微动探测技术在蠕动变形斜坡勘察中的应用

杨先杰 ，毛承英，黄 霖，何廷全，周延洁

(1.广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029；2.广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029；3.广西大学，广西 南宁 530004)

0 引言

近年来，随着高速公路向山区的建设速度越来越快，挖方边坡在高速公路建设中占比越来越大，然而，扰动边坡产生的山体蠕动变形未能引起足够的注意，山体蠕动变形可能会形成剥落、滚石、滑坡、坍塌等自然灾害[1]。地层岩性、岩层与节理产状、地质构造、水文地质条件等多个因素多可使边坡产生蠕动变形[2]。为了观测蠕动位移量，地质上使用三维激光雷达和钻孔深层位移测斜，其中三维激光雷达对观测位移量达到毫米级精度[3]，钻孔深层测斜采取智能检测技术，依据最小二乘法拟合原理对监测数据进行实时处理[4]，可对变形边坡进行长期的不间断的检测和预警[4-5]。此2种方法存在局限性，三维激光雷达无法确定蠕动滑动面的空间位置，钻孔深层测斜确定滑动面的位置需要长时间的监测数据加以整合才能确定。因此需要一种高效的、分辨率高的、环境友好型的、低成本的物探探测手段来查明蠕动斜坡的岩性、蠕动面的空间分布等地质信息，为蠕动斜坡的处理提供基础地质信息[6]，微动探测技术应运而生。

微动探测方法是指利用微动中的面波来推断地壳浅部的地层速度结构，上世纪50、60年代由Aki和Capon分别使用频率-波数法( F-K 法)和空间自相关法( SPAC 法)从微动信号中获得了面波信号[7]，自此建立了其理论基础。其后，经过十多年的研究与实践，日本北海道大学系统提出了“微动探测法”这一地球物理勘探方法的概念。国内的微动理论和应用研究始于上世纪90年代左右，李巧灵[8-9]等应用微动探测技术探测覆盖层厚度和岩体裂隙发育带，冉伟彦[10]、孙勇军[11]等在地热、矿产采空区、地壳结构等方面利用微动探测技术进行探测。

传统物探方法如人工源多道瞬态面波法、地震反射法等主动源物探手段很难克服外界噪音干扰，对场地噪音要求较高，局限性较大。微动探测技术克服了其它地球物理方法在复杂场源中应用的局限性，受外界干扰较小，探测深度较大、分辨率高，不仅能够节约勘探成本，对环境也毫无影响。近年来，微动探测技术逐渐被市场认可，在工程建设领域有比较广泛的应用，例如滑坡地质灾害勘察、浅埋隧道、岩溶路基、煤矿采空区和城市轨道交通等众多领域的勘察均取得了丰富的工程应用成果，积累了丰富的实践经验，是一种很有前景的地球物理勘探新技术。

1 微动探测原理

1.1 微动探测原理[12]

地球表面无时无刻、任何地方都存在天然的微弱的震动，称之为“微动”。微动是一种复杂振动，由面波和体波组成的，其中面波能量所占比重，达70%以上[13]。它的特点是振幅为10-4～10-2mm，其频率为0.3～5.0 Hz。微动信号主要来源于两个方面：一是相对高于1 Hz高频信号源，这种信号源是由人类的活动产生的，包括人的行走、机械振动、车辆、船舶的往来等，这类微动信号通常被称作常时微动；二是相对低于1 Hz的低频信号源，这种信号源源于自然现象，包括风吹草动、浪起浪落、河水流动等，这类微动通常被称作长波微动。微动信号携带有丰富的地球内部信息，它的频谱特性反映了微动在时间和空间上的变化，这一点正是利用微动信号来研究地层速度结构的重要参数。微动探测深度的大小是根据台阵的大小规模而定的，台阵越大，探测深度也越大，最深可达上百米。

1.2 微动探测工作流程

利用专门的仪器采集到的微动信号，通过空间自相关法(SPAC)提取代表各地层的频散曲线，频散曲线能直接地反映地层的波阻抗界面即速度界面。把提取到的频散曲线反演后可以得到地层的拟面波速度(Vx)剖面图，进而进行地层分层，达到勘查目的。图1为微动勘探工作流程。

