新型微动探测技术在砂卵石复合地层盾构隧道中的应用

2024-01-09朱尚明

兰州工业学院学报 2023年6期

张雯,张磊,朱尚明

(1.水电水利规划设计总院,北京 100120;2.长江生态环保集团有限公司,湖北武汉 430014;3.中电建铁路建设投资集团有限公司,北京 100070)

地铁作为城市交通的关键组成部分,是城市生活的重要支撑设施。地质勘察在地铁建设中起着至关重要的作用,因为它直接关系到施工的安全性、进度和质量。随着城市的持续发展,轨道交通网的密度也在不断增加,地质勘察的手段也在不断进步。然而,地铁施工区域的复杂性也在逐步提高,例如,在成都地铁建设中,盾构施工常常会面临一系列的挑战:密集的建筑群、含有丰富水分的砂石混合地层、复杂的地下管线等。在这种情况下,传统的地质勘察方法,如钻探和物理勘察,存在显而易见的缺点和局限性[1-2]。首先,这些方法的抗干扰能力较弱,可能导致数据失真,因为它们受到场地条件的多重限制,检测精度不高,可能会创建地质信息的盲区,从而引发建筑施工的安全隐患,导致经济上的额外损失。同时,在当前可持续发展观念的大背景下,对城市基础设施的环保要求也在不断加强。许多传统的地质勘探方法可能对居民的生活和社会安全产生严重影响,并带来巨大的经济损失,如建筑物的破坏、地下管线的破裂、噪音和粉尘等。随着技术的发展,微动传感技术在现代城市轨道交通建设中得到了逐步的应用[3-4]。本文以成都轨道交通18号线盾构工程为案例,对微动探测技术进行深入研究,重点探讨数据质量控制、观测系统设计以及识别不良地质体的适应性改进等方面,并将新型微动技术应用于成都砂石复合地层盾构工程的地质勘察,取得了满意的探测效果,为城市轨道交通建设中新型环保地质勘查技术的推广和应用提供有力支持。

1 微动基本概念及原理

微动(micromotion)是指在地球表面持续存在的各种频率的微弱振动。微动信号的发生主要分为两类:一类是人的活动,一类是自然变动。包含体波与面波成分的微动讯号,在时间与空间上呈现不规则的特性,展现出极强的随机性,但这些信号在一定的时间尺度下,都能表现出某种规律性。微动信号在传播中通过多重反射和折射作用逐渐积累下地层的原始特征信息[5],因此,观测点下面的地层结构信息可以通过收集微动信号来进行分析。

微动信号包含了很多信息,这些信息与它的来源、传播模式、地层结构密切相关。一般来说,微动信号具有如下特性:① 包含有大量地层信息;② 地球表面存在于任一时空之内;③ 源的振幅、触发时间、空间分布都是随机的;④ 某一定点在一定时间内观察,它的传播方向是平均的。

2 微动探测技术

从信号属性的角度理解,微动探测可以被视为一种宽泛的弹性波测量方式,它是地震勘探方法的一种形式[6]。然而,两者之间还存在着明显的区别。传统的地震勘探方法使用可控的人工震源,并在信号的相位域内进行处理,而微动勘探不依赖人工震源的力量。微动勘探利用各种外部干扰来完全提取振动信号,如果震源位置相对于观测点较远(满足远场近似),那么微动信号中的面波成分将会占据主导地位。因此,利用面波传播属性来研究地表地层结构的弹性波探测方法,就是微动探测方法的实质。

2.1 信号特征曲线提取

频散是面波在非均匀介质中传播时传播速度与频率之间的关系。在微动探测中,频散是面波的重要特性,也是该技术的理论基础。通过获取观测点的面波频散曲线,可以推测地层结构。研究表明,在地震反应中,横波(S波)速度对浅表地层属性变化的敏感性高于纵波(P波),因此微动探测技术通过反演S波速度结构来重建地层结构,特别适用于浅层结构的探测,尤其在地震工程领域。

微动信号是由时间和空间上高度随机的波源和不同振动机制组成的复杂弹性波集合。除了主要的面波之外,微动信号还包含体波、散射波、绕射波等成分。为了提取面波频散曲线,需要满足微动信号在时间和空间上的平稳随机性条件。可以利用空间自相关系数法(SPAC法)从混合波集合中提取出面波的频散曲线。在已确定台阵半径的情况下,可以通过公式(1)推导出面波相速度v与频率f之间的关系,从而得到频散曲线。

(1)

式中:C(f)为台阵测得的空间自相关系数;J0为零阶贝塞尔曲线;v(f)为频率的面波对应的相速度;r为台阵半径。

2.2 浅地表结构重建

利用台阵观测资料,通过 SPAC 方法将面波频散曲线从微动台阵记录资料中提取出来。我们对横波(S波)速度Vs进行了反演,得到了S波速度的二维剖面,S波速度剖面是地质解释的依据之一,是对地层岩性变化的客观直观反映。具体步骤:① 在地面设置地震仪进行台阵观测;② 在观测点获取微动原始信号,获取空间自相关系数;③ 利用观测得到的资料求取频散曲线;④ 由频散曲线反演并推导出台阵下方浅地表地层构造[7-8]。根据图1所示,获得S波速度剖面。

