高密度地震背景噪声方法探测在城市轨道交通勘察中的应用及效果——以广州地铁十二号线为例

龙 刚

（广东有色工程勘察设计院，广东广州510080）

我国城市轨道交通是最具发展创新的标志性领域之一，在满足人民群众出行需求、优化城市布局、缓解城市交通拥堵、促进经济社会发展等方面发挥着越来越重要的作用。截至2019年底我国城市轨道交通总里程为6426.84km，拥有地铁运营线路的城市近40个，城市之多和线路之长都位居世界首位。

目前城市轨道交通勘察工程面临较多难题，如勘察作业环境和时间、地上和地下建（构）筑物等条件限制，难以按原有勘察任务全部完成，将导致勘察精度不够，也增加后期在地质盲区施工的风险。高密度地震背景噪声方法探测对场地条件要求低，全天候适用，不对测区周边产生噪音和震动，具抗干扰能力强、施工便捷、无损环保等技术优势，是轨道交通勘察中一种新型、有效的辅助探测手段，对响应国家推进新型城市基础设施建设和轨道交通线网的完善有着积极的作用和重要的意义。

1 高密度地震背景噪声方法

1.1 基本原理

高密度地震背景噪声成像是通过对地面上两个地震台站记录的背景地震噪声信号在长时间段内进行互相关运算，提取格林函数，从而进行地震成像[1]，获取对地下结构的认识[6]，其理论示意图见图1。

图1 城镇环境噪声的浅地表介质格林函数恢复理论示意图[5]（Weaver，2005）

此方法为城市工程物探领域新兴的物探方法，该方法震源主要由自然噪声震源（潮汐、风、海浪、河流等）和人文噪声震源（车辆行驶、工厂机械运行、人类走动等）两部分组成，所有这些震动的能量以弹性波的形式向远处传播，其中包含了面波、体波等各种波，携带了丰富的地下地层信息。其中面波（瑞利波或R波）是一种特殊的地震波，它与地震勘探中常用的纵波（P波）和横波（S波）不同，它是一种地滚波。弹性波理论分析表明，在层状介质中，拉夫波是由SH 波与P 波干涉而形成，而面波是由SV 波与P 波干涉而形成，且面波的能量主要集中在介质自由表面附近，其能量的衰减与r-1/2 成正比，因此比体波（P、S 波∝r-1）的衰减要慢得多。在传播过程中，介质的质点运动轨迹呈现一椭圆极化，长轴垂直于地面，旋转方向为逆时针方向，传播时以波前面约为一个高度λR（面波长）的圆柱体向外扩散。面波具有频散的特性，其传播的相速度随频率的改变而改变，这种频散特性可以反映地下岩土介质的特性。

1.2 工作方法

野外数据采集需利用台站进行记录，本次高密度地震背景噪声探测使用IGU-BD3C-5 三分量智能数字地震仪（见图2）进行探测。在野外无需任何外部连接，实现传感器自动检测和GPS 定位，续航高达30d，可在恶劣环境下高效地进行数据采集，已广泛应用于工程、能源矿产和背景噪声监测。

图2 IGU-BD3C-5地震仪现场布置照

1.3 数据处理

用野外仪器获取原始噪声记录和主动源地震记录，分析获取的地震背景噪声记录，和功率谱密度图，看面波信号是否突出，探测时段内频率范围分布值是否满足此次任务目标的探测频带需求，数据质量是否可靠。

地震检波器或地震仪记录到的地震信号等效于格林函数和地震子波的卷积。地震波干涉法的核心思想就是对记录的地震信号进行一定的数学处理，得到以其中一个检波器为震源的新的地震记录。对地震波场的格林函数进行运算后，产生一个虚震源记录，地震波干涉法的数学实现方式体现在虚震源格林函数的提取方法。相关型地震波干涉法是应用最为广泛的一种地震波干涉法，再针对面波进行分析成像。

