直线型台阵微动技术在隧道勘察中的应用研究

2023-12-29傅庆凯

物探化探计算技术 2023年6期

傅庆凯

(福建省交通规划设计院有限公司,福州 350004)

0 引言

近年来,铁路、公路建设飞速发展,其中隧道作为关键控制工程,其勘探质量直接影响工程的施工安全,因此加强隧道地质勘察是施工建设的重点,具有十分重要的意义。

我国对隧道的探测目前仍以钻探方法为主,但钻探不仅具有成本高、工期长等特点,还会对环境有影响。随着节能减排,低碳环保制度的深入贯彻,绿色地质勘察代替传统地质勘察工程,其中地球物理方法发挥的作用越来越大。常用的物探方法有:地震波法、电磁测深法、弹性波CT法、高密度电法、瞬变电磁场法等[1-7]。其中,微动探测技术易实施、高精度、不需要人工震源等优势使其在探测地下空间结构,了解岩土层的基本构成等方面发挥了重要作用,不仅能够节约高额的钻探费用,还能明显地缩短工期,降本增效,绿色低碳环保,具有重大的经济和社会效益。

我国的微动探测技术起步比较晚,上世纪八九十年代,王振东和冉伟彦才[8]第一次将这种方法引进到中国;徐佩芬等[9]论述微动探测作为地层分层和隐伏断裂构造探测的物探新方法;刘宏岳等[10]介绍其在福州地铁1号线多个盾构区间孤石探测的成功案例,说明微动探测方法在城市复杂的环境条件下孤石探测方面具有良好的应用效果;李文倩等[11]利用H/V谱比法计算各场点场地卓越频率,成功回归拟合了场地卓越频率与覆盖层厚度的关系;张若晗等[12]对济南中心城区的土石分界面展开研究,说明微动H/V谱比法在城市强干扰环境中确定土石分界面深度提供了快速准确的解决方案。

现在微动探测技术更多是用于探测地下横波速度结构[13-15]和预测覆盖层厚度[16-20],但我国目前在隧道勘察领域微动探测技术的研究上整体比较落后,生产单位则更加薄弱,尤其是H/V谱比法方向没有什么进展。

1 直线型台阵微动技术

直线型台阵微动技术是基于ESPAC法和H/V谱比法的方法理论,通过直线型台阵滚动重复采集方式,获取频散曲线和H/V曲线等剖面数据,进行联合解译,获得地下地质结构。

1.1 拓展空间自相关法的基本原理

拓展空间自相关法(ESPAC:Extended spatial autocorrelation)的原理与传统的空间自相关法(SPAC)基本一样,它是基于阵列设备采集地面微动信号,通过数学计算及相关的数字处理技术提取其垂直分量中面波信号(主要为瑞雷波)的相速度频散曲线,进而推断其地质结构的一种地球物理探测方法。

根据Aki的理论假设,推导出空间自相关系数可以用零阶贝塞尔函数表示,即:

(1)

式中:ρ为自相关系数;r为两个检波器的距离;ω为角速度;ω=2πf;S12为两个检波器的互功率谱;S11与S22分别为两个检波器的自功率谱;c为瑞雷波相速度;J0为第一类零阶贝塞尔函数。

1.2 H/V谱比法的基本原理

如果场地为坚硬平坦(或基岩)的理想场地,理论上可以认为该场地并不会在某一频段或某一方向上放大地震反应,即每一个频段,每一个方向上的振动应该是大致相同的。但对于存在覆盖层的一般场地而言存在波阻抗界面,界面水平方向地震动存在放大效应,竖向地震动并没有显著放大,那么通过水平和竖向地震动的功率谱之比,则可以实现场地地层地划分。

微动数据的H/V谱为水平方向的功率谱与垂直方向的功率谱之比,即:

(2)

式中:PNS(ω)和PEW(ω)分别是水平方向两个分量的功率谱;PUD(ω)代表垂直方向的功率谱。

典型的H/V谱比法曲线具有一个明显的峰值频率F0,大量研究表明,H/V谱比法曲线的峰值频率与土石分界面深度H之间存在一定的函数关系,从统计学角度分析,根据大量的调研以及工程实例,可以认为,当样本越多,越靠近真实情况,可拟合出二者的函数关系。据此,可根据H/V谱比法曲线峰值频率估算土石分界面深度[11]。

H/V峰值频率与松散沉积层的共振频率相吻合,这和很多应用结果相符。H/V曲线中的频率峰值F0与松散覆盖层的平均剪切波速度和覆盖层厚度相关。通过H/V谱比法获得频率峰值F0以及Vs,可以用公式(3)获得覆盖层厚度。

(3)

式中:Dov为松散覆盖层厚度;VS为覆盖层加权平均剪切波速度(m/s)。

2 野外工作方法及数据处理

ESPAC法精度虽然略微逊色于SPAC法,但它克服了SPAC法台阵布设受限的缺点。因此,我们采用基于ESPAC方法理论的直线型台阵滚动重复采集方式,不仅台阵布设方式简单,外业效率明显提高,横向分辨率也大大提高,而且更符合公路线路勘察的需求。与传统的SPAC法不同的是:需要将直线型台阵按一定规则,抽道、组合成若干个小排列,同时保证每个小排列均是相同时间序列。

