微动勘探技术在隧道深厚风化层勘察中的应用

冯坤伟，梁培峰

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵阳 550009)

浅层岩土风化分层是隧道工程勘察中一项重要工作，其结果直接影响隧道后期掘进施工的安全性与经济性。浅层风化层结构疏松，极易在边坡地区形成大量的原生与次生结构面，这类岩土体完整性差、胶结差、岩质极软、孔隙比大、易饱水且失水干裂、围岩自稳性极差，施工安全隐患大。若隧道掘进面处于风化层上，支护不及时、支护强度不足时，围岩极易发生突发性大面积坍塌、管涌、流土、流沙、涌水、突泥、冒顶等危害。因此，在施工前需先查明不同风化层厚度，才能采用相应的掘进及支护方式。

风化层分界面的探测多采用钻探和物探相结合的方法。常用的物探方法有地质雷达、激电法和瞬态面波法等。为克服单一物探方法的局限性，一般综合采用浅层地震法、瞬态面波法、大地电磁法和高密度电法等综合解释地质结构分层。尽管如此，在砂泥岩地层中，由于砂泥岩电阻率与地表覆盖层接近，且砂泥岩地层含水率较高，导致不同界面的电性参数差异不大，采用常规电法与电磁法往往探测效果不理想，而主动源地震法勘探深度有限，上述方法不宜开展大尺度的地质界面探测工作，而钻探法成本高，周期长，且无法探明整个区域地质情况。

近年来，微动仪器设备技术、采集技术、软件处理技术[1-4]突飞猛进，在城市地下孤石、古河道暗浜、人防设施、溶洞、煤矿采空区等勘察[5-8]工作中取得了较好的勘探效果。目前将微动技术应用在地层界线的探测则较少，徐兴倩等[9]利用微动勘察法确定的滑坡潜在滑动面起伏形态清晰可见，探测结果与钻孔资料相吻合；张若晗等[10]将微动技术谱比法应用在土石界面探测中，取得了良好的效果。由于微动技术基于地震理论，类似于瞬态面波技术，且在砂泥岩地层风化层存在波阻抗，具备地球物理探测条件，主动源瞬态面波技术应用在风化层探测中已有成功的应用[11]，因此将其应用在地层界线探测中理论与实践均具有可行性。本文借助于工程勘察实例，采用微动新技术对隧道轴线及其附近范围内进行探测，结合少量钻孔进行钻探验证，最终得到隧道区内的地层分界线，为类似工程应用该方法提供参考。

1 地质条件及工作方法

本项目为云南省境内某高速公路王家寨隧道，全长8 km。场区覆盖层为残坡积层(Qel+dl)粉质粘土，下伏基岩为上第三系(N1)砂岩夹粘土岩(半成岩)、印支期(γ51(b))二长花岗岩、古生代变质地层澜沧群的石英片岩、变粒岩。由于半成岩砂岩具胶结差，岩质极软、孔隙比大、饱和度高、失水干裂、水稳性差，受扰动易发生溃砂、流土、突泥涌砂破坏等特点，需要查明隧道穿过区域内岩体风化层分布情况，为隧道设计施工提供工程地质资料。

1.1 区域地质条件

项目区域属澜沧江褶断带。场区发育有断层F1及断层F1-1，均为非活动性断层。F1在地表与路线大角度交于ZK24+880(K24+840)里程处，该断层属于勐库—双江断裂的次级断裂，为逆断层，断层面倾向320°，倾角60°，断层两盘岩性均为三叠纪侵入岩相(γ51(b))二长花岗岩。进口段位于断层下盘，N1岩层产状为50°∠18°。F1-1地表与路线大角度交汇于ZK23+840(K23+840)处，与斜井相交于XJK0+583处，为F1断层的次生断层，该断层走向北北东向，断层面倾向120°，倾角70°，断层上盘岩性为第三系半成岩，岩层综合产状120°∠4°～8°；断层下盘岩性均为三叠纪侵入岩相二长花岗岩。

1.2 地球物理条件

地质界面探测需满足物性差异，这是开展物探方法的前提条件。土石分界面是指松散沉积层(土)和坚硬基岩(石)之间的界面，界面两侧存在显著的波阻抗差异。强风化层因节理裂隙发育，岩体破碎，较中风化、微风化地层存在波阻抗差异。根据工区前期勘察成果，得到了场区内介质物性参数，见表1。由表1可知，土石界面及强风化层界面具有波阻抗差异，存在可分辨的物性异常，具备开展微动探测的条件。

