面波勘探在工程勘察中的應用

劉艷秋，徐洪苗，王小勇，彭青陽，胡俊杰

（安徽工程勘察院， 安徽合肥 230011）

0 引言

工程勘察過程中，在特殊情況下，由于施工場地受限及地質條件客觀影響，對于地層準確分層、巖溶和裂隙的探查等方面，常規鉆探方法難以采用，多數地球物理勘探方法又難以達到精度要求，因此迫切需要新的勘探方法來彌補這方面空缺。

面波勘探具有快速、經濟、易激發和受場地限制小等優點[1～3]。面波法主要分為天然源面波法和人工源面波法，天然源面波法勘探歷史比較悠久，可追溯至20世紀50年代甚至更早，近年來眾多學者主要研究由微動提取面波并實用化。人工源面波勘探約始于20世紀六七十年代，先有穩態面波勘探，后有瞬態面波勘探，現在所說的人工源面波法一般是指瞬態面波法[4～5]。天然源和人工源面波勘探雖然各自發展歷史悠久，但將二者有效結合的面波勘探在近年來才逐步得到應用。

近年來面波方法已經逐漸應用到巖土工程勘察、第四系分層、堤壩隱患調查、煤礦采空、孤石檢測、公路軟基勘察、滑坡面調查[6～8]等多個工程物探領域。

1 面波勘探方法原理

1.1 天然源面波法（微動）

1.1.1 微動裝置

天然源面波可能來源任何方向，選擇有效的觀測排列來采集這些來源不明的面波信號是該方法的關鍵。常用的觀測方式有直線型、L型、多重圓觀測臺陣。多重圓觀測臺陣是微動單點探測最常用的布設方式，圖1為三種觀測系統。

1.1.2 天然源面波法（微動）原理

圖1 常用面波單點觀測臺陣示意圖Figure 1 Schematic views of common surface wave single-point observation arrays

微動是一種沒有特定震源的微弱振動，它是由體波（P波和S波）和面波（瑞雷波和勒夫波）組成的復雜振動，并且面波的能量占信號能量的70%以上，微動中的面波信息與地表介質密切相關，主要提取微動信號的瑞雷波信息。由于面波的頻散特性，微動信號具有振幅、頻率隨時間、空間發生顯著變化的特點，但在一定時空范圍內仍滿足統計穩定性，可用平穩隨機過程來描述。微動探測方法是以平穩隨機過程理論為依據，從微動信號提取面波（瑞雷波）的頻散曲線，通過對頻散曲線的反演獲取地下速度結構信息的地球物理探測方法。

1.1.3 頻散分析

通常采用空間自相關法（The Spatial Auto-Correlation Method，簡稱SPAC法[9]）從微動信號的垂直分量中提取瑞雷波頻散曲線。首先布設一半徑為r0（大小視探測深度而定）的圓形臺陣、圓心處設置一臺檢波器，圓周上等間距的設置若干（至少三臺）檢波器。將各道微動觀測數據經窄帶濾波處理，求出不同頻率（fi）的空間自相關函數ρ（r0,fi），并由ρ(r0,fi)=J0(xi)求出零階貝賽爾函數的變量xi，再由Xi=2πfir0/VR(fi) 求出瑞雷波的相關速度VR(fi)，不同的fi與不同的VR(fi)相對應，于是可繪出VR-f頻散曲線，最后通過多次反演擬合，求出地層S波速度。

1.2 人工源瞬態面波

人工源瞬態面波勘探是利用瑞雷波的特征進行勘探。彈性波理論分析表明，在層狀介質中，瑞雷波是由SV波與P波干涉而形成，其能量主要集中在介質表面附近，能量的衰減與R1/2成正比（R為傳播距離），比體波（P波和S波）衰減慢得多。傳播過程中，介質的質點運動軌跡為長軸垂直于地面、逆時針方向旋轉的極化橢圓，并以高度約一個波長（λR）的圓柱體為波前面向外擴散傳播。

1.2.1 瞬態法裝置

瞬態法裝置如圖2所示，采用錘擊作震源，錘擊時激發一瞬時沖擊力，產生一定頻率范圍的瑞雷波，不同頻率的瑞雷波疊加在一起，以脈沖的形式向前傳播，因而瞬態法記錄的信號要經過頻譜分析、相位譜分析，把各個頻率的瑞雷波分離開來，從而得到一條VR-f曲線。

圖2 人工源瞬態面波法工作示意圖Figure 2 Operation schematic view of artificial source transient surface wave method

1.2.2 瑞雷波具有如下特征：

(1) 地震波形記錄中，瑞雷波振幅最大，能量最強，周期最長，頻率最小，可提供野外較好數據采集分析條件。

(2) 不均勻介質中，瑞雷波相速度具有頻散特性，即：瑞雷波的傳播速度在不均勻介質中是頻率的函數，且隨頻率的變化而變化。此特性是面波勘探的理論基礎。

(3) 瑞雷波速度（VR）與橫波速度（VS）具有相關性，相關式為：

式中μ為泊松比。從完整巖石至流塑狀土體的面波速度VR≈0.92VS～0.953 VS（VS為彈性波速橫波速度）。

即瑞雷波速度主要與介質的密度或介質的松散度、緊密度有關。因此對密實度差異較大的地區進行地層劃分方面有較好的分辨率。

(4) 瑞雷波沿地表傳播，能量主要集中在距地表一個波長的范圍內，可通過測定不同頻率的瑞雷波速度了解不同深度介質的性質和計算其相關動物理力學參數。瞬態面波測試方法即是依據瑞雷波的上述特征進行。

