微动技术在城市轨道交通采空区探测中的应用

冯坤伟，龙斌

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081）

采空区探测作为城市轨道交通工程勘察中重要的一项工作，采空区勘察结果的精准度直接关系着设计与后期施工的安全性。采空区附近结构疏松，且周围岩体完整性差、富水、围岩自稳能力差，存在施工安全隐患。若隧道开挖范围处于采空区及其影响范围内，若隧道支护强度不够、支护不及时，在隧道开挖过程中易发生涌水突泥等风险，也会给后期隧道运营造成隐患，导致隧道衬砌变形、地表沉降等。因此，在勘察阶段需要查明采空区影响范围，为设计和后续施工提供指导。

城市环境下进行物探探测存在诸多不利条件，场地狭窄，不利于仪器布设，同时车辆行人众多，地下管线管网密布，电磁干扰和震动干扰均较大。探地雷达法具有高分辨率的特点，但其探测深度浅，在城市环境下容易受到电磁信号、金属及建筑物等的干扰；高密度电法深度深，但成本相对较高，且在城市中接地与布线空间受限，操作不便，接地效果也不佳，探测效果肯定大打折扣；大地电磁法探测深度大，对采空区探测效果较好，但易受电磁干扰，且市区内往往没有布设磁棒空间，操作不便[1]。

随着近年来微动采集设备硬件技术、软件处理技术迅速发展，技术越发成熟，该方法已经在城市环境下探测孤石、防空洞、岩溶等地质异常体勘察工作中取得了较好的效果[2-3]。而将微动技术应用在城市轨道交通地下采空区的探测则较少，吴飞（2021）在安徽利用微动确定了煤矿采空区及其影响范围[4]。于淼（2013）分析研究了基于空间自相关法的微动面波探测技术，分析了水平层状介质中的微动面波的传播理论，在此理论基础上进行了正演分析和反演计算研究，从理论和实践证明了尤其是在其解决煤炭采空区的构造问题等方面，已经体现其有效性和可行性[5]。因此将其应用在城市轨道交通采空区探测中理论与实践均具有可行性。本文借助于轨道交通工程勘察实例，将微动法应用于贵阳轨道交通三号线采空区探测工程中，为今后微动技术在城市地下采空区探测中提供参考。

1 地质概况及工作方法

工区位于贵阳市轨道交通三号线某段，在建区间线路周边人口密集，行车流量很大，隧道沿线建构筑物密集，地下和地上管网密集，交通环境复杂，总体来讲工程环境极其复杂，作业空间有限。

经前期勘察，在拟建地铁隧道附近有采空区分布，但采空区具体与隧道相对位置关系无法查清，进入施工阶段后，该区域的采空区会对施工及后续运营造成安全隐患，因此需查明该区域内采空区分布情况。

本区间岩土原则上划分为第四系人工回填土、红粘土，下伏基岩为三叠系安顺组（T1a）白云岩和三叠系大冶组（T1a）石灰岩、二叠系龙潭组（Plt）泥灰岩、炭质泥岩、石灰岩等。

采空区相对周围完整围岩地层表现出的地球物理特征差异是开展物探方法的前提条件。当采空区内有垮塌围岩或水充填时，其物性特征表现为相对低波速。根据工区勘察成果，场区内介质物性参数如表1 所示。

表1 场区内介质物性参数

根据勘察要求，结合现场情况，围绕房屋布置3条测线，分别命名为WD1～WD1’、WD2～WD2’、WD3～WD3’。微动测线布置图如图1 所示。

图1 微动测线布置图

微动观测台阵主要有圆形、“+”字形、“L”形或“一”字形。研究表明观测台阵还可以采取多种形式布置检波器，可以根据现场实地情况灵活选择。观测时间要根据不同场地作出选择。通过现场试验，并结合以往经验，本次探测采用的设备为国为GN209 智能实时微动采集系统，共10 个检波器，检波器频率为4Hz。本次探测的3 条微动测量剖面均采用“一”字线型布阵方式进行现场测量，检波器间距1m。10 个站台同时工作，每个点观测时长为30min，测量点距为2～3m。

