微动探测方法在城市工程地质勘察中的应用

卓启亮，于 强

(1.浙江省地球物理地球化学勘查院，浙江 杭州 310005；2.中铁第六勘察设计院集团有限公司,天津 300308)

1 引 言

一直以来，钻探是城市工程地质勘察的主要手段，但是受到城市环境、勘察成本等因素限制，且仅凭一孔之见难以确定不良地质体的发育规模及分布规律。物探探测技术作为一种高效、无损的勘察手段，被广泛地应用于城市工程地质勘察中，如地质雷达法、地震映像法、井间CT等，在城市不良地质体探测、地下管道探测、土体分层等方面都取得了很好的效果。但是复杂的城市环境、强干扰(电磁干扰、振动干扰)、密集的建筑物等，都极大地限制了各种物探方法在城市工程勘察中的应用范围和效果[1]。

微动探测方法作为一种天然源面波方法，早期主要利用长周期(大于1 s)信号估算地球深部横波速度结构来研究地球深部的物质组成和属性变化。近些年，随着技术的发展，短周期(小于1 s)微动信号被用来估算浅部横波速度结构，探测浅层不良地质体[2]。与其他物探方法比较，微动探测具有抗干扰能力强、探测深度大等特点，可以广泛地应用于城市工程地质勘察。本文以基岩破碎区注浆勘察、地下空洞勘察为例，介绍了微动探测方法在城市工程地质勘察中的应用。

图1 圆形台阵布置Fig.1 Arrangement of circular array

2 微动探测方法

2.1 微动探测原理

微动是地球表层由自然现象和人类活动引起的各种微动的总称，它具有以下特点：①地球表面无论何时何地都存在；②空间分布、触发时间、强度、方向是随机的；③面波能量占微动总能量70 %以上；④在一定的时空范围具有统计稳定性，可以用时间和空间上的平稳随机过程描述[3，4]。微动探测方法是以平稳随机过程为依据，利用不同的观测方式获取微动信号，经数据处理和分析得到瑞雷面波的频散曲线，根据瑞雷面波在非均匀介质中的频散特性对频散曲线进行反演，进而获取地下介质的横波速度的一种方法[5-10]。

2.2 微动探测的数据采集

为了准确提取面波频散信息，微动探测方法主要通过二维台阵采集信号，台阵的布置方式主要有圆形台阵、内嵌三角形台阵、L形台阵等，目前使用最为广泛的是圆形台阵。圆形台阵中观测台站的数量为4～13个，一个布置于圆心位置，其他则均匀布置在圆周上。也可以将多个圆形台阵进行组合，形成多重圆形观测台阵。台阵中测量台站越多，频散曲线的连续性越好，能量峰值越集中，误差也就越小；圆形台阵的探测深度与圆形的半径成正比，一般为3～5倍半径。由于微动信号在时间及空间上具有随机性，为了保证提取的频散曲线的质量，数据采集必须足够长，一般为10～15 min[4]。

2.3 微动探测数据处理

微动探测方法面波频散信息提取主要采用空间自相关法(spac)，根据空间自相关函数和零阶第一贝塞尔函数的关系计算出面波的相速度，进而得到面波的频散曲线。频散曲线的反演是基于其正演方法，即建立面波的方程及方程的求解，并与实测资料进行迭代拟合，获得横波信息，目前主要利用局部线性化方法中的最小二乘法[11,12]。

图2 微动数据处理流程Fig.2 Flow chart of microtremor data processing

图3 工区1测线布置Fig.3 Survey line layout of exploration area 1

3 工程实例

3.1 基岩破碎区注浆勘察

基岩破碎带作为一种地质不良地质体，对地下工程的施工影响非常大，有时甚至会造成重大的安全事故，因此对基岩破碎带的勘察和处理的重要程度不言而喻[13-16]。深圳地铁某段在盾构施工的过程中突遇基岩破碎区，施工风险骤增，为了确保施工安全，需要开展相关的勘察工作，查明基岩破碎区的分布情况，为注浆工作提供依据，并针对软土等工程地质状况，评价注浆后的效果，为地铁盾构施工提供安全性依据。

工作场地位于城区快速路主干道，交通繁忙，地下管线(道)分布较多，总体物探环境较差。根据地质资料，本场地地层从地表向下依次为第四系覆盖层、强风化花岗岩、中风化花岗岩。第四系覆盖层由杂填土、砂层、砾质黏性土及粉质黏土组成；花岗岩地层由于不均匀风化原因，各风化层界面起伏较大。根据场地条件和任务要求，决定开展微动探测工作，沿隧道中线、中线南侧10 m处各布置一条测线(图3)，长度分别为67.5 m和55 m，数据采集采用圆形台阵，半径3 m，测点点距为2.5 m，单点数据采集时长15 min。工区各地层物性见表1。

