微动探测技术在隧道工程勘察中的应用

刘荣剑, 张玉池, 梁志宇, 田 燚

(1.桂林理工大学 地球科学学院,广西 桂林 541006;2.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司,广西 桂林 541004)

0 引言

微动是一种广泛存在于地球表面,没有特定震源的微弱振动,主要由人类的日常活动以及各种自然现象所产生。这种复杂的振动产生的波由体波和面波组成,其中面波能量占微动信号总能量的70%以上。由于这种面波的频散特性,具有振幅、频率随时间、空间发生显著变化的特点,在一定时空范围内,其信号的振幅和形态具有一定稳定性,可用时问和空间上的稳定随机过程来描述[1]。微动探测技术,就是利用上述微弱振动作为震源的一种地球物理勘探方法,该方法主要通过采集天然场源微动信号,通过数据处理与分析技术提取面波频散信息,获得波速度结构以实现勘探目的。这种方法具有环保、节能、绿色、快捷和抗干扰能力强等特点[2-4]。近年来,随着科学技术的进步,微动探测技术发展迅速,数据采集和微动数据处理技术得到提高,在工程勘察、环境调查等领域取得了理想效果[5-8]。本文通过微动探测技术在隧道勘察中的应用,获取了隧道轴线剖面地下介质视 S 波速度分布情况,对隧道围岩进行了划分,通过方法对比验证微动探测的有效性和先进性。

1 微动探测技术原理与特点

1.1 基本原理

微动探测技术是一种利用“微动信号”来进查明地下地质情况的勘探方法。这些“微动信号”主要来源于自然现象和人文活动。通过台阵接收这些微动信号,通过数据处理,提取其频散曲线,并获取面波速度。根据提取面波频散曲线方法的不同,分为空间自相关法(SPAC法)、频率-波数法(FK法)。在实际应用中,空间自相关法所需接收点少、频率宽,对于所提取的低频部分面波信息有利,但较难分辨高阶面波;而频率-波数法台阵布设灵活,所需接收点多,容易分辨高阶面波,但分辨率较低,且当目标层较深时,其工作量太大,台阵布设比较困难[9]。本文主要采用空间自相关法提取面波频散曲线。

空间自相关法是通过构建圆心台阵和圆周上台阵的空间自相关函数,过对其空间协方差函数做方位平均,得到第一类零阶贝塞尔函数和其宗量,最后根据第一类零阶贝塞尔函数的宗量可求得瑞雷波的相速度与频率的关系,即可绘制出相速度-频率曲线。

假定台阵布设为圆形,在圆心处布置一个检波器,其余检波器等角度布置在圆周上。假定中心点C(0,0)与圆周上任一点X(r,θ),记录的角频率为ω的面波信号分别为μ(0,0,ω,t)与μ(r,θ,ω,t),其空间自相关函数为

(1)

式中:μ为面波信号;r为接收点检波器与中心点的距离;θ为方位角;ω为角频率。

则空间自相关系数η(r,ω)为

(2)

积分得

(3)

其中,J0(x)为第一类零阶贝塞尔函数;C(ω)是角频率为ω的面波相速度。

即

C(ω) =ω/κ

(4)

κ为波数;从式中可以看出,空间自相关系数是面波相速度和频率的函数,通过拟合计算的空间自相关系数η(r,ω),可以求得面波相速度。

1.2 微动探测特点和优势

微动探测技术之所以能够在工程勘探中得到广泛应用,是因为其本身所具有的诸多优势,其主要特点包括:

(1)微动探测无需人工场源。相对传统地震勘探,微动探测的震源主要来源于气压、风速、海浪、潮汐变化等自然现象以及车辆行驶、机器运行、日常生活、生产等人类活动,利用这些微动信号提取面波信息,研究地下结构。

(2)设备轻便、施工方便。微动探测仪器相较于常规地震勘探仪器,轻便小巧,工作方便,单人即可携带使用。

(3)台阵型式多样,突破了地形限制。微动探测的数据处理方法不受台阵型式影响,突破了空间自相关法的台阵型式的束缚,可以有不规则台阵型式,不受场地空间与地表条件影响。

