物探微动技术在工程地质勘察中的应用

■余海强

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

在工程项目建设过程中，地质勘察是最基础的施工工序之一，只有掌握清楚工程项目所在地的地质组成情况，才能确定建筑工程的施工结构和受力情况；反之，一旦工程地质勘察结果出现较大偏差，将直接影响到工程项目建设质量，造成难以挽回的损失。 为了获得工程项目所在地的地质勘察详细结果，传统上一般使用钻探、探井等方法，虽然这些方法能够获得较为详细的地质组成信息，但是工作效率低、占用时间和人力资源较多，同时也容易对局部地层基础完整性组成造成破坏，因此具有一定的使用局限性[1]；且复杂的城市环境、强烈的电磁干扰、密集的建筑等，极大地限制了各种机械勘察手段及旧地球物理方法在城市工程勘测中的范围和有效性， 在此形势下物探微动技术逐步得到重视。微动探测具有抗干扰能力强，探测深度大，对环境干扰小等特点， 可广泛应用于城市工程地质勘察。随着科学技术的进步和信息技术的普及，融合了物理波动理论和信息表征技术的物探微动技术在地质勘察过程中获得了广泛的应用，并有在城市工程勘察中逐渐取代传统机械地质勘探手段的趋势。

1 物探微动技术的基本原理

1.1 微动波的产生

地球由于自身构造及所在宇宙空间中的位置原因， 无时无刻都存在着一种微弱的振动， 称为“微动”，利用波基仪器可以进行振动信号采集。 地质层是由不同历史时期沉积下来的岩石组成的，层与层之间无论是密度还是波动反射特性都有区别，因此如果地球微动产生的波束在穿越不同性质的地质层时，必然会产生特征参数（如波速、振幅、频率等）的变化，如果利用物理仪器采集到这类波动特征的变化并对其进行分析，就可以得到该地所对应的地质层的组成情况，从而为地质勘察分析提供依据[2]。

地球微动产生的波束类型较为复杂，既有面波又有体波，另外波束在不同地质层之间进行传输时难免带来干扰的影响，这也增加了波束特性分析的难度[3]。 实际上微动是由体波和面波组成的复杂振动，且振幅很小，其振幅位移一般在10-4～10-3cm 左右，因而必须提高地震仪的放大倍数，从而增大微动信号，但是，这种放样不仅放大了有用的地震信号，同时更放大了噪声，使得有用的微动信号被淹没。 因此，天然源面波勘探的基础就是由天然源信号中提取面波信号，即由天然源信号推断地下构造的根本在于如何从天然源信号中提取面波。 所谓提取面波，就是求出面波的周期（或频率）与相速度的关系。

1.2 微动波收集和处理方法

物探微动技术可以通过收集和处理地球振动波， 反演频散曲线以获得地下介质的剪切波速度，从而判断不同地层结构，其原理示意图如图1所示。

图1 微动技术原理

收集和处理地球振动产生的微动波，可以采用频率-空间自相关（SPAC）法或者H/V 谱比法。 无论哪种方法都是对地球微动波束信息进行探测和采集，一般都使用多个拾振器（多采用宽频带型号）、数字信号放大器和数字记录仪共同组成微动观测系统，各个仪器设备根据探测要求选择相应的工作参数。

频率-空间自相关（SPAC）法是利用多台拾振器的组合来采集来自不同地层传导的微动波。 这些拾振器中1 台布设在圆心处、剩余拾振器根据测量需要均匀布设在等半径的圆周上。 对于同一段时域内采集到的面波进行空间频率自相关分析，理论上获得的空间频率自相关曲线应该符合近似零阶贝塞尔函数曲线的形状， 改变拾振器的空间位置分布，贝塞尔曲线的形状大小会发生变化，结合拾振器的空间位置坐标可以确定待测点（也就是拾振器布置及有效测量范围）波束的传输相速度，依据相速度与频率之间的关系就可以计算得出地质层硬度、厚度等特征参数。

H/V 谱比法的原理在于，微动数据的H/V 谱为水平方向的功率谱与垂直方向的功率，即：

式中：PNS(ω)和PEW(ω)分别代表水平方向2 个分量的功率谱，PUD(ω)代表垂直方向的功率谱。 求取微动实测数据的H/V 谱分为以下几个步骤：（1）将每道中的总数据量N 平均分成L 段，每段中的数据量为M，即：N=L·M；（2）对每一段数据进行傅立叶变化；（3）将L 段数据傅立叶变换后的值进行处理，求出3 个方向的功率谱；（4）按照式（1）求出H/V 谱。由于H/V 谱比法峰值频率与基岩面存在幂函数关系，从统计学角度分析，可以认为，当样本越多，越靠近真实情况时，则可拟合出二者的函数关系。 因此需要开展大量的数据采集工作。 H/V 值使用单台频谱分析仪进行水平、 垂直分量频谱相比就可得到，实施起来简单快捷，因而得到广泛的应用。

