起来更加简单易行。

综上所述，微动谱比法具有抗干扰能力强、数据易采集、环保等优点，并可以提供卓越频率、沉积层厚度、地层横波速度等信息，可以在探测浅地表结构上发挥作用。因此，本文结合拟建的监利至华容长江公铁两用大桥项目的前期勘察工作，应用微动谱比法对研究线路进行浅地表地质勘察，通过与钻孔资料对比，证明了该方法的可靠性。此外，在项目初测阶段，该种方法显现出了明显的经济性和快速性的特点，可大规模开展使用。

2 方法原理

在微动谱比法中，“谱比”指的是微振动信号的水平分量和垂直分量的傅里叶谱之比(即H/V)。微动主要由体波和面波组成，地表记录到的微动水平分量和垂直分量的傅里叶谱可以表示为[2]：

(1)

其中，Ah和Av分别是垂直入射体波的水平分量和垂直分量的放大系数；Hb和Vb是基岩内体波的水平分量和垂直分量的傅里叶谱；Hs和Vs是面波的水平分量和垂直分量的傅里叶谱。H/V谱比值可表示为：

(2)

其中，一般认为Hb/Hb≈1，即基岩没有放大作用。当微动中面波能量可以忽略时，微动主要由松散沉积层的反射横波组成，H/V近似为Ah的值；当微动中面波占主要成分时，此时H/V近似为Hs/Vs，即微动的H/V近似为面波的水平分量和垂直分量的傅里叶谱之比。

Nogoshi和Igarashi通过对微动H/V谱的研究，得出微动的主要成分为Rayleigh波的结论[9]，而Rayleigh波在层状介质中具有频散特性，且与地层的剪切波速VS密切相关。Nakamura的研究表明，微动H/V谱比与地层垂直入射S波的放大因子相似[10,11]，即不同的微动谱比可以反映不同的VS(单位：m/s)结构剖面，具备速度反演的条件。常见的H/V谱比曲线有明显的峰值频率f0(单位：Hz)，Bonnefoy-Claudet通过大量的模拟实验表明该频率与地层的厚度h(单位：m)以及VS波速有关[20]：

(3)

Seht和Wohlenberg发现地层厚度h和H/V谱比曲线的峰值频率f0具有幂指数关系[14]，推导出经验关系式：

(4)

以上均可以作为判断地层厚度以及VS波速的依据。

在反演方面，可通过不断调整地层厚度h以及VS波速这两个参数，其他参数保持不变，拟合模型与观测的H/V谱比曲线。为研究方便起见，可以对H/V谱比值取对数，即反演目标函数可以表达为[21]：

(5)

其中，E为误差值;(H/V)m为实际观测值;(H/V)r为理论计算值;N表示取H/V谱比曲线上的若干个频点进行反演。反演可利用全局优化遗传算法、模拟退火法、最小二乘法等进行。

3 应用实例

3.1 区域地质概况

桥址选线区域位于长江窑监河段，南侧华容岸地处洞庭湖平原的北部，地势西北低，东南高，堤内河漫滩狭窄，堤外侧由平原一级阶地过渡至垄岗地貌，地形稍有起伏，地表植被发育，多以农作物和灌木为主(图1a)。北侧监利岸属于江汉平原南缘，堤内河漫滩宽缓，地形平坦开阔，堤外为一级阶地地貌，地势起伏相对较小，地表多农田，水塘丰富，房屋密集分布(图1b)。

图1 桥位选址区域地形地貌Fig.1 Topography of bridge location selection area

根据《中国地震动参数区划图》(GB18306—2015)与《铁路工程抗震设计规范》(GB50011—2006)(2009年版)，桥位选线区域为IV类场地，地震动峰值加速度为0.065 g，地震动反应谱特征周期为0.45 s。

3.2 数据采集与处理

根据前期的地质调查以及综合考虑长江生态保护、水源保护、城镇规划、河势以及航道畅通等多种因素，桥位选址初步设计有马家垸桥位、东山桥位、鄢铺桥位三种方案(图2)，线路江岸两侧各500 m为勘探区域，总计勘探长度3 km。微动谱比法采用中铁第四勘察设计集团有限公司自主研发的分布式多功能地震采集站①采集三分量微动信号，以20台采集站为一个排列沿设计线路布设，采集站布设间距为10 m，观测时长为20 min，逐排列连续观测完成全测线的数据采集。在布设采集站时，预先设计好每个采集站的点位，并利用GPS进行放样和定位，获取每个采集站的实际精确位置，以便进行带地形的速度剖面反演。