高密度地震背景噪声方法的数据预处理包括噪声预处理，互相关计算虚拟炮集，获取面波信号，面波资料预处理、生成面波频散曲线、频散曲线分层反演横波波速度[7]及确定层厚，利用面波频散曲线生成速度映像彩色剖面[8]，并在此基础上绘制地质剖面图等（见图3）。

2 工程实例分析

2.1 工程及地质概况

图3 高密度地震背景噪声数据处理流程

广州市轨道交通十二号线广园新村站—恒福路站区间下穿广州麓湖高尔夫乡村俱乐部高尔夫球场区段[3]，由于场地问题无法在高尔夫球场内进行钻探施工，为了后期地铁的设计和施工提供依据和参考，需要对高尔夫球场范围内工程地质条件做一定了解。本次选择高密度地震背景噪声方法对地铁线路里程范围左线ZDK26+571～ZDK27+026 区 段 和 右 线 YDK26+575～YDK27+025 区段进行探测，隧道的设计埋深为28～66m。

麓湖高尔夫练习场属于低丘地貌单元。广恒区间经过场地地形高差变化较大，地面高程23.51～70.16m，西侧山体地势最高，场地东南侧停车场最低；场地内除高尔夫球场草地外，还分布有原始茂密树木、球场车道等。

结合在测区范围周边已实施的勘察钻孔资料，结合区域地质资料[4]，本区间发育地层从上至下依次为自上而下为人工填土层<1>，坡积粉质粘土层<4-3>，侵入岩残积砂质粘性土<5H>，变质岩类残积砂质粘性土<5Z>，基岩主要为花岗岩全、强、中、微风化层<6H>、<7H><8H>、<9H>，混合花岗岩全、强、中、微风化层<6Z>、<7Z>、<8Z>、<9Z>。

根据本区间钻孔岩土波速测试成果，每一层岩土层都有一个横波波速范围值（见表1），由波速范围分布值可知，不同风化程度的花岗类岩之间存在非常明显的横波速度差异，可以使用面波方法实现层位划分。地层从浅至深不同地层之间密度、地震波速度及波阻抗存在明显差异，这些物性差异，适用于地震背景噪声面波成像方法。上述条件构成了本次高密度地震背景噪声方法探测的地球物理基础。

2.2 物探方法的选择及测线布置

表1 地层横波波速指标统计表

测区范围内属于低丘地貌单元，地形起伏较大，高尔夫球场范围暂不允许勘察设备进场钻探施工，考虑到本区间隧道埋深较大，结合既有波速测试成果，需要为日后设计和施工提供盾构机选型，需要查清隧道洞身分布范围内的地层。考虑到高密度地震背景噪声方法具有突出的抗干扰能力和对场地更好的适应性，我们首次在广州市轨道交通十二号线勘察工程中引入该项探测技术，用以查明地质盲区的工程地质条件，同时也希望总结应用经验，为国内城市轨道交通地铁勘察的推广应用提供指导。

为覆盖地铁线路并考虑到探测段地铁线路存在一定弯曲情况，本次任务分两部分进行探测。共设计8条测线（详见图4），其中4条主要长测线L1、L2、L3和L4沿着地铁隧道左右两线进行布设。根据观测系统设计法则及前期的参数试验结果，4m道间距可以满足本次探测任务的深度和精度要求，故长测线道间距设计为4m。工区范围内隧道底板埋深28～66m，故长测线设计长300m，最大有效探测深度能够达70m。

图4 高密度地震背景噪声探测测线布置平面图

2.3 高密度地震背景噪声探测成果

根据其频散特性首先计算出频散曲线，进而用频散曲线反演横波速度，地层结构变化在横波速度上呈现不同数值，因而纵、横向上速度存在相对速度变化，根据速度变化判断地层界限和异常位置；再结合本区地质、既有钻孔等资料对勘探场地内地表以下全风化界面及中风化界面进行划分，形成最终的二维视S 波速度剖面。本区段线路走向主要测线L1+L3 和测线L2+L4分析反演所得横波速度成果图分别见图5和图6，对各剖面图的解释分析成果内容详见表2。

