微动探测技术在城市道路隐伏岩溶勘察中的应用

＊王成龙 杨雪娟

（1.河北省地下水资源与生态环境安全技术创新中心 河北 050021 2.河北省水文工程地质勘查院（河北省遥感中心） 河北 050021）

近年来我国已有许多城市路面发生了隐伏岩溶塌陷灾害现象，使地面上的建筑物及附属物发生变形、倒塌，及道路坍陷等灾害，给人们的生产生活造成了很大的损失。准确探查出道路隐伏岩溶的空间发育特征，已然势在必行。岩溶一般发育在碳酸盐岩地层中，空间分布特征不规律，钻探勘查虽然可以准确地揭露岩溶的存在，但却很难（成本高、耗时长等因素制约）反映出岩溶的空间分布状况及形态特征，故不能完全依靠钻探勘查。多个工程实例证明，采用地面物探扫面测量，针对物探异常区域进行钻探验证，物探结合钻探验证结果再重新进行标定解译，是较为理想的勘探思路。物探包括多种工作方法，每种方法均有其适用性，探测岩溶发育的物探方法有很多，如高密度电法、探地雷达法、浅层地震反射波法、微动勘探法、瞬变电磁法等。但是在城市道路上，面对地面硬化、地下金属管道错综复杂、人文及电磁干扰严重的环境里，微动探测是这几种物探方法中首选的方法。本文结合工程实例，运用微动探测技术对杭州市萧山区某街道地下岩溶分布进行勘察，查明了隐伏岩溶的分布情况，并利用钻探验证了物探结果的可靠性。

1.项目区概况

项目区位于杭州某区，属于冲海积平原及侵蚀丘陵地貌，路面地形起伏不大，项目场区路面标高在2～8m左右。杭州市位于我国东南沿海的钱塘江下游，地处长江三角洲南翼，城区横跨钱塘江两岸。项目区区域内内陆河河网密集、水系繁多。该区域河道岸坡一般采用块石及木桩护坡，局部平缓处岸坡为天然土质护坡。项目区内岩溶主要发育在石炭系中统黄龙组（C2h）灰岩的上部，上覆较厚的第四系松散层，岩溶类型属覆盖型岩溶，通过收集前期勘察资料显示项目区属岩溶强发育，溶洞顶板深度30.0～50.0m不等，洞高0.10～12.50m不等，形态不规则，溶洞内多被黏性土或含碎石黏土等充填，部分溶洞无充填或很少填充。

2.地球物理前提

微动探测分层不要求各层介质间纵向上存在波阻抗差异，仅要求各层介质之间存在横波波速差异，由于横波波速主要与介质的松散与密实程度有关，因此微动探测法对地层软弱程度有较好的分辨能力，较适合软岩及密实度差异较大地区的工程勘探。岩石波速不仅仅与岩石的成分有关系，还与其结构、孔隙度、含水量、黏土含量等较多因素关系密切，横波速度全风化岩石＜强风化岩石＜中风化岩。通常溶洞发育区横波波速具有以下特征：半填充溶洞＜粉质黏土＜泥岩＜砂岩＜砂砾岩＜灰岩，因此使用微动探测隐伏岩溶具备地球物理前提条件。

3.工作方法

探测岩溶常规的物探方法有高密度电法、探地雷达法、浅层地震反射波法、瞬变电磁法等。但是在城市强干扰背景下探测几十米深度内的岩溶发育，地面硬化及地下金属管道对高密度电法影响较大、探地雷达法在几十米深度上分辨率较低甚至接受不到有用的反射信号、城区交通工具产生的振动干扰对浅层地震勘探产生的噪音干扰较大、城区内电磁信号又严重干扰瞬变电磁法对有用信号的提取，经对比分析，选择目前国内新兴且先进的微动探测技术是相对适宜的方法选择。

(1)微动探测技术原理

微动探测法又称天然源面波法，是从自然界背景地震波动噪音（地脉动）中通过自相关方法提取瑞雷波频散曲线，从而推断地层信息，与主动源面波法相比，天然源面波法对场地条件要求低，而探测深度大。常用的观测装置有四种，三角嵌套、圆形装置、L型装置及一字型装置。

(2)工作参数

由于场地条件限制，工作接收器需要按照一字型方式布置，接收器按照设计数字顺序布设，测点记录为装置中心，所有检波器与大线连接后，在监测端观察仪器是否正常采集数据，待仪器正常测量开始计时，根据探测要求决定采集时间，一般情况观测约30min，个别点需观测到一个小时。一个测点采集完成以后，关闭接收器，移位进行下一个测点的测量。天然源面波（微动）勘探使用设备为WZG-24C宽频地震仪，观测频率为0.01Hz至4000Hz，采集耦合频率为0.1～15Hz，使用检波器为2Hz低频检波器，每测点共观测30min，根据场地环境特征个别测点延长至60min。主要采用一字型观测系统，观测边长均为20～100m。

