公路隧道工程风化层勘察中微动勘探技术的应用

摘要 为探索微动勘探技术在隧道工程风化层勘察中的可行性，文章在分析微动勘探技术原理及野外工作方法的基础上，以某岩土体表现出明显风化特征的公路隧道工程为例，对实施微动探测的基本条件进行分析，进而对测线布置、探测仪器选用、台阵布置及探测步骤展开分析探讨；对微动勘探结果、钻孔取芯结果及工程地质勘察资料等进行比较。结果表明，公路隧道隧址区风化层微动勘探结果、钻孔验证结果与地勘资料完全吻合；微动勘探无损检测施测过程简便，数据采集及处理快速，测值精度高，对于公路隧道工程地质勘测十分适用。

关键词 隧道；风化层；地质勘察；微动勘探

中图分类号 P631文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）23-0107-04

0 引言

公路隧道工程中浅层岩土体勘察是保证隧道掘进施工安全的前提。浅层岩土体中的风化层胶结性和完整性差，岩质软弱，缺乏必要的岩土体稳定性能，同时也面临严重的安全隐患。如果不注重掘进施工支护或是所确定出的支护方案及措施缺乏合理性，必然造成围岩大面积失稳坍塌、突泥、冒顶。当前，通常采用物探和钻探结合工艺展开风化层探测，单一物探技术必然存在局限，很难取得理想的探测效果；常规探测方法同时受到勘探深度局限，无法大尺度展开。

微动探测技术近年来在河道治理、溶洞探测、采空区识别、地下孤石探明等方面得到较为成功的应用，但在地层界线探测中仍处于尝试阶段。微动勘探技术隶属于地震理论，施测原理和过程与瞬态面波技术较为接近。瞬态面波在波阻抗存在且地球物理勘探条件具备的砂泥岩地层风化层中已经得到成功应用，可为微动探勘技术应用提供借鉴。也就是说，在地层界线勘探中应用微动勘探技术具有理论上的可行性。

基于此，该文依托公路隧道工程实际，对微动勘探技术在隧址区软弱岩土层界线探测中的应用展开分析探讨，为公路隧道工程微动勘探积累实践经验。

1 微动勘探技术原理

1.1 探测原理

地震引发的噪声及地层脉动均属于微动，微动勘探技术通常对面波和体波组合而成的复杂振动展开探测^[1-4]。在地层结构内部原因及人类活动等外界因素的综合影响下，地层结构中必然面临振频在0～20 Hz的系统性振动，通过监测此种类型的微动，必然可以间接掌握相应区域地下岩土体的地球物理特征。

1.2 绘制相速度频散曲线

借助统计学原理及傅里叶变换将所获取到的初始微动信号重新输入频率域，这一流程内，探测中心点位与圆周任意点之间用此种思路推求到空间自相关系数相对应的频率域按照以下公式^[5-8]表示：

式中，ρ（ω，r）——空间自相关系数频率域；S_A（r，ω）——微动信号台阵采集中心点傅里叶变换函数值；S₀（ω）——微动信号圆周任一点傅里叶变换函数值；S^*_A（r，ω）——微动信号台阵采集中心点共轭复数；S^*₀（ω）——微动信号圆周任一点共轭复数；J₀——零阶贝塞尔函数；c（ f ）——地震引发噪声及地层脉动等微动方面面波对应的相速度（m/s）；f——地层结构中因各种原因引发的微动频率（Hz）；r——微动勘探台阵设计半径（m）。

根据以上思路来看，依托贝塞尔函数全面展开对地层结构中微动振频的计算以推求不同频率相速度，并据此应用相关数据结果绘制微动信号频散曲线；在此基础上对相关资料信息进行反演处理，同时借助波阻抗理论值和实测值之差计算横波实际传播速度。

1.3 微动提取H/V谱

具体而言，在微动勘探过程实施时，主要借助三分量拾振器对所可能涉及的微动信号展开实地量测与采集，相应得出分量垂直值与水平值相应频谱的取值比；采用适用的统计学分析技术展开参数反演；为避免迭代发散，还应在反演过程中采用最大似然估计^[3]。水平层状介质的微动面波H/V谱定义如下：

