城市地铁地表沉降风险防控中微动探测技术的应用研究

宗传攀，姚永林

（山东省第七地质矿产勘查院，山东 临沂 276006）

1 工程概况

某城市地铁2号线隧洞工程位于新区与老城区之间，全长5.1 km，设计5站5区间，车长总长度、区间单线延米长分别为1.1 km、7.55 km。本线路穿越闹市区，且在地下存在各类管线与建筑物。为做好城市地铁地表沉降风险防控，相关人员应详细了解地层分布、地质构造、地质环境情况，采用微动探测技术结合钻孔及地质资料查明地质环境，确保探测的有效性，为城市地铁地表沉降风险防控提供指导依据。

2 微动探测技术原理

微动也称为环境噪声或地脉动，源于人类活动和自然界震动，例如，自然界产生的风吹草动、气压变化、海浪起落等；人为因素产生的人的行走、车辆的来往、建筑施工等[1]。微动探测技术主要以空间自相关法（SPAC）及频率-波数谱法（F-K）为主，以微动台阵探测为基础，微动探测在信号收集时采用台阵布置方式，主要台阵类型有圆形、嵌套三角形、T形、L形、十字形、直线形等。SPAC法只适用于规则的圆形台阵；F-K法可以适用于更灵活的台阵，但需要布置较多测点（至少需要7个检波器）。在空间自相关法律的基础上提出的扩展空间自相关法（ESPAC）可不受圆形台阵的限制，适用于不规则台阵，同时不需要布置过多测点即可获得较好的频散曲线。地层的诸多信息都能在Rayleigh波的波速特征与衰减特性中体现出来，面波Rayleigh与横波S的波速比为0.87~0.95，二者十分接近。面波Rayleigh会在不均匀介质传播中出现频散现象，频散的主要影响因素为横波速度。

利用ESPAC提取微动信号的频散曲线一般分为以下步骤：（1）同时对不同半径的台阵观测点进行数据采集；（2）对数据进行滤波处理；（3）分别计算不同半径圆中心点与圆周上第i个观测点微动信号的自功率谱和互功率谱，进而得到该半径下的自相关系数；（4）将自相关系数与贝塞尔函数进行拟合，求自相关系数与距离之间的变化情况。在提取频散曲线之前，对采集到的原始数据采用剔除异常值、消除趋势项、平滑处理、数字滤波和相关分析等方法进行预处理，从而将可用频率成分有效提取出来；对不同频率中心的接收点及其在圆周上不同点之间的空间自相关系数进行计算，然后进行方向平均，在不同观测半径空间自相关系数下获取频散曲线。

微动信号提取出频散曲线后，选取合适的反演方法以得到地下结构信息。首先，依据半波长法建立一维S波速度初始模型，然后，采用非线性全局优化算法及个体群探索分歧型遗传算法进行反演。这类方法具有较强的全局寻优和非线性反演映射能力，与地下介质的横波速度结构和频散曲线为非线性关系一致，能够快速地由相速度频散曲线反演得到台阵下方的S波速度结构的最优解。在获取反演频散曲线时，结合地质资料进行联合反演，可以有效降低反演的多解性，提高反演结果精度。细化通过反演频散曲线得到横波速度结构，提高地层的分析精度。

3 城市地铁地表沉降风险防控中微动探测技术的应用要点

3.1 数据采集与处理

1）数据采集台阵根据工作环境选择适合的台阵，以达到目的为准。在布置检波器时，应尽量避免近场强震动源，选择在车辆行人少或夜间干扰小的时候进行施工，并适当延长数据记录时间，多次叠加消除干扰源。做好野外采集监控措施，对强振动干扰信号点减小信号增益，消除干扰源。通过改变检波器组合方式可避免强振动引起的干扰。野外记录时，应在数据处理阶段滤除或者剔除干扰时段采集的数据[2]。在数据采集期间，使用数字化检波器可实现全数字化数据采集。设置记录仪参数，做好数据采集准备工作。精准放置仪器，确保仪器能有一个安静的工作环境，提升数量记录的有效性。沿测线逐点观测，观测系统单点观测时间宜控制在10~20 min，结束前一个观测点后再开始下一个探测点的观测。智能检波器的应用能实现多分量多波束采集。

2）采用对排列阵型不严苛的F-K法，对勘探数据面波频散曲线进行提取，通过数据处理程序的编制，对采集到的数据进行处理，形成图形与频散曲线。采用DMSH和VFSA作为反演方法，其数据处理流程为：输入微动记录→处理参数选择→波形成图/空间自相关/质量控制→剪切波速反演→地质成图→地质解释。

3.2 探测覆盖层厚度及基岩面形态

地铁2号线隧洞工程施工中，地表沉降将影响工程的安全施工。其中，岩性与地层深度等参数能为地表沉降风险防控提供参考。利用微动探测技术，对地层的岩土层分布情况进行了解，判断岩土层的性质、地层应力等参数，明确是否需要采取支护措施。微动探测技术的应用可以反映出岩性的纵向与横向变化，为地铁工程提供了基岩面的各类信息、岩土层的分化程度。布设检波器时应使用36道数据采集节点，采集节点分为2个部分，分别为Ah1~Ah19、Ah20~Ah36。第一部分数据的采集需使用2.5 Hz检波器，第二部分的数据道为空道，没有检波器。10 cm直径的圆形观测台站设置数量为2个，台阵探测深度、中心点点距分别为30~50 m、10 m。采样率与采样时间分别为2 ms与30 min，采集记录为15个。微动探测期间要控制好整体误差，不宜超过5%，确保能准确反映地层的底层深度意义[3]。