图2 桥位选址方案示意图Fig.2 Schematic diagram of bridge location selection scheme

数据采集完成后，需要对数据进行简单处理，使用反地震触发STA/LTA算法剔除瞬变信号，保留稳定的微动数据(图3a)，以固定时窗为单位分别计算水平和垂直方向的傅里叶谱，其中水平方向傅里叶谱为两个相互垂直的水平方向傅里叶谱的均方根值，然后对傅里叶谱进行平滑，计算水平与垂直方向傅里叶谱的比值，生成H/V谱比曲线(图3b)。

图3 微动波形记录与谱比曲线Fig.3 Microtremor wave record and H/V spectral ratio curve

图3为部分实测的数据以及某道的谱比曲线，通过拾取H/V谱比曲线的峰值频率来确定初始模型的地层厚度以及速度大小，采用全局寻优最小二乘法和遗传算法混合反演，得到各测线的横波速度剖面(图4)，以上数据处理以及反演均通过中铁第四勘察设计集团有限公司自主研发的城市浅层智能成像系统软件进行。

图4 反演与解释结果Fig.4 Inversion and interpretation results

3.3 成果解释与钻孔验证

从反演的横波速度剖面来看，地层浅部层状特征较为明显，第四系地层覆盖较厚，大约为60～70 m，部分区域达到100 m左右。深部二长花岗岩地层存在不均匀风化，较为破碎。勘察范围内未见明显的断裂、褶皱等地质构造，可能的隐伏构造在深厚的覆盖层之下对工程的影响较小。

根据经验，以400 m/s左右的横波速度划分土石分界面，从解释结果来看，两岸土石分界面延续性良好。马家垸桥位方案呈现近江岸覆盖层厚，远江岸覆盖层薄的特点；东山桥位方案北岸覆盖层厚，在距江岸140 m左右突然变薄，并一直延伸到南岸，经现场踏勘，南岸局部有基岩出露，为小墨山隆起，与实际情况相吻合；鄢铺桥位方案整体覆盖层变化较为平缓，在南岸200～500 m浅地表覆盖层速度较高，经调查，此区域为人工填土，浅地表含大量碎石、砖渣、生活垃圾等，造成覆盖层速度偏高，也可能是由于采集数据时附近钻机施工造成。

在此次勘察阶段中，鄢铺桥位方案南岸430 m处设有钻机一台，根据钻探结果，主要可分为浅地表的粉砂、粉砂质黏土以及深部的全风化、强风化二长花岗岩，其分界面深度为69.40 m，与微动谱比法解释结果一致。此外，在鄢铺桥位方案北岸测线-220 m处布设有钻机一台，钻探结果表明浅部仍为粉质黏土、粉砂、砾砂地层，深部为全风化、强风化二长花岗岩，分界面深度为65.6 m，通过与测线原点处的土石分界面对比，两者相差不大，满足地层起伏误差。在其他方案测线上也布有若干钻机，后期待钻探结果出来后可进一步验证。

4 结 语

采用微动谱比法对监利至华容公铁大桥桥址选择方案的沿线地质勘察结果表明：微动谱比法反演的横波速度剖面可以直观地反映地下的地质情况，易于确定覆盖层厚度，发现断层等地质构造等。通过与钻探资料的对比分析得出：微动谱比法反演结果具有较好的稳定性和可靠性，与钻探解释成果相一致，且分辨率较高，能够精细地反映地下空间岩性的变化情况，可为桥位选线提供地质依据。

微动谱比法利用天然噪声信号，具有较强的抗环境干扰能力，可适用于多种复杂的应用场景，其采集设备轻巧便携，布设方式简单，采集流程自动化程度高，因此该方法具有经济、高效、快速、无损、环保等优点，在工程勘察中可推广应用，特别是在概查、普查阶段，该方法可以快速得出较为可靠的结果，且节省人力物力成本。