表1 工区1物性参数

图4(a)、图4(b)为注浆前横波速度剖面，该段剖面具备较明显的分层特征，但地层横向波速变化较大，基本呈高低交错分布状态。参照已有地质资料，推断第四系覆盖层(含全风化基岩)厚度约12.0～16.0 m，横波速度VS约为150.0～350.0 m/s；强风化层厚度约为4～8 m，VS约为350.0～550.0 m/s；中风化层VS大于550 m/s；在测线1的10～23 m、50～55 m段和测线2的9～16 m、37～66.5 m段，下伏地层出现低速异常区,VS约为350.0～550.0 m/s，相对围岩较低，推断解释为花岗岩强风化破碎区。由于隧道洞身穿越破碎区，隧道施工风险较大。综合测线1和测线2的探测成果，推断了两处基岩破碎带的位置及走向(图3)，并建议在该区域开展注浆工作。

图4 工区1横波剖面Fig.4 S-wave profile of exploration area 1

图4(c)为注浆后测线2的横波速度剖面，对比分析注浆前横波速度剖面，剖面的横波速度整体都有所提高，特别是2处低速异常区注浆后基本消失。未注浆前圈定的基岩风化破碎区波速平均值VS=450.0 m/s，注浆后的波速平均值VS=720.0 m/s，注浆后波速值提高了60 %以上，速度绝对值提高显著，表明注浆处理后地层密实度增大，隧道洞身围岩得到加固，注浆效果明显，成果显著。

注浆后，盾构施工顺利通过该段地层，对比隧道掘进地质资料，微动探测成果与实际情况基本相符。

3.2 空洞勘察

城市地下由于长期的人类活动形成了大量的地下空洞，如人防工程、采矿巷道等，会对工程施工和运营造成很大的危害[17-23]。大连某建筑工程场地内存在一个人防工程，该人防工程修建年代久远，现已废弃，且无详细的位置信息，需要查明人防工程的位置及埋深信息，为后期治理工作提供可靠的信息。

工作场地主要位于城市道路及工厂内，振动及电磁干扰强烈。场地内第四系覆盖层主要为杂填土及黏土，下伏基岩为白云岩。根据场地条件和任务要求，决定开展微动探测工作，在场地内共布置微动测线3条，数据采集采用圆形台阵，半径3 m，测点点距5 m，局部加密至2 m，测线布置如图5所示。工区各地层物性见表2。

表2 工区2物性参数

图5 工区2测线布置Fig.5 Line layout of exploration area 2

图6为三条微动探测测线的反演横波速度剖面。由横波速度剖面可知，场地内地层层状特征较为明显，有浅至深，横波速度逐渐变大，其中覆盖层底部高程为-12～0 m，横波速度约为200～600 m/s；下伏为白云岩，强风化层横波速度约为600～900 m/s，中风化层横波速度较高，大于900 m/s。在测线1的26～30 m处、测线2的6～10 m处、测线3的2～6 m处中风化白云岩层中存在低速异常，异常横波速度远小于周围岩体，异常区域呈闭合或半闭合状态，异常顶部高程约为-12 m，推断为人防工程，人防工程处于未填充或半填充状态，且填充物多为碎石，故呈低速异常。

图6 工区2横波剖面Fig.6 S-wave profile of exploration area 2

微动探测工作结束后，根据探测成果分别在三处低速异常体位置布置了钻孔ZK1、ZK2、ZK3，钻孔的验证结果与微动探测成果完全相符，结合钻孔成果和微动探测成果，大致确定了人防工程的平面位置及埋深，达到了预期目的。

4 结 论

根据微动探测方法在城市工程地质勘察中取得的成果得出以下结论：

1)微动探测方法作为一种天然源探测技术，具有较强的抗振动、抗电磁干扰的能力，能够广泛地应用于城市工程地质勘察领域。

2)微动探测方法获得的横波速度剖面具有形象、直观等特点，通过注浆前横波剖面可以确定基岩破碎带发育形态、规模，给注浆工作提供了可靠的地质资料，通过注浆前后横波速度剖面的对比，能够非常直观、便捷地检测注浆效果。

3)微动探测方法具有较高的横、纵向分辨率，对埋深相对较大(大于15 m)、小规模发育的地质异常，如空洞、岩溶等，具有较高的分辨率，弥补了其他常规物探探测技术在这类地质异常探测中的不足。

4)由于实际地质情况的复杂性和物探成果的多解性，在微动探测成果解释过程中，综合分析相关的地质资料，有利于提高成果解释的准确性。