3.3 探测地下孤石

在地铁2号线隧洞工程中，要了解工程所在区间的地层分布情况，但由于地下孤石的分布位置是不确定的，难以通过地质勘查探明，这样会给盾构施工带来一定影响。所以，需采取微动探测技术发现地下孤石，明确孤石的具体位置，并采取有效的碎石措施，避免影响工程进度与安全。花岗岩遭受不均匀风化残留的风化核是地层深处孤石产生的主要原因，在地层中孤石随机分布，且大小不一，给地铁工程安全施工带来极大影响，同时也可能造成地表沉降，安全隐患较大，同时增加了盾构期间掘进难度，会使刀盘产生磨损与变形，影响施工进度。在探测孤石时，可以采用2.5~3 m的正五边形阵列。五边形顶点、中心点的6个检波器与数据采集系统组成圆形阵列，测点布置间距为5 m，要求能对整个隧道范围进行覆盖。使用测试仪器采集振动信号，将地震仪与2 Hz三分量检波器通过电缆连接方式组成测试仪器，为保证各台地震仪对信号实现同步采集，可以使用GPS授权完成。探测期间微动探测与钻孔底层深度对比见表1。探测孤石过程中，如果微动视S波波速为550~650 m/s，区域速度较高，可以判断出这个区域存在不良地质，含有孤石。

表1 微动探测与钻孔底层深度对比

3.4 求取频散曲线

频散曲线是表示频散波的周期（或波长、频率）与波速间关系的曲线，可采用空间自相关法求取频散曲线。求解频散曲线，可以对地铁2号线隧洞工程中地层的不同情况提供参考。在复杂地层结构中，频散曲线能反映地层变化的细部结构，明确地层条件、震源类型等，同时也能对缺陷位置进行有效定位。在微动探测技术应用及在求解中可以分为两步：

1）求解频谱。微动信号的功率谱与交互谱的推定进度决定频散曲线精度。功率谱与交互谱可以使用快速傅立叶变换（FFT）区间平均法进行计算。按照40.09 s的长度规格观测数据，将噪声大与不稳定的时间段去除，然后通过FFT变化对剩下的各时间段信号进行变换，功率谱可使用Parzen谱窗进行平滑处理，通过对平均值的计算确定频谱的推定量。

2）求取瑞雷面波频散曲线。各种距离下的空间自相关系数可通过数据计算获得，同时将各个频率下的面波传播速度计算出来。

3.5 微动探测成果解释原则与评价

3.5.1 成果解释

1）视S波速度剖面解释。在探测期间第一段隧洞开挖期间，低速区在开挖界面以上部分发育，在垂直与水平方向有土层速度变化，速度在350 m/s以下。第二段在隧洞顶面上有异常情况，存在高速异常包裹体。

2）探测的重点是隧洞洞身范围内的速度异常，在探测期间由于存在误差，所以，在解释不良地质期间则包括顶界面向上与向下1 m的范围。

3）速度变化是判断隧洞掘进范围内是否存在异常体的标准。相比于正常区域，有孤石区域会存在异常。孤石的物理特性为致密与坚硬，属于高速异常体，孤石与异常之间呈正相关。

4）在盾构施工期间，基岩属于不良地质体，基岩的掘进速度范围与视S波速度的等值线趋势变化有关。

3.5.2 评价

安全性。盾构掘进过程中，隧洞分为安全区、警示区与危险区。安全区，基本无速度，且没有基岩土气等问题，或者局部速度有异常；警示区就是在局部区域存在异常情况，要采取钻孔方式进行验证，基岩凸起等情况不能通过验证结果排除；危险区就是有明显异常存在，应通过钻孔验证确定是否存在孤石。

4 微动探测方法的局限性及改进方向

1）微动探测法属于体积勘探，在探测过程中需要在一定半径内展开探测，探测范围会有局限。直径约1 km范围内的平均物性结果是某一点大地面波探测结果，而不是圆内某个点的局部地质信息。

2）观测系统在应用中依然需要不断改进，由于要与多条导线、记录仪进行连接，微动探测方法在使用期间相对比较麻烦，且系统容易受到损伤。应进一步提高数据采集的分辨率，增强深部信号、压制浅部（地表）信号，从而提高微动探测技术的勘探深度及勘探范围。

3）数据的处理还有很大的改进空间，可以使用更为先进的处理方法，如回归模型等。

4）在干扰小的区域可与高密度测量及探地雷达测量结合进行综合反演，提高数据拟合精度。

5 结语

城市地铁地表沉降风险防控中微动探测技术的应用，需要做好应用全过程的细节控制，提升数据采集与处理的有效性，以判断地层是否存在不良地质，并结合数据分析情况制定地表沉降风险防控策略。微动探测技术在实际应用中具有较强的抗干扰性，且便捷性较强，能满足地铁工程的实际需求。