1.3 频散曲线提取方法[14]

频散曲线的提取是微动勘探数据反演最为关键的部分，在众多方法中空间自相关法(SPAC 法)应用最为广泛，是提取频散曲线最常用的方法，其计算步骤如下:

把某时段的微动信号当作是稳定的随机过程的样本函数X[t，ξ(γ，θ)]，设台阵圆心A和圆周上测点B的空间自相关函数S(γ，θ) 为：

S(r，θ)=

(1)

式中:r、θ、ω分别为观测半径、波的入射角和角频率；φ为方位角;g(ω，r，θ) 为空间协方差函数;h(ω，φ)为频率-方位密度。

取空间协方差函数g(ω，r，θ)的方位平均:

g(ω，r)=

(2)

式中:J0(rk) 、rk分别为第Ⅰ类零阶贝塞尔函数与其宗量。定义ρ(ω，r) 为角频率的空间自相关系数则可得式(3)， 由式(3)确定第Ⅰ类零阶贝塞尔函数的宗量， 再由式(4)可确定Rayleigh波相波速c(f)，绘制相波速-频率曲线，得到频散曲线。

(3)

(4)

式中:h0(ω)为台阵中心点频率-方位密度;f为频率。

2 微动探测工作方法

经过前人的研究和总结，不同的台阵所测得的频散曲线各有差异，它们都有各自适用的观测场地。目前微动探测技术数据采集的台阵布设方式主要有6种，分别是内嵌三角形、圆形、十字型、T 型、L 型和直线型等，见图2。

图2 微动探测台阵布设方式

由于天然震源传播方向的不确定性，其它台阵很难捕捉到震源信息，而内嵌三角形拾振器分布方式指向多，构成长短不一的线段多，有利于适应不同波长的天然源面波的采集[15]。同等数量拾振器，内嵌三角形台阵和圆形台阵采集效果比其它台阵探测结果好，能适应绝大多数场地的数据采集要求，也是目前所使用最多的台阵布设方式，其结果的精度和探测深度跟阵列的边长(半径)和地质体的相速度有关。

经研究表明，相较于三角形和圆形台阵，十字形、T字型、L 型和一字型阵列适用场地条件比较严苛。要取得比较理想和可靠的探测结果，十字形、T字型、L 型场源必须稳定，也就是在空间和时间上波动变化不大，拾振器接收的微动信号不能为某一方向的信号。直线形阵列要求微动信号不能集中在个别方向且微动波场满足各向同性条件。[15]

研究表明观测台阵还可以有更多的形式，也可以采取任意形式布置检波器，但需要满足3个条件：满足探查深度范围需要的波长、台阵中各接收点连线的方向要尽可能的多、台阵中各接收点之间的距离要方便计算。

3 微动探测技术在广西某高速公路隧道蠕动变形斜坡勘察中的应用

3.1 项目概况

在建广西某高速公路央达隧道地层分布为上覆第四系残坡积层(Qel+dl)粉质黏土，厚度0.50～3.50 m；下伏三叠系中统兰木组(T2l)砂岩夹泥岩，泥岩主要呈夹层或互层分布于砂岩层中，分强风化和中风化二层，岩体破碎-较破碎。岩层产状306°/SW∠46°(倾向坡内)，2组节理产状分别为J1：45°/NW∠25°(4～5 条/m)、 J2： 28°/SE∠83°(5～6 条/m)，其中J1倾向斜坡外侧，对拟建隧道斜坡稳定性极为不利。

该隧道在施工过程中发生了边坡变形破坏，山体局部地表开裂，隧道塌方，拱顶、拱腰位置初支出现开裂、剥皮、掉块等地质病害(图3为隧道塌方与山体变形裂缝)。受此影响，隧道被迫停止掘进施工。为查明隧道斜坡蠕动变形面和其他不良地质情况，为斜坡的防治设计与施工提供地质依据，开展了微动探测。