式中，（H/V）_m（ω）——频率为ω的微动面波H/V谱；P_NS（ω）、P_EW（ω）——处于正交状态的水平运动傅里叶功率谱；P_UD（ω）——处于正交状态的垂直运动傅里叶功率谱。

频率为ω的傅里叶功率谱按下式确定：

式中，P（ω）——频率为ω的傅里叶功率谱；L——并不具备重叠属性特征的资料段落对应的数量；S_Xl（ω）——运动方向主要以X向为主的第l个资料段展开微动处理时所对应的傅里叶函数。

1.4 野外施测过程

结合此前对探测技术原理的分析，探测目的是影响微动勘探过程、方法及结果的主要方面，从操作层面看，可以展开单点观测，也可以直接进行剖面观测，施测原理、工作思路均大同小异。在展开具体的施測和勘察时，单点观测这种技术和方法更具有普遍适用性，也有利于将取得到的观测资料串连为剖面数据。微动单点勘探在具体操作和展开时观测台阵布置形式如图1所示。其中，按照施测目的和便于展开方面的要求，顺时针布置6台仪器，分别为S1（在圆心处）、S2、S3、S4、S5、S6，其余均布置在圆周；圆心与周围之间的距离按照1.5～3 m控制。

在具体实施微动勘探操作期间，不同仪器之间数据的采集、收集、传输和处理均必须保持高度一致。单点观测工作方法下单次观测时长应控制在12～20 min以内。

2 工程概况

某公路隧道设计长度为7.9 km，隧址区地下主要的地层为残坡积层粉质黏土，考虑此类由黏土为主、历经较长时间所形成的半成岩材质软弱，胶结性不良，同时具有较大孔隙比，遇水后快速失稳，此种情况下遭到开挖、振动等扰动后会相应表现出崩溃、突泥、破碎等结果，对隧道施工安全及稳定极为不利。为此，必须结合地勘技术，全面查明隧址区地质条件及岩土体分化层分布，为隧道开挖提供可靠依据。

应用物探方法展开隧址区地质界面探测时要求一定的物性差异存在。风化程度越高的岩土体破碎度及节理裂隙发育程度均越高，波阻抗差异也比微风化、中风化岩土体大。按照这一思路并结合前期勘察成果，得出该公路隧道隧址场区内岩土体介质物性取值情况，具体见表1。从这种实地勘测结果得到，对相应待考察和探测的场地，岩土风化层和土石两个明显分层间波阻抗值表现出十分悬殊的不同，物性迥然且明显可分辨，十分适用于展开微动探测。

结合工程实际，采用前述提出的设置圆形台阵以展开隧道风化岩土体微动探测的思路进行测试操作并收集数据，同时应用统计学方法和空间自相关提取频散数据，最后综合以上结果对速度参数展开反推^[9-10]。

3 施测过程及结果

3.1 测线布置及观测仪器

在展开公路隧道风化层勘察前，沿隧道左幅桩号ZK19+100～ZK19+760轴线布设1条纵向测线，标为Ⅰ-Ⅰ线；在左幅桩号ZK19+670处布设1条与纵向测线垂直的横测线，标为Ⅱ-Ⅱ；在左幅桩号ZK19+395右侧和ZK19+665右侧布設2处验证孔，对测试结果进行验证。

此次勘察主要采用中国地震局地球物理勘探中心提供的微动观测仪，微动信号观测、数据采集主要采用CMG-3ESPC型宽频带地震计和REFTEK 72-08A型数据采集记录器。其中，地震计采用速度型三分量记录方式，频带30～50 Hz，使用48 mA电源，灵敏度达到2×1 000 V/（m/s）；动态范围在145 dB以上。数据采集记录器采样频率为1 Hz、5 Hz、10 Hz、20 Hz、25 Hz、40 Hz、100 Hz、125 Hz、200 Hz、250 Hz、500 Hz、1 000 Hz；A/D转换为24位，采用GPS自动时间校正；可记录通道为3道或6道。