2 数据处理及资料解释

2.1 数据处理

微动技术的数据采集、处理步骤类似主动源地震勘探方法，分为采集数据、提取频散曲线、频散曲线反演3 个步骤。由于面波的频散特性，微动信号具有振幅、频率随时间、空间发生显著变化的特点，但在一定的时空范围内满足统计稳定性，可用平稳随机过程来描述。与传统地震勘探及地震学中采用射线理论估算地震波传播速度不同，由于微动震源的不确定性，微动信号中面波的相速度通过求取观测系统阵列中台站间的空间自相关系数即可获得。

2.2 资料解释

关键微动探测的工作原理同常规地震探测工作原理，均是探测地下地质界面的波阻抗差异，若地层中出现溶洞、富水区或采空区等波阻抗小的介质，微动反演出的横波速度表现为低速，区别于完整岩体。因此可以利用这一地球物理特征来探测采空区及其影响带，采空区在微动剖面上表现为相对低速。本次探测根据前期勘察的地质资料、填土和岩层的横波速度范围作为参考进行综合解释。微动反演成果如图2～4 所示。

图2 WD1～WD1’测线成果图

图3 WD2～WD2’测线成果图

图4 WD3～WD3’测线成果图

通过分析WD1～WD1’线微动成果剖面：覆盖层均厚3m，强风化层厚度变化较大，薄则3-6m，厚则达16m；基岩节理裂隙发育；在测线0-8m（ZDK30+762右6.7m-ZDK30+789 左2.1m 段）深15-17m[编号：采空5]、测 线16-26m（ZDK30+747—ZDK30+776 左22m 段）深16.6-18.0m[编号：采空4]、测线44-49m段埋深14.5-16.5m[ 编号：采空3]、测线54-58m 深13-15.0m[编号：采空2]，波速较低，判断为小煤窑采空区。

通过分析WD2～WD2’线微动成果剖面：覆盖层均厚3-6m，强风化层厚度变化较大，薄则2-4m，厚则达14m；在测线3-6m（ZDK30+724 左5.0m-ZDK30+724左8.0m 段）表现为竖向低波速，判断为裂隙发育。在测线30-42m 裂隙发育，在埋深17.5-19.8m 位置[编号：采空1]，判断为小煤窑采空区。

通过分析WD3～WD3’线微动成果剖面：覆盖层均厚3m，强风化层厚度变化较大，薄则4-6m，厚则达16m；在测线9-28m 段表现为波速较低，判断裂隙发育，在该段深13.0-15.2m 位置可能存在小煤窑采空[编号：采空5]。

根据物探成果得出采空区探测结论如下：

（1）本次物探工作，共布置微动测线3 条，发现5 处采空异常；6 条节理裂隙；1 个厚层强风化基岩区；

（2）第4、5 号采空异常与左线隧道相交，第3 号采空异常距左线隧道的最小距离为4.5 米；

（3）节理裂隙与采空区伴生，推断为地下水在采空区富集并下渗，最终形成风化裂隙；

（4）厚层强风化基岩区的平均厚度约17 米，基本沿安置房一侧发育，并与左右线隧道相交；中风化基岩面埋深20—25 米。

3 结论

微动技术经过近年来的迅速发展，已逐渐成为一种适应性强探测精度高的地球物理探测方法。本次微动探测采空区成功的案例成果表明：微动方法在城市强干扰和复杂环境下有比较理想的效果，能适应城市地球物理探测的要求。本次探测的成果表明，微动技术在城市环境下采空区探测中具有良好的效果，准确地圈定了采空区与在建轨道交通的空间位置关系，为设计和施工处理提供指导；同时，在城市中利用微动勘探进行采空区探测时，注意成果解释时应结合地质条件、地层岩性特点和钻孔资料。这样才能保证解释的准确性。