图1 微动法获得S波速度剖面流程

3 新型微动观测系统设计

根据微动理论,实际的空间自相关曲线只有在无限多的台阵圆周节点上才能与理论曲线(零阶贝塞尔曲线)完全一致。然而,在实际工程项目中,由于成本和施工效率的限制,无法将无限多个节点排列在圆周上。因此,在台阵设计中选择最佳节点数成为关键步骤,需要进行多个最优化分析。

在前期调查研究基础上确定SPAC曲线的精确度、硬件成本投入和施工效率这3个关键变量。根据工程需求进行多元最优化分析。首先,我们比较SPAC曲线所得的不同圆型台阵节点数。从图2中可以清楚地看出,圆周内的节点数对SPAC曲线有显著影响。当圆周上只有3个节点,即4个节点的台阵时,所得到的SPAC曲线相关性较低,整体形态与标准的零阶贝塞尔曲线有较大差异。4节点台阵的稳定性和抗干扰能力较差,难以在复杂环境和瞬时非稳态噪音较多的情况下获得高精度的SPAC曲线。随着圆周上节点数量的增加, 7、8、9节点台阵的SPAC曲线,无论是整体形态的精确度还是曲线的圆滑程度均表现出更高的精确度。这验证了SPAC曲线的精确度随着台阵节点数目增加而不断提高。

图2 不同节点数台阵SPAC曲线对比

在实际工程项目中,除了数据准确性外,造价投入和建设效益也是同样重要的考虑因素。尽管增加更多的台阵节点可以提高数据的准确性,但同时也意味着更高的成本投入和较低的建设效率。因此,在进行最优化分析时,需要综合考虑这2个变量的影响。通过图3节点数量与成本投入之间的函数关系以及施工效率的分析,当台阵节点从4个增加到9个时, SPAC曲线的整体精确度呈现持续改善的趋势。这可以大致分为2个区间:在节点数量从4～7之间,精确度明显提高;而在超过7个节点后,精确度的提升相对较小。从施工效率方面来看,增加台阵节点数量会增加布点所需的时间,导致施工效率降低。此外,内接多边形所形成的形状也会受到节点数量的影响。例如,对于4个节点和6个节点的台阵,如果它们位于圆周上,分别形成3和5个结点,形成的内接多边形不会有对角线从圆心穿过。这可能在仪器布设上带来一些不便,因此施工效率和布点精度也会提高。

图3 多节点最优分析曲线

综合考虑了数据准确性、成本投入和施工效率后分析认为,7个节点的台阵是较为理想的选择。在保证SPAC曲线获取准确性的前提下,在成本和施工效率的综合考虑下,7个节点的台阵是一个较为合适的选择。

4 工程应用实例

4.1 工程概况

以成都地铁 18 号线盾构工程某区段为例,探测区间总长 1.6 km,目标探测深度为 0～30 m。本项目盾构要穿越高富水砂卵石泥岩复合地层,其自稳性较差。上部为沙卵石占多数的地层,既有随意分布的卵石,又有大量的砂石和水,渗水性较高;既有渗透力差、阻水能力强的下层泥岩层,也有横向分布不均的多条弱带,存在地质不良类型的可能。主要有如下影响:

(1) 地层空洞:S波速度、密度明显小于围岩,形成空洞的原因主要为人类工程活动因素(如盾构超方、管片封闭不严、地下管网渗漏等),地层空洞早期形成的尺寸往往较小,无法被各种地勘手段监测。

长江流域水库群调度不仅技术要求高，而且协调各方利益的管理难度大。长江大型水库建设和管理主体多，分别有流域机构、各级地方政府及水利部门、发电公司或者电网公司、河流开发公司等，如果没有有效的管理体制和机制，水库各自为政，必然会出现上下游水库之间争水，导致一些水库蓄不满水，或者蓄水时间集中在汛后1～2个月内，给长江流域整体利益带来较大的不利影响。所以，要实现流域统一和协调的水库群蓄水方案，必须建立起必要的管理体制，协调防洪、抗旱和生态调度与发电、航运、供水、灌溉等兴利调度之间的关系。

(2) 高富水砂卵石复合地层:由于砂卵石地层结构相对疏松,含卵石较多,颗粒较大,相对来说单个卵石硬度较高,耐压能力较强。这就造成了在盾构开凿过程中,在盾构前方大量推挤卵石的同时,卵石的破碎效率低下,降低盾构开凿速度,对土体干扰增大。卵石中间夹杂着大量的沙土,会从卵石缝隙中逐渐流到盾构中,造成土体过度挖掘,形成地层的险要空洞。