单套微动观测仪包括地震计、GPS时钟、信号采集器、直流电池、电缆等设备及部件，构成情况见图2。

3.2 台阵布置

考虑具体布设方法中三重圆的抗干扰能力比其余方式均优异，其各个台站也主要布设在不同的方向和位置，故所对应的施测范围中必定相关性良好。因此，该公路隧道风化层微动勘察中采用三重圆形测试台阵，微动测量深度可以达到3～5R（R为观测半径）。台阵布置情况见图3，图中数字表示台站。该微动台阵主要包括10个测试频率为2 Hz的检波器，台阵观测半径主要有R₁=12.5 m，R₂=20 m，R₃=50 m三个相应的情境，其中，R₁为2、3、4台站所处圆圈的内径，R₂为5、7、9台站所处圆圈的内径，R₃为6、8、10台站所处圆圈的内径。

3.3 探测步骤

安排人工使用合理工具将施测设备放置点所在区域及周围干扰信号收发的杂草和高大树枝全部清除，粗平和碾压设备放置区域的地面土体；此后，按照施测方案和仪器布设说明展开布置；结合现场环境和施测要求进行设备连接情况检查，调检相关性能，确保各项仪器能够展开同步、精确、高效地数据采集。在以上施测过程全部结束后，必须将所获取的各类初始数据进行粗筛、预处理，结合微动勘测技术原理和工程要求，推算功率谱，同时大致估计频散曲线走势及形状，展开地质结果的反演，从而为得到精确勘探结果提供保证。

3.4 微动勘探数据处理

为保证各类有用信息均得到充分利用，在探测数据处理期间更注重属性参数处理，据此提升结果的解释精度。

首先，展开探测数据解释和编译，也就是根据所获取的总信号信息，筛选并初步提取各相应点对应的系列信号束；在依据测试原理构建观测系统的过程中，应当根据数据容量将测试信号切分成相应区段，剔除其中干扰强、噪声大的数据。采用统计学技术提取自相关系数曲线以及测试结果面波相速度频散曲线；传统思路所依托的面波探测在数据转换过程中更倾向于借助半波长实现频率相关参数属性和取值向深度参数属性和取值的转变。根据以上处理过程结束后所取得的频率—深度模型展开频散曲线频率参数以及深度参数的数值转换^[11-13]，有效提升勘测数据对工程实际地质条件的解释力度。最后，根据所绘制出的测点曲线和等值线图件，结合地质钻探、测绘等结果，展开待测剖面综合解释分析，以得出合理可靠的隧址区岩土体地质条件解释结果。

3.5 勘探结果分析

3.5.1 微动勘探结果

结合反演结果中波速取值，将该公路隧道隧址区岩土层由上至下分成覆盖层（波速在250～500 m/s之间）、强风化半成岩层（波速在500～750 m/s之间）、中风化半成岩层（波速≥750 m/s）。根据探测结果，该隧道左幅桩号ZK19+100～ZK19+760段横波速度具有较好的成层性，岩性界面也存在明显的波动与起伏，根据勘测结果解译分成4个速度层；左幅桩号ZK19+665左侧100 m～桩号ZK19+665右侧100 m段横波波速也具有良好成层性，岩性界面起伏特征明显，解译分成4个速度层，见表2。根据表中结果，微动勘探地层结果与工程地质资料基本吻合。

3.5.2 钻孔验证

在该隧道隧址区风化层微动勘探的同时，设置两个钻孔BZK1和BZK2展开微动勘探结果验证。钻孔探测结果与微动勘探结果、工程地质勘查资料均吻合，说明微动勘探技术对于地质界面探测十分适用，测值分辨率及可靠性均有保证。

4 结论

工程应用结果表明，微动勘探技术应用于公路隧道工程隧址区风化层岩土体勘察中，取得了较为理想的勘测结果，有效克服了地球物理勘探等技术施测过程复杂、对技术人员要求高等劣势。此类地质情况及分布结构勘探技术所涉及参数多，相应的参数关系梳理及数据处理能力较优，同时可以展开岩土地层结构的合理划分，较好保证勘测结果的取值精确程度。该隧道隧址处岩土体测区横波速度分层特性明显，有利于地质界面及基岩风化分界面准确划分，足以表明该文所采用的勘探技术具有其余探测技术所不具备的施测深度大、对具体地层模糊地质界面能进行精准探测、能准确清晰辨认出具体岩土层分布形态和起伏形态等优势，能够取得事半功倍的效果，提升勘探测值精度。

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收稿日期：2023-10-22

作者简介：李文彪（1975—），男，工学硕士，高级工程师，注册土木工程师（岩土），从事公路、水运工程的岩土勘察设计等工作。