2 物探微动技术的特点与优势

物探微动技术主要是采集地球振动波在穿越不同地层时发生的衰减数据，通过数据分析来探究地层基本组成情况。 采用这种方法进行工程地质勘察时，无需配备人工震源，对环境不产生震动干扰，满足城市无噪音施工要求，且时间短、效率高，能够降低工程项目的地质勘察成本。 在使用过程中及使用之后不会对探测区域内的地层结构造成破坏，尤其适用于地面以下地铁等构筑物多且复杂的现代城市环境。 地球微动波具有信号频率低、波长大、抗干扰性好的特点，采用较为精准的拾振器就能获得理想的信号采集结果，对于地质勘察结果的可靠性较为有利。

3 物探微动技术的应用实例

3.1 测区概况

国道G324 线泉州大桥及接线扩宽改造工程初步设计项目中采用了天然源面波（微动）法、场地剪切波（多道瞬态面波法）手段。 对于天然源面波（微动）法，测区的地球物理条件是：勘察区素填土、粉细砂、 淤泥和粉质粘土面波视层波速为120～150 m/s，全风化和强风化花岗岩的面波视层波速为150～250 m/s，下伏中风化花岗岩基岩的面波视层波速大于250 m/s。 根据测区岩层面波视层波速的分布情况分析，表层的覆盖层与其下基岩的面波视层波速差异较明显，具备开展微动测试的物理前提。 这是采用天然源面波法的有利地球物理条件，但工作中对采用以上方法的不利条件为： 在采石场附近，挖机和车辆活动频繁，影响地震信号采集的质量。 分析地形、地质与地球物理条件，通过现场试验，确定应对措施如下：（1）为了减少人类活动对地震波采集的不利影响， 本次物探工作在数据采集过程中，避开挖机和车辆活动时段， 以提高采集资料的信噪比；（2）为使天然源面波的勘探具有较大的深度，尽量扩大圆圈的直径， 尽可能多地采集低频的地震波。 通过采取以上若干措施，保证物探现场采集资料的可靠和质量。

3.2 数据采集及处理

场区布置的4 个测点位置如表1 所示。 数据采集设备使用我国北京市水电物探研究所生产的SWS-3G 型多波列数字图像工程勘探和工程检测仪。 该仪器具有瞬时浮点放大，A/D 转换为20 bit，信号迭加增强为32 bit、全通、高通、低通滤波、仪器通频带为0.5～4000 Hz。 其他设备包括微机、检波器及接收电缆等。 数据处理步骤如下：（1）进行物探工作的资料处理， 通过对原始资料进行整理核对、编录后，通过专用软件显示或打印各工区所采集的记录，形成频散曲线后存盘；（2）根据频散曲线进行分层和层速度计算并做出定性解释；（3）在定性解释的基础上，进行定量解释，确定各层的厚度；（4）结合测区的勘探资料，进行综合归纳总结，利用CAD软件绘制微动频散曲线解释图，并依据频散曲线的拐点或疏密变化点来划分地层。

表1 场区测点位置数据

3.3 结果与讨论

依据微动谱比法峰值频率与土石界面的关系，结合地质资料综合分析， 推断探测地表下15 m 以内地层划分。 结果显示，测区地表标高为59～62 m，解译后的典型地质断面显示，砂土状强风化层与微风化层分界面标高在53～55 m， 实际WD1 钻孔的岩面标高为53.89 m，与WD1 钻孔揭露的地层较吻合。 上下地层界线比较清晰，解译成果可以满足勘察需求。 解译成果典型地质断面如图2 所示，WD1钻孔地层如图3 所示。

图2 WD1 微动测线物探解释剖面图

图3 WD1钻孔柱状图

4 结语

物探方法所用技术合理，成果精度符合行业规范。 天然源面波（微动）法与前期地质资料相结合的方法，实例分析证明是行之有效和适宜勘察场区的手段。 物探微动技术是对地球内部岩土层结构特征进行勘察的重要手段， 属于近年来新兴的技术，在很多大型工程项目建设中都获得了应用，利用该技术进行工程地质基础勘察具有无接触、 零损伤、效率高、抗干扰、对环境友好、结果满足需求的特点。本研究分析了物探微动技术的理论基础，从微动波的产生和收集处理方法等方面研究了物探微动技术的工作原理， 论述了物探微动技术的特点与优势，并结合传统地质勘察方法、借助信息化技术获得了精准的数据分析结果，进一步开发了精确的探测器以获得优质的地球微动信号，以上这些措施都可以进一步拓展物探微动技术在工程地质勘察中的应用。