(a) 隧道塌方

3.2 微动工作布置与数据采集

本次沿斜坡蠕动方向布置3条测线，线距50m，单条测线长度200 m，图4为滑坡物探测线布置图。

图4 斜坡物探测线布置图

开展工作前在测区试验了不同台阵探测效果，经过实地试验，直线型排列采集到微动信号一致性较差，内嵌三角形采集到一致性较好的微动信号,内嵌三角形试验采集的原始数据和提取的频散曲线如图5所示，因此本次工作采用内嵌三角形作为微动勘察的主要台阵，沿测线方向逐点采集数据。每个台阵(排列)采用10个节点(每个节点检波器主频为2 Hz)，三角形最大边长20 m，测点距5 m，采样间隔4 ms，观测时间15～40 min。

(a)原始数据

3.3 微动数据处理

数据信号处理采用频率波数谱分析法，输入面波记录文件，选定面波数据窗口，经过傅立叶计算转换，得到二维振幅谱图象，在振幅谱图中确定基阶面波频谱峰脊，根据得到的峰脊值便获得面波频散曲线。面波频散曲线是地层进行速度结构分层的前提，对测线上拾取的频散曲线按照物探桩号从小到大来进行层速度计算和反演，即可达到定量解释的效果。 其中可得到(见图6) 拟面波速度(Vx)剖面图。

图6 拟面波速度(Vx)剖面图

3.4 微动探测结果分析

3.4.1地层波速分层分析

从微动探测结果看，场地在微动探测范围内拟面波速度(Vx)多为150～2 000 m/s，整体上由浅至深逐渐增大，与之对应地层为覆盖层、强风化层、中风化层。根据钻孔揭露地层结果，覆盖层拟面波速度(Vx)为150～360 m/s，厚度12.0～30.0m，其下为强风化砂岩夹泥岩，拟面波速度(Vx)多为430～830 m/s，其层底埋深1.5～3.0 m。深部为中风化砂岩，拟面波速度(Vx)多为830～2000 m/s。表1为地层岩性/结构面与拟面波速度(Vx)的关系。

表1 地层岩性/结构面与拟面波速度(Vx)关系Table 1 The relationship between formation lithology/ structural plane end quasi surface speed地层岩性/结构面层底埋深范围/m层厚/mVx/(m·s-1)第四系覆盖层1.5～3.01.5～3.0150～360强风化砂岩12.0～30.09.5 ～28.0430～830中风化砂岩——830～2 000强风化泥岩(夹层)3.5～7.0/12.5～13.50.8～1.4/1.0～2.1360～430节理裂隙发育带——230～630蠕动变形面①15～22—430～830蠕动变形面②27～47—430～1 230

3.4.2软弱夹层与节理裂隙发育带分析

在Vx剖面中出现较多具有一定连通性的明显的条带状、块状低波速异常，其总体分布趋势呈向坡外侧倾斜形态，根据该条测线上4个钻孔揭露结果分析，该低波速异常带推测为含泥软弱层与节理裂隙发育带，其中含泥软弱夹层位于强风化层中，其拟面波速度(Vx)为360～430 m/s，推测的中风化岩层中节理裂隙发带拟面波速度(Vx)为230～630 m/s。含泥软弱夹层与裂隙带厚度相对较小，在微动探测Vx剖面图中反应明显，其对薄层的分辨能力突出。图7为钻孔2-CX2拟面波速度(Vx)柱状图。

图7 钻孔2-CX2拟面波速度(Vx)柱状图

3.4.3蠕动变形面分析

根据地调、钻孔和隧道开挖结果，测区存在2处蠕动变形面。Vx剖面图中强、中风化界面整体表现为波速分界面，推测该位置存在蠕动变形面①，滑床主要为风化界面附近的中风化岩层中，滑体为黏土和强风化砂岩、泥岩夹层，大部分厚度在15～22 m，部分地段稍厚。Vx剖面在中风化层中出现较多具有一定连通性的条带状、块状低波速异常，拟面波速度(Vx)为430～830 m/s，推测对应为地层结构面、节理裂隙发育破碎带，其总体分布趋势也呈向坡外侧倾斜形态，容易失稳形成滑坡，因此推测为蠕动变形面②，滑床为中风化砂岩夹泥岩，滑体为黏土、强、中风化层，大部分厚度为27～47m，部分地段稍厚。钻孔揭露地层、不良地质和隧道开挖情况跟微动探测结果基本一致。