3 探测成果分析

L1+L3 测线综合解释剖面图中，剖面共经过3 个既有勘察钻孔，MLZ3-GH-133 钻孔未揭露第四系覆盖层，BK-GH-42和MLZ3-GH-064钻孔揭露的全风化界面标高分别为22.65m和-7.23m，对应的横波速度约在380～400m/s，据此划分全风化分界面。但由于山顶位置地形起伏大，多处陡坎对浅层横波速度测量影响较大，导致山顶浅层速度偏低，在测点距离110～150m位置处全风化界面对应横波速度较低，根据现场勘查第四系覆盖层从测点距离110m处开始出露，故全风化界面在此处尖灭。MLZ3-GH-133 和BK-GH-42 钻孔揭露的中风化界面高程分别为37.63m 和10.45m，据此划分的中风化界面横波速度约为580～600m/s。

图5 测线L1+L3横波速度剖面

图6 测线L2+L4横波速度剖面

表2 测线成果分析一览表

L2+L4 测线综合解释剖面图L2+L4 剖面上共经过3 个钻孔，MLZ3-GH-052 钻孔未揭露第四系覆盖层，BK-GK-137和#MLZ3-GH-066钻孔揭露的全风化界面标高分别为32.58m和-9.34m，对应的横波速度同样约为380～400m/s，据此划分全风化分界面。现场勘查在测点距120m处出露第四系覆盖，故全风化界面在此处尖灭。钻孔MLZ3-GH-052 与MLZ3-GH-137 钻孔揭露的强中风化界面标高分别为41.4m、13.58m，MLZ3-GH-066 钻孔未揭露中风化和微风化层。根据钻孔划分的中风化界面横波速度同样约为580～600m/s。MLZ3-GH-052 钻孔距离测线6.2m，因中风化界面起伏较大，该钻孔与横波速度界面存在一定偏差（<2m）。

为了进一步了解高密度地震背景噪声方法探测成果的可靠性和精度，后续的钻孔勘察将在测线上进行钻孔布置实施，将本次探测成果和后续现场钻孔的钻探资料进行比对，分析微动探测划分岩层的误差及其原因。

4 结论与建议

经过高密度地震背景噪声方法探测，测区范围内未发现横波速度高速异常点或低速异常体，初步查明本次探测区域内不存在断裂、空洞、溶洞等不良地质体，整体区域地质结构较为稳定，结合线路的结构埋深和现场探测揭露的基岩风化层划分结果，能为设计提供一定的设计依据。

结合本次探测效果，高密度地震背景噪声方法探测具有较强的抗干扰能力，对场地的要求较低，适用于部分勘察施工较为敏感的区域环境。在广州市轨道交通配合岩土工程勘察工作中取得满意效果，可为盾构施工设计提供地球物理依据。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，微动探测便可作为有效的替代手段。

根据本文经验，针对轨道交通勘察中的不同勘察对象，总结提出以下采用高密度地震背景噪声探测方法的建议，以优化勘察方案，提高勘察效率，完善勘察成果资料。

（1）城市轨道交通勘察工程位于同一地质单位范围，已施工的勘察钻孔资料可以定性、定量标定高密度地震背景噪声探测剖面的岩性和地层分界面埋深，进而提高此成果解释精度；

（2）城市轨道交通岩土工程勘察目前面临地面场地复杂、地下管线众多和道路交通较为敏感的车道等，较多钻孔在有限的初步设计时间限期之前难以全部实施，对未施工钻孔范围存在较多“地质盲区”，无法将此类范围内的工程地质条件探明和查清，针对性地使用高密度地震背景噪声探测方法辅助岩土工程勘察手段，能够保证勘察成果的精度，为设计提供更为详实、全面的所需资料。

（3）如果城市轨道交通线网通过区域存在不良地质体，如断层、岩溶、孤石或埋藏物等，仅靠钻孔是很难全面获得地下信息，建议采用高密度地震背景噪声探测方法进行精准探测，再针对性地布置勘察钻孔进行验证。