微动探测技术在盾构隧道超前地质预报中的应用

■王绍平

（福建省地质测绘院，福州 350011）

盾构法具有“高效、高质量、高效益”的优点，广泛地用于城市轨道交通隧道施工，但是，盾构机在遇到孤石等不良地质时，易产生卡钻、姿态失控等工程事故，因此，及时、有效地进行地质超前预报对盾构施工安全十分必要。 目前，超前地质预报的方法有限， 主要是因为受到盾构施工自身特点的限制，具体原因有：（1）由于盾构机头占据了掌子面空间， 传统隧道常用的超前地质预报方法无法实现；（2）盾构机为金属机具，易导致地层电磁环境复杂，常用的电法探测效果不佳；（3）盾构机振动大，对传统的地震波法影响大。 基于以上原因，本文尝试将微动探测技术运用于盾构法的超前地质预报。 已有众多的专家学者对微动探测技术进行研究和应用，取得了良好的效果[1-3]。 朱红兵等[4]以福州滨海新城核心区为例，通过微动探测技术有效探测出研究区基岩埋深和地层结构，与区内搜集到的钻孔资料吻合，效果显著。 李兆祥等[5]以南京地区某地铁线路区间为例， 通过布设雷达探测和微动探测综合剖面，通过两种方法相互验证、相互补充，圈定出了地下空洞、松散地层等不良地质体。 何育才[6]针对某地铁盾构区间的孤石， 联合应用地质雷达探测技术与微动探测技术，准确、高效地探查出孤石的分布范围及特征。 钟立[7]结合城市地质条件，分析了常规物探方法存在的局限性，探究了微动勘探技术在城市地质工作中的应用。 杨代彬[8]通过微动勘探技术，对地铁施工后道路路面进行快速检测，快速查明了隧道上方因盾构施工造成的地下病害体（严重疏松、脱空与空洞），为后期治理提供了详细的物探基础资料。 厦门地区花岗岩岩面起伏大、差异风化严重，全～强风化中分布着无规则的孤石，易造成掌子面软硬不均，盾构掘进存在较大的风险。 本文基于厦门某盾构隧道工程实例，尝试采用微动探测技术探测孤石分布范围。经钻孔验证，微动探测技术能够用于盾构隧道超前地质预报，具有一定的实践意义。

1 工程概况

拟选取的地铁某盾构隧道位于主城区，全长1 215.5 m，沿城区主干道敷设，均为地下段，采用盾构法施工，单洞单线，盾构直径约6.2 m，线间距约15 m，利用区间两端的车站设置盾构始发（接收）井，无联络通道。 隧址区表层分布地层主要有素填土，从上而下依次为中粗砂、淤泥质土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中～微风化花岗岩，其中全～砂土状强风化层厚约2.5～35.7 m，区间范围内孤石分布密集，孤石综合遇见率为48.6%，孤石极其发育。孤石主要为中～微风化花岗岩，其饱和抗压强度在50.85～115.74 MPa，离散性较大。

图1 工程平面位置

2 微动探测概况

2.1 地球物理特征

本区开展微动谱比法有较好的地球物理条件，测区内强风化和弱风化基岩的密度、速度、岩力学性质存在明显差异，良好的物性分界为地球物理勘探提供了前提。 第四系覆盖土层与基岩横波速度和密度存在明显差异。 由于地层差异的存在导致在不同测点位置出现不同的H/V 谱比曲线，通过对该曲线的反演即可获得地下介质的速度分布情况，实现介质构造信息的探测；在实施过程中存在影响物探方法开展的不利条件，主要体现在：（1）在数据采集时不可避免地受到道路和周边机械干扰的影响，使原始数据出现较为严重的飘移；（2）由于场地条件的限制，一定程度上限制了物理点的布置，导致其数据密度在空间上分布出现不均匀的情况。

2.2 探测方法原理

微动谱比法，利用单一测点获得的H/V 谱比（频率域水平分量与垂直分量的能量比）与地层中瑞利波椭圆率一致的特征，实现对浅层地质构造的勘探。1994 年，Yamanaka 最早开始用瑞利波椭圆率估计KANTO 盆地的深部结构；2000 年，Arai 提出了一种用三分量检波器接收到的震动信号的水平向与竖直向的（H/V）谱比反演地下土层S 波速度剖面的方法。 实际工作中，微动谱比法按照“数据采集—预处理—谱比曲线计算—速度反演”的流程进行（图2）。 首先，采集如图2（a）所示的三分量检波器进行数据采集，获得如图2（b）所示的长周期的（数十分钟）三分量数据；其次，在进行H/V 谱比计算之前需要剔除短时干扰（如过往车辆）的影响，需要有效识别出短时干扰，超过阈值的部分视为干扰被舍弃， 低于阈值的部分视为稳态信号被采用；再次，在采集的数据中筛选稳定的数据段计算HV 谱比曲线，如图2（c）所示；最后，通过反演技术计算该曲线对应的地质模型，从而获得该测点下的速度分布，如图2（d）所示。