假设单个排列的检波器数量为n,滚动检波器数为m,抽道、组合得到小排列数为m,每个小排列检波器数量为k(k=n-m+1),再将每个小排列单独采用ESPAC方法进行数据处理,获得小排列中心点的频散曲线,最后将每个小排列获得的m条频散曲线按坐标组合成剖面,而传统的SPAC法仅能获得单点频散曲线。因此,通过直线型台阵滚动重复采集方式,创新的由剖面代替单点,横向分辨率显著提高,同时类似高密度电法一样,排列越长,检波器越多,解译深度大大提高。具体工作装置布置图见图1,以单个排列有12个检波器,每次滚动5个检波器为例。数据处理流程见图2。

图1 工作装置布置图

图2 工作流程图

3 工程概况

笔者以德化县某项目隧道勘察为例,论述直线型台阵微动技术在隧道勘察中的应用研究。该隧道位于泉州市德化县城郊,隧道长为1.85 km,属于长隧道,地貌上总体属于低山丘陵地貌区,海拔高度一般500 m～800 m不等,坡地天然坡度一般在20°～45°,山坡植被发育。低山丘陵地貌中多夹有河流阶地、山间谷地及小盆地等,沿线高差变化较大,地形较复杂。山间谷地地形呈阶梯状分布,现状多水田、村庄分布。

从物性特征来看,测区覆盖层与下伏中风化基岩的瑞雷波相速度差异较明显,且存在明显的波阻抗界面。因此,本场地具备开展微动测试的物理前提。通过H/V谱比法,则可以实现场地地层的划分。

4 物探工作布置及异常成果解释

4.1 物探工作布置

本次任务主要是运用综合物探与钻孔验证相结合,查明隧道沿线可能存在的不良地质情况。在选择物探方法时,因隧道沿线分布三条高压线,且隧道最大埋深约180 m,不宜采用电磁类的物探方法,所以采用抗干扰的直线型台阵微动技术,同时在部分浅埋段采用高密度电法,相互验证,共布置三条物探测线(L1～L3),具体地形、物探布置平面如图3所示,各测线采用的物探方法、测点范围、长度、工作参数情况见表1。

表1 物探工作量表

图3 物探测线平面图

4.2 异常成果解释

4.2.1 直线型台阵微动技术物探成果

纵观L1～L3测线直线型台阵微动技术物探成果剖面,发现测线间相速度分布情况基本一致,说明数据的可靠性。

1)节理裂隙密集带。相速度分布整体呈现上低下高的趋势,依据相速度大小、等值线下凹等情况,结合地形、地质调绘和测线间的相对位置,物探推测了三条节理裂隙密集带F1～F3,具体异常空间展布和物探成果见图3～图6。

2)岩性接触带。L2测线物探成果剖面中L2-93～L2-133段(400 m)、L3测线物探成果剖面中L3-93～L3-111段(180 m)和L3-152～L3-187段(350 m)相速度整体明显偏低,异常范围较大,而区域地质显示在该异常附近存在花岗岩与凝灰熔岩的岩性接触带,结合L1测线高密度电法成果,综合分析,物探推测存在条带状岩性接触带,在岩性接触带附近岩石较破碎、富水,导致该处物探成果呈现低速、低阻的异常形态,具体异常空间展布和物探成果见图3～图6。

3)土石界面。对于隧道土石界面的划分,主要是通过H/V谱比法来推断,以微动谱比法峰值频率与土石界面的关系以及峰值非连续的断点异常为依据,一般认为谱比法值频率通过深度转换后,对应的深度即土石界面的深度。因此,采用连续追踪谱比法最大值的方式(类似地震法追踪同相轴),均存在一条比值大于2的连续层位,在图4(b)、图5(b)、图6(b)谱比法等值线剖面图中用连续虚线表示,即土石界面,埋深约5 m～30 m,具体地层划分见图4～图6。

图4 L1测线物探成果剖面

图5 L2测线物探成果剖面

图6 L3测线物探成果剖面

4.2.2 高密度电法物探成果

高密度电法勘探深度虽然有限,但在浅层分辨率高,能够准确快速地探测一定深度范围内的节理裂隙密集带、岩性接触带等的不良地质体。L1测线高密度电法物探成果剖面中L1-84～L1-96段(80 m)视电阻率呈现近垂直条带状低阻异常,结合其他物探测线异常,推测为F3节理裂隙密集带;L1-120～L1-158段(380 m)、L1-180～L1-194段(140 m)视电阻率相对两测偏低,异常范围较大,结合其他物探测线成果,物探推测存在条带状岩性接触带;L1-103和L1-170处附近存在两个相对低阻的圈闭异常体,由于均处于山顶正下方,物探推测为地形引起的假异常,具体异常空间展布和物探成果见图3～图4(c)。