(3) 漂石:砂卵石地层中分布着分散不均、随机性较大的漂石,如花岗岩、砂岩、石英砂岩等。

(4) 砂层透镜体:根据以往成都同岩段钻孔资料分析发现,砂层镜面主要分布在中砂-粉细砂层之间,研究区域内砂层镜面分布随机、深浅不一。从以往对钻孔砂层镜面分布的统计结果来看,易导致盾构超挖、涌水涌沙、掘进面上塌陷、地层变形和地表沉降等现象,除个别区段外,砂层镜面分布较为平均。

4.2 微动观测系统设计

此次微动探测的观测系统采用正六边形圆形台阵,其观测半径为 3 m。每个圆形台阵由 6 台置于六边形顶点的地动仪和 1 台位于圆心的地动仪组成。我们定义正六边形顶点至圆心的距离为观测半径R。在探测的第一阶段,我们将以图4所示的 10 m开外的距离,逐点测量,形成一个二维剖面。

图4 微动正六边形台阵观测系统

4.3 仪器选择

本次实施的微动测试采用了收集微动数据的 7 台 EPS-2 便携式微功耗宽波段地震仪(如图5所示)。该设备内部集成了三重地震感应器,北斗+GPS模块灵敏度高,电子指南针,体态感应器,ZIGBEE模块,蓝牙模块,可充电锂电池。连续工作 30 d以上,无需外接电源。对各观测点数据进行独立采集,测点间通过地震仪接收GPS 卫星信号,微动数据采样率 500 Hz,自动实现同步和时间校正。

图5 EPS-2便携式微功耗宽波段地震仪

4.4 数据采集及处理

为了保证原始数据的质量,检测台阵会沿着盾构区之间的方向布置,需要按照以下要求进行数据采集:① 保证地震记录器在保持稳定 GPS 信号的同时,电量和存储卡容量充足,保证仪器完成时间校准和水平放置,才能进行数据采集。② 各点数据采集时间必须保证不少于 20 min,必须严格按照观测系统中的地震记录器阵列摆放。当有重大干扰源通过时,数据采集时间需要适当延长。③ 现场工程师为了进行数据采集,需要时刻监测信号灯的实时情况,保证地震记录器处于工作状态。④ 每日数据采集结束后,对当日采集数据进行一次核对,次日对数据质量不达标的点进行一次复查。⑤利用软件对现场数据进行时域开窗,根据信号频谱确定时窗宽度,选择信号主周期 20～50 倍范围。求信号振幅均值(STA)和全数据段在各时间窗口的平均值(LTA),通过STA/LTA 比值来衡量各时间窗口信号段相对见顶的程度。当讯号的比率超过 3 点时,通常会被认为需要在此视窗内删除资料的短时间干扰。图6为微动原始信号部分点位波形实测情况,图中空白窗显示的是干扰信号,需要排除。

图6 数据开窗去噪部分点位微动原始信号波形

5 微动探测

采集到的微动原始数据通过处理后可获得横波(S波)速度剖面,对微动视S波速度剖面进行如下地质解释。

5.1 世纪城站北段综合地勘成果

图7为锦城广场～世纪城站区间左线(ZDK15+90至ZDK15+360段)微动解释成果图,图中黑实线代表隧道洞体的边线。

图7 世纪城站北段左线(ZDK15+90至ZDK15+360段)综合地勘成果

从微动的成果看,该段盾构掘进隧道设计范围地层结构较为复杂,ZDK15+90至ZDK15+270段基本在泥岩层掘进,而泥岩层质地偏软。在里程ZDK15+270至ZDK15+340段处横波速度横向变化明显,为泥岩-卵石层复合地层,地层稳定性变差,危险系数较高,建议掘进过程中加强对该段的动态监控。

图8为锦城广场～世纪城区间右线(YDK15+50至YDK15+350段)微动解释成果图,图中黑实线代表隧道洞体的边线。

图8 世纪城站北段右线(YDK15+50至YDK15+350段)综合地勘成果

与同里程的左线区段相比,这一区段盾构掘进通道区间的横波速度分布更为复杂,主要体现在以下两点:

(1) 泥岩层不再呈现隧道平行方向均匀水平分布的情形,在YDK15+50至YDK15+90段、YDK15+245至YDK15+290段存在低速异常区、YDK15+300至YDK15+340段存在低速异常区,可能预测了强风化泥岩层。该段岩层稳定性极差,在防止崩塌、沉降等地质灾害发生的建设过程中,应引起我们的高度重视,利用微动探测技术确定了该属性岩层的分布范围。

(2) 探测影响范围内存在高速异常体,异常体中轴埋深约 8 m,其速度明显高于围岩,横向连续性较好,厚度约1.5～1.8 m,且对成果剖面渐变趋势有一定影响,经与甲方技术部多次论证后,在解释工作期间进行了研究。认为该处对地下 DN1600 污水管结构的响应几率较高,如图9所示,建议做好该管线对施工影响的总体评价后再进行施工。