表1 场区内介质物性参数

1.3 微动法原理

微动，也称为地脉动或地震噪音，是地面的微弱振动，微动技术属于地震勘探方法门类，是一种由体波和面波组成的复杂振动，并且面波能量占总能量的 70% 以上[12]。由于地震、人类活动等因素，在地球体内随时都存在频率在0～20 Hz的随机振动。微动虽不是特定激发的震源，但在传播过程中也携带了地下岩土体的地球物理特性。

微动勘探属于地震勘探中被动源面波法，主要采用台阵方法，本文采用的数据处理方法为空间自相关法(SPAC)。台阵常用的有圆形、三角“ +”字形 和线性排布[13-15]，根据场地特性合理选择。从微动信号中提取面波频散曲线，空间自相关法架设微动信号在时间和空间上均为平稳随机过程，基阶面波能量在各频率成分中占比最大。对采集的微动随机信号首先做傅里叶变换转换到频率域，则微动台阵中心调查点和圆周上任意一点的空间自相关系数频率域内可表示为:

ρ(ω,r)=

(1)

2 探测结果分析

2.1 测线布置

本文以王家寨隧道为例，论证微动技术在土石界面和风化层探测中的应用效果。地面微动测线沿隧道左幅轴线ZK22+200～ZK22+860段布置1条纵测线Ⅰ～Ⅰ′，在ZK22+770附近布置1条垂直纵测线的横测线Ⅱ～Ⅱ′。同时在ZK22+495右10 m和ZK22+765两处布置了2个钻孔验证，具体测线布置及钻孔布置见图1。

图1 物探测线及钻孔布置

微动测试采用三重圆形台阵，微动测量深度大约3R～5R，三重圆抗干扰能力最强，台站在不同的方位上，计算空间自相关性最好。微动台阵采用10个2 Hz低频检波器组成，台阵半径为R1=12.5 m、R2=20 m、R3=50 m。三重圆排列方式为：3个半径分别为R1(2，3，4台站所在的圆)、R2(5，7，9采集站所在圆)、R3(6，8，10所在圆)，其测量点在1号台站所在位置，台阵布置形式见图2。每个观测点观测时间20 min。本次微动采用逐点连续观测方式形成二维观测剖面，点距20 m。纵测线共34个测点，横测线共11个测点。

图2 微动台阵布置

2.2 探测步骤

1) 布设微动台阵前，先清理检波器埋设点附近杂草，铲平和压实地面；

2) 检波器安放应与底层耦合良好，并保证检波器竖直放置，调试仪器一致性以保证同步采集数据；

3) 当仪器进入稳定状态后，采集至少30 min的微动信号，从稳定后的信号中提取完整的微动波形记录，以便后期微动数据处理阶段使用；

4) 数据处理包括数据预处理、计算功率谱、空间自相关法提取频散曲线、模型生成及反演拟合；

5) 根据反演结果再结合2处钻孔信息，进行地质界面分层。

2.3 探测结果分析

根据反演结果，该区域从上到下可主要分为3层：覆盖层(250 m/s～500 m/s)、强风化半成岩(500 m/s～750 m/s)、中风化半成岩(≥750 m/s)。纵测线探测结果见图3，横测线探测结果见图4。

从图3可知，ZK22+200～ZK22+860段横波速度(Vs)剖面图显示，速度成层性较好，岩性界面起伏较大，结合地质情况解译主要分4层，见表2。

由图4可知，ZK22+765左100 m～ZK22+765右100 m段横波速度剖面图显示，速度成层性较好，岩性界面起伏不大，结合地质情况解译主要分4个速度界面，见表3。

以BZK1、BZK22个钻孔资料作为验证，从图3、图4可以看出，微动勘察的地层划分与工程地质资料较为吻合。通过工程地质勘察资料和探测结果的对比分析可知，微动法是一种地质界面探测的有效手段，具有较高的分辨率和可靠性。

图3 纵测线微动视横波速度

表2 纵测线速度分布

表3 横测线速度分布

图4 横测线微动视横波速度

3 结论

1) 微动勘探方法在初步探查土石界面与岩性界面方面均有比较理想的效果，能适应山地地形起伏的探测环境。

2) 测区内横波速度具有较明显的分层特性，能很好地划分地质界面和基岩风化程度分界面，结合隧址区钻孔就能对整个测区地质界面有较高精度的划分，微动勘探法具有勘探深度大、地质界面深度准确、起伏形态清晰等特点。

3) 在采用微动勘探进行地质界面探测时，应根据前期地调情况，初步了解地形及探测深度，选择合适的台阵布置方式和半径，才能最大程度满足勘探深度和精度。

4) 在进行成果解译时应结合地质条件、地层岩性特点和钻孔资料，找出划分该地地质界面的速度分界面，这样才能确保分层解译的准确性。