3.5 不同勘察方法验证

本次勘探除利用微动探测手段外，还开展了钻探、高密度电法和钻孔深层位移测斜等方法对蠕动变形斜坡进行勘探。

3.5.1钻孔验证

本条测线共布置了4个钻孔，钻孔揭露覆盖层厚度在1.5～3.0 m之间，强风化层层低埋深为 12.5～30.0 m ，微动探测推测的岩性和风化界面跟钻孔揭露的岩性和风化界面厚度一致；钻孔2-ZK1、2-CX2、2-CX3在强风化层中均揭露到2层含泥软弱夹层，Vx剖面图中也有明显的条带状低波速异常，与钻孔揭露深度一致；钻孔2-CX2、2-CX3、2-CX4揭露的蠕动变形面①深度为12.6～26 m，揭露的蠕动变形面②的深度为22～48 m，微动在钻孔揭露蠕动变形面深度处存在明显的块状低波速节理裂隙发育带，推测为蠕动变形面。

3.5.2高密度电法结果验证

高密度电法在强风化层和浅部中风化层形成的低阻异常带在剖面中贯通性好，异常边界视电阻率值变化梯度较大，且异常带向坡外侧倾斜(图8为高密度电法视电阻率反演图)。根据地调、钻孔和隧道开挖结果，推测自浅至深共孕育有2个潜在滑动面(蠕动变形面①和蠕动变形面②)。蠕动变形面①主要发育在强风化层与强、中风化交界面附近，滑床为强风化、中风化层砂岩夹泥岩，滑体为黏土和强风化砂岩夹泥岩，大部分厚度方15～22m，部分地段稍厚；蠕动变形面②主要发育在中风化层中的结构面、裂隙破碎带或软弱夹层，滑床为中风化砂岩夹泥岩，滑体为黏土、强、中风化层砂岩夹泥岩，大部分厚度为27～45 m，部分地段稍厚。相对于高密度电法在探测风化界面、地层结构面、节理裂隙发育带或夹泥软弱层等方面，微动探测效果要优于高密度电法，分辨率相对较高。

图8 高密度电法视电阻率反演图

3.5.3深层位移测斜结果验证

根据钻孔2-CX2 自动化深层位移测斜曲线显示，孔深24.5 m(高程917.07 m)和42.0 m(高程899.57 m)都发生了明显偏转，拐点位置滑面峰值累积分别位移了58.78、13.54 mm(图9钻孔深层位移测斜曲线图)。根据钻孔2-CX3 自动化深层位移测斜曲线显示，孔深22 m和(高程888.55 m)和44 m(高程866.55 m)也发生了明显偏转，拐点位置滑面峰值累积分别位移了9.0、5.0 mm(图9钻孔深层位移测斜曲线图)。在微动反演剖面物探桩号250～310段埋深21～25 m和40～45 m，有明显低波速异常分界面，2种手段推测蠕动变形面结果一致，说明牵引段蠕动变形面①、②位置是可靠的。

(a) 钻孔2-CX2 (b) 钻孔2-CX3

3.6 滑坡成因分析

隧道出口端边坡岩层产状倾向坡内，对边坡稳定性有利，但节理45°/NW∠25°对边坡是不利的，且坡面中部地形较陡，边坡岩体总体较破碎、节理裂隙发育、局部含泥质软弱夹层，对边坡稳定性不利。隧道施工左洞ZK142+140位置发生了小型塌方，洞顶形成了空腔产生了一定卸荷，且ZK142+140 位置为中风化、强风化界限，推测上覆盖层与强风化沿该空腔产生了一定变形，进一步发展阶梯状蠕滑、拉裂和内部剪切破坏，稳定性降低，造成了边坡发生整体滑移趋势。

4 结束语

本次蠕动斜坡勘察主要使用微动探测方法，其探测结果与隧道开挖揭露地质情况、钻探、高密度电法和深层位移测斜探测结果基本吻合。从探测效果来看，相对于高密度电法，微动探测对地层软硬、破碎程度、地质结构面和软弱夹层的分辨率能力更为突出，为斜坡病害处治提供了更加精细的地质资料。总之，微动探测技术应用在蠕动变形斜坡勘察中能取得较好效果，它具有探测深度大，抗干扰能力强，地形影响小，对岩土分层、结构面分辨精度高，对不良地质体反应灵敏等特点，具有很好的应用前景。