(4)对生态环境不造成破坏。相对其他勘探方法,微动探测对周围的生态环境几乎不产生任何影响,比较适合对生态环境保护要求较高的区域。

(5)探测灵敏,分辨率高。对地下地层横向速度变化非常敏感,由于速度小,分辨率高。

(6)探测结果精确。通过多个微动勘探点与少量钻孔相结合的方式来进行勘探,可以使探测结果精确,从而使勘探质量得到充分保障。

1.3 观测台阵选择

根据场地条件,本次选用直线型、L型、T型及“十”字型台阵实验见图1,最大边长30 m,检波器间距5 m,频率2 Hz,采样时间频率4 ms,采样长度20 min。实验结果见图2。

图1 微动台阵示意图

图2 4种台阵的频散曲线

由图2可见,4种台阵提取的频散曲线形态、数值很相近,反映的深度均超过100 m。T形台阵、“十”字形台阵的频散曲线“之”字特征清晰,尤其是“十”字形台阵的频散曲线“之”字特征最为明显、清晰,按理应采用“十”字形台阵进行野外微动数据采集,但在隧道勘察中,因受场地地形条件限制,采用直线形台阵采集微动数据,同样可以达到勘察目的。

2 面波速度与围岩类别关系

在现有规范中[10],对于隧道围岩的分类是按照弹性波纵波速度划分的。根据纵波速度、横波速度、面波波速的关系,可换成关于面波速度划分围岩的标准。其相关公式如式(5)和式(6):

(5)

(6)

式中:VP是围岩的纵波速度(km/s);VS是围岩的横波速度(km/s);VR是围岩的面波速度(km/s);μd为泊松比。

根据围岩分类与纵波速度的关系,通过式(5)和式(6)计算,得到以面波速度划分隧道围岩分类的标准(表1)。

表1 隧道围岩分类

3 应用实例

3.1 工程概况

隧道位于兴安县华江瑶族乡旅游公路的K1+245～K1+790处,处于NE向白崖岭逆断层与油榨平正断层之间。该隧道区地形起伏较大,属低山地貌,植被较发育;覆盖层主要为种植土和碎石,下伏基岩主要为奥陶系升平组砂岩,根据岩石风化程度分为全—微风化层。

物探测线沿着隧道中轴线布置,微动探测选用“一”字型台阵型式,频率2 Hz,采样率4 ms,采样时间长度20 min,最大边长100～150m,视现场情况而定,点距20～40 m。

3.2 成果分析

获得微动探测数据后,通过SWS PTRYScan软件波源分离处理,提取频散曲线,获取场地卓越周期,通过反演获得各层的厚度和面波速度,用CCSWSMAP软件绘制面波等速线拟断面图。该隧道轴线的微动探测的面波视速度等速线断面图见图3,隧道轴线微动探测解释剖面见图4。

图3 隧道轴线微动探测面波视速度等值线断面图

图4 隧道轴线微动探测解释剖面图

3.2.1 地层结构

根据探测可知,场地主要分两层:覆盖层和基岩。覆盖层主要为碎石土和坡积裙松散堆积层,厚度不均匀,一般在2～8 m范围内,局部达15 m,其面波速度VR小于200 m/s;基岩为砂岩,其面波波速VR在200～2700 m/s之间,岩石风化不均匀,其中,隧道进口处面波速度VR在700～1200 m/s之间,岩性主要为强风化砂岩;隧道出口处面波速度VR在200～700 m/s之间,岩性主要为全—强风化砂岩。

3.2.2 隧道围岩级别

根据微动探测结果,隧道的围岩级别划分为Ⅲ～Ⅴ级。其中Ⅲ类分布在K1+491～K1+504和K1+629～K1+666段,Ⅳ类围岩分布在K1+272～K1+491、K1+544～K1+590、K1+606～K1+629和K1+666～K1+745段,Ⅴ类围岩分布在K1+245～K1+272、K1+590～K1+606和K1+741～K1+790段。

3.2.3 不良地质

由图3可见,在隧道轴线360 m处,速度等值线呈“U”字型,即存在明显的低速异常,推测此处为F1破碎带。该破碎带处于隧道的K1+573～K1+614段,倾向隧道入口。

3.3 验证

通过钻孔资料以及隧道施工验证,微动探测分析成果与实际情况比较吻合。

4 结论

(1)微动探测方法在划分隧道的地层结构有较理想效果,能适应山地地形起伏的探测环境。

(2)微动探测方法提取的频散曲线具有明显的分层特性,利用面波速度能很好地划分地质界面和基岩风化程度分界面,从而划分隧道围岩的等级,为进一步施工提供地质资料。

(3)微动这种“无源”探测方法,在实际工作中,方便快捷,经济环保,突破场地地形限制,具有勘探深度大、地质界面深度准确等特点。