图2 微动谱比法流程图

2.3 仪器设备

本项目涉及的设备信息如下：微动谱比法采用通用三分量低频检波器进行数据采集，采用重庆地质仪器厂生产的2 Hz 三分量拾震器（速度型；电压输出灵敏度≥2 V·cm/s），仪器设备均在计量检定周期之内，并通过自主编写软件进行数据解编与信息提取，采集设备如图3 所示。

图3 微动谱比法现场数据采集示意图

2.4 数据采集

测点布置采用南方灵锐S86RTK 进行，其基于CORS 系统的网络差分技术、 实时差分方法完成各个勘探点的测量放点，测量误差控制在厘米级。 基于CORS 的网络差分技术能很好地解决通过GPS点校正的控制点的误差问题，能很好地拟合放样点的平面精度和高程精度，其网络差分精度可达厘米级，测量时间仅2～4 s。 测点定位完成后，将设备安置于测点处进行调平操作，保证水平稳定后开始数据采集，本次数据采集采用10 ms 采样间隔，记录时长15 min，局部干扰较大区域采集时长增大至20 min。当天数据进行室内解编，对数据质量进行评估，对不满足质量要求的数据次日进行重新采集。

2.5 质量评价

项目中两种设备的数据采集均采用重庆地质仪器厂生产的2 Hz 三分量拾震器进行采集， 数据格式一致，实测数据如图4 所示，从图中可以看出波形稳定，没有较为明显的强干扰出现，采集数据质量满足《铁路工程物理勘探规范》（TB10013－2010）和《浅层地震勘查技术规范》（DZ/T0170－1997）对数据质量的要求。

图4 ZDK26+690～26+890 段视S 波速剖面图

3 成果分析

孤石是存在于风化层中的不均匀地质体，其粒径、形态、分布位置无规律可循，微动探测是对地质条件实施的整体探测。 本文主要通过微动谱比探测技术，对盾构隧道范围内的土、石界面及孤石等特殊地质体的分布特征进行探查，并且通过钻探验证了其设备及方法的合理、可靠性。 H/V 曲线的峰值曲线多以单峰或者双峰的形态呈现，峰值出现的频率整体偏低，孤石发育段表现为明显的高速异常区， 尤其在残积土或风化层厚度较大时，其高速异常表征愈加明显。 由表1 可见，通过微动探测技术结合钻孔验证，微动异常区域遇孤石比例为54.5%。

表1 异常区域遇孤石比例

通过分析，微动探测技术在孤石探查中可靠性较高，对于粒径大于3 m 的孤石，与周围土体存在明显的物性差异时，微动探测曲线的效果较佳。

4 微动探测技术应用

4.1 试验段

为了更准确地辨别孤石的视S 波速特征，选取具有代表性段落作为试验段，通过H/V 等值线图与详勘结果进行对比，得到孤石在地层中的视S 波速特征。

如图4 所示，Z161～Z183 段隧道顶板标高为－12.1～－12.9 m，底板标高为－18.3～－19.1 m，隧道围岩主要为残积砂质黏性土、全风化花岗岩，局部为散体状强风化花岗岩。该段H/V 曲线多以双峰或多峰形态呈现， 在2.9～3.3 HZ 范围内基本存在一次峰值，在3.0～3.3 HZ 范围内基本存在一次峰值。 结合详勘资料，该段基岩埋深较大，该段基岩位于隧道洞身底板以下，Z161～Z171、Z185～Z191 段地下孤石发育。根据H/V 曲线，视S 波速度在Z161～Z170、Z184～Z193 段表现为高速，而残积砂质黏性土、全风化花岗岩表现为低速。 因此，通过试验可以得出，孤石的视S 波速度表现为高速，土层表现为低速。 高速异常区有：Z161～Z171、Z177～Z178、Z184～Z193、Z194～Z195、Z199～Z201。 针 对 异 常 点Z163、Z164、Z166、Z168、Z170、Z173、Z177、Z184、Z186、Z189、Z192、Z195、Z199 开 展 钻 探 验 证， 其 中，Z163、Z168 及Z186 附近详勘已揭示孤石， 经验证发现：Z164 在18.3～19.7 m 和20.8～21.6 m 揭示孤石，Z166 经爆破处理发现在18.3～23.1 揭示孤石，Z177 在18.6～19.8 m 揭示孤石，Z189 在17.9～18.7 m 揭示 孤石，Z170 及Z173 未 揭 示 到 孤 石，Z184、Z192、Z195 及Z199 未揭示到孤石。