(3)数据处理

微动探测数据处理首先从采集到的时序数据中拾取瑞雷波，获得其相速度频散曲线，再对频散曲线进行反演获得横波速度结构，最后结合已知地质资料做出地质解释。如图1所示，本次实例中，我们采用了剖面台阵方式来进行微动探测数据观测，这种方式是在地面上设置一系列测点，通过观测不同位置的数据来获取地下结构的信息。我们从每个测点的数据中提取了瑞雷波频散曲线，然后绘制了相速度等值线图。为了获得更加精确的地下结构信息，我们进行了插值和圆滑等处理步骤，计算出了二维视横波速度剖面，这个剖面可以直观地反映地层的变化情况，为地质解释提供了基础。

图1 微动剖面探测数据处理流程图

利用微动数据中提取的瑞雷波频散曲线进行反演，以推测地下视横波速度结构的变化特征，并解译出相应的地层结构信息。这种方法结合了瑞雷波的特性和半波法的原理，通过分析瑞雷波在地下介质中的传播速度，可以推断出地下不同深度处的波速变化情况。通过对探测目标剖面的微动数据进行处理和解释，可以获取地下结构的相关信息。这种方法在地质勘探和地下资源开发中具有广泛的应用，为研究者和工程师提供了有价值的地质信息，帮助他们更好地理解和解释地下地质条件。计算视横波速度半波法经验公式如下。

该方法可用于地层剖面上地层岩性的相对变化而无需反演横波波速。

式中，νs为视横波速度；νr为瑞雷波相速度，ti=1/fi为周期，深度一般为半波长的长度。

通过计算视横波速度和利用相速度频散曲线，我们可以得到视横波速度随深度变化的大致趋势。然后，为了得到更平滑的曲线，可以使用光滑算法，例如滑动平均或高斯滤波，这些算法可以减少数据中的噪声，使得结果更加可靠。然而，需要明确的是，视横波速度并不等同于真实的横波速度，它是一种近似值，可以间接反映出实际横波速度的变化趋势。因此，在进行深度-速度剖面图的分析时，需要注意到这个近似性质，因此通过视横波速度-深度剖面成果图推断解译地层结构信息。

本实例中使用的处理软件为骄佳Geogiga9.15面波高级版进行处理，分析方法为空间自相关SPAC法，如图2所示，假定天然源面波在时间与空间上是随机平稳的，对于每一个特定的频率，相速度可通过拟合空间自相关系数与第一类零阶贝赛尔函数得到。

图2 SPAC法生成的频散图

提取频散曲线信息后，将频散曲线进行反演即可得到H-V剖面成果。反演算法采用的是遗传算法（Genetic Algorithm，简称GA）。单测点的相速度、视横波速度及反演层参数后即可使用相关的GIS类软件进行剖面成图分析。

4.成果解译

沿道路方向及垂直道路方向网格式布置测线9条，下面以其中1条测线为例进行叙述。

如图3，剖面纵向上视横波波速变化特征较明显，总体为低-高二层结构，视横波波速变化范围为100～400m/s。结合钻孔资料，具体分层如下：0～47m为浅部低速区，视横波波速小于250m/s，为粉质黏土反映。47m以下视横波波速显著增大，为含砾砂岩及灰岩综合反映。结合对比钻孔溶洞特征资料，将深度47m以下视横波波速Vs＜250m/s的区域圈定为低速异常区，共5处，分别命名为WT-1、WT-2、WT-3、WT-4及WT-5。具体特征解释如下：WT-1异常中心位置位于剖面38m处，异常影响宽度约20m，埋深约47.9m，异常影响厚度约26m。推测为黏土填充溶洞发育区，附近无预设计基桩。WT-2异常中心位置位于剖面152m处，异常影响宽度约50m，埋深约52m，异常影响厚度约24m。推测为黏土填充溶洞发育区。附近存在NE6、NE7及FZ37右三个基桩，推测溶洞发育情况与地勘揭露钻孔基本吻合。该处溶洞发育范围宽度及厚度均较大，设计和施工时加强注意。WT-3异常中心位置位于剖面268m处，异常影响宽度约38m，埋深约53m，异常影响厚度约21m。推测为黏土填充溶洞发育区。附近存在NE10基桩，推测溶洞发育情况与地勘揭露钻孔基本吻合。该处溶洞发育范围宽度及厚度均较大，设计和施工时加强注意。WT-4异常中心位置位于剖面320m处，异常影响宽度约18m，埋深约53m，异常影响厚度约10m，推测为黏土填充溶洞发育区。附近存在NE12基桩，设计和施工时加强注意。WT-5异常中心位置位于剖面350m处，异常影响宽度约28m，埋深约51m，异常影响厚度约32m。推测为黏土填充溶洞发育区。附近存在NE12及NE13基桩，该处溶洞发育范围宽度及厚度均较大，设计和施工时加强注意。

图3 微动剖面探测解译成果图

5.结论

本文通过工程实例论述了采用微动探测技术准确的推测出岩溶的位置、深度和规模，基本查明了岩溶的空间分布形态特性，并在物探异常处进行了钻探验证，物探与钻探结果吻合度很高，结论表明应用目前新兴的微动探测技术对城区环境下进行溶洞勘察是行之有效的。