4.2 ZDK26+290～26+490 段

如图5 所示，Z81～Z98 段隧道顶板标高－10.1～－11.3m，底板标高－16.3～－17.5m，隧道围岩主要为残积砂质黏性土与全风化花岗岩。 高速异常区有：Z82～Z89、Z99～Z110、Z111～Z112、Z113～Z121。 针对异常点Z84、Z86、Z87、Z95、Z100、Z103、Z104、Z111、Z115 开展钻探验证，其中，Z84、Z86 及Z87 附近详勘已揭示孤石，经验证发现：Z95 在9.4～9.8 揭示孤石，Z100 和Z115 分别在18.1～20.3 m 和19.3～20.8 m揭示孤石，Z103、Z104 和Z111 未揭示到孤石。

图5 ZDK26+290～26+490 段视S 波速剖面图

4.3 ZDK26+490～26+690 段

如图6 所示，Z121～Z141 段隧道顶板标高－11.3～－12.1 m，底板标高－17.0～－18.3 m，隧道围岩主要为残积砂质黏性土、 全风化花岗岩，局部为散体状强风化花岗岩。 高速异常区有：Z82～Z89、Z90～Z92、Z99～Z110、Z111～Z112、Z113～Z121。针对异常点Z124、Z126、Z127、Z129、Z132、Z136、Z138、Z143、Z145、Z146、Z149、Z151、Z158 开 展 钻探验证，其中，Z124、Z126 及Z127 附近详勘已揭示孤石， 经验证发现：Z129 在16.2～19.7 m 揭示孤 石，Z132 在17.4～18.3 m 揭 示 孤 石，Z145 和Z146 分 别 在10.2～10.7 m 和11.6～12.0 m 均 揭示孤石，Z136、Z138、Z143、Z149、Z151、Z158 未揭示到孤石。

图6 ZDK26+490～26+690 段视S 波速剖面图

4.4 ZDK26+890～27+105 段

如图7 所示，Z201～Z224 段隧道顶板标高－12.9～－13.7 m，底板标高－19.1～－19.9m，隧道围岩主要为残积砂质黏性土、全风化花岗岩，局部为散体状强风化花岗岩。 高速异常区有：Z201～Z202、Z203～Z214、Z215～Z218、Z219～Z224。 针对异常点Z202、Z211、Z213、Z216、Z220、Z222、Z224、Z239、Z242 开展钻探验证，经验证发现：Z202 在11.4～11.6 m 和10.6～12.8 m 揭 示 到 孤 石，Z216 在18.0～19.3 揭 示孤石，Z239 与Z242 分别在18.7～21.0 m 与18.3～21.0 m 揭示孤石，Z211、Z213、Z220、Z222 及Z224未揭示到孤石。

图7 ZDK26+890～27+105 段视S 波速剖面图

5 结论

本文结合厦门某地铁盾构隧道，尝试将微动探测技术用于超前地质预报，并经过钻孔验证，得出如下结论：（1）针对盾构隧道孤石分布无规律的特征，采用微动探测技术，充分查明了孤石的发育特征，并通过钻孔进行了验证，为采取施工措施奠定了基础；（2）采用微动探测技术用于盾构隧道超前地质预报，异常区域通过钻孔验证见孤石比例约为54.5%，微动探测技术得到的孤石分布区域较实际大；（3）微动探测成果中H/V 曲线的峰值曲线多以单峰或者双峰的形态呈现，峰值出现的频率整体偏低，孤石发育段表现为明显的高速异常区，尤其在残积土或风化层厚度较大时，其高速异常表征愈加明显；（4）微动探测技术可用于盾构隧道的超前地质预报，但是建议采用钻孔的方法进行验证，以明确孤石等不利条件在H/V 曲线的表现形态。