1.2.3 頻散分析

人工源瞬態面波通常采用頻率—波速法（f-k法）[10]，對于時間空間域的二維地震信號d(x,t)，對時間軸和空間軸進行二維傅里葉變換：

就可以得到頻率波數域二維信號，由于相速度和頻率及波數的關系為：

對頻率波數域信號，利用式（2）又可以變換到頻率速度域U(f,V)。

用中心頻率不同窄帶濾波器提取各個頻率成分，計算功率譜，最大值對應的波數k=(kx0,ky0)與優勢波動信號對應，該信號的傳播速度為：

其傳播方向為：

這樣求出不同頻率對應的相速度VR就可以得到一條實測的相速度頻散曲線。

在頻率波數域中，可以清楚的區分瑞雷波不同模態的波動能量。根據波數和頻率的關系k=f/v，計算瑞雷波的相速度。換算出波長，乘以深度系數0.5，即得到此深度的瑞雷波速度。依次求出沒一個頻率的瑞雷波相速度和深度，繪制頻散曲線。

2 面波勘探工程實例

2.1 天然源面波法（微動）

安徽某處擬建高架橋，受鐵路干線及周圍建筑物影響，無法布置勘察鉆孔，為查清擬建高架橋橋基礎下方的巖土分層結構及基巖面埋深，在測區范圍內進行了天然源面波（微動）測量工作。主要目的是查明擬建橋基礎下方巖土體分層結構、基巖面埋深及巖溶發育情況。

2.1.1 數據采集

本次微動工作使用中國科學技術大學研發的GN201微動探測系統進行數據采集，采用三重圓規則臺陣方式進行觀測，內切圓有小到大半徑依次為3m、6m、12m，采樣頻率250 kHz，采集時間30min。

2.1.2 L1 剖面異常特征

由L1剖面微動Vr-D剖面圖（圖3）可知，解釋地層巖性由上往下依次為雜填土、粉質黏土、混粉質黏土卵石、黏土、大理巖的反映。在水平距13～19m，深度26～30.5m處，呈閉合、半閉合圈狀低 速異常反映，解釋推測為巖溶發育區。

圖3 L1線微動Vr-D剖面圖Figure 3 L1 line microtremor Vr-D profile

在2號點的位置處布置了一個驗證孔，從右圖可以看出，微動分層與鉆孔分層基本一致，在深度26.7～32.2m處發現一溶洞，與微動推測巖溶發育也基本一致。

2.1.3 L6剖面異常特征

由L6剖面微動Vr-D剖面圖（圖4）可知，解釋地層巖性由上往下依次為雜填土、粉質黏土、混粉質黏土卵石、黏土、大理巖的反映。在此剖面未發現明顯的巖溶發育區。

在1號點的位置處，布置了一個驗證孔，從右圖可以看出，鉆孔分層與微動分層基本一致。

2.2 人工源瞬態面波法

圖4 L6線微動Vr-D剖面圖Figure 4 L6 line microtremor Vr-D profile

安徽某小區在前期的工程勘察過程中，發現場地內局部地區巖溶發育。在工程施工前需查明場地20～30m深度范圍內基巖面起伏及下部巖溶發育情況。在測區范圍內進行了人工源瞬態面波工作。

2.2.1 數據采集

本次瞬態面波勘探外業工作使用GS201分布式高精度地震儀進行數據采集，采用人工激發震源，4Hz單分量檢波器拾波。采集參數：14道接收、采樣間隔0.25ms、記錄長度1s、記錄延時0ms、道間距2m、偏移距6m，等道間距直線排列觀測系統。

2.2.2 空間平面異常特征

由人工源瞬態面波各剖面Y-Z方向電阻率切片圖（圖5）可以更形象、清晰看出本區地層巖性分布格架。淺部主要為低速，深部為高速，整體表現為由淺至深速度值依次遞增的趨勢，依次對應巖性分別為第四系覆蓋層、強風化泥質砂巖、中風化泥質砂巖、灰巖。在剖面大號點的中深部出現不同程度的低速下凹狀異常反映，解釋推測為基巖裂隙發育或地層接觸帶的反映。

2.2.3 不同高程平面等值線圖異常特征

從視橫波速度不同高程X-Y水平方向電阻率切片圖(圖6)可以看出：該樓整體范圍內視橫波速度值較高。在場區的東南部呈不規則低速閉合圈、半閉合圈異常，解釋推測為基巖裂隙、節理發育；垂向上隨深度增加，呈尖滅狀分布；橫向水平連通性較差，無大面積連通現象。

2.3 人工源面波與天然源面波聯合勘探

由于人工源瞬態面波法勘探對淺部地層分辨率較高，但受激發能量限制勘探深度有限，微動勘探深度大，但淺部勘探時存有盲區，所以本次工作采用瞬態面波法與微動聯合勘探，可以兼顧淺層分辨率和探測深度，達到探測目的。

圖5 人工源瞬態面波各剖面Y-Z方向切片圖Figure 5 Y-Z direction slice diagram of each profile of artificial source transient surface wave

圖6 不同高程Vs X-Y水平切片圖Figure 6 X-Y horizontal slice diagram of different elevation Vs

圖7 天然源（微動）與人工源瞬態面波頻散合并示意圖Figure. 7 Schematic view of natural source (microtremor) and artificial source transient surface wave dispersion merge

2.3.1 天然源（微動）與人工源瞬態面波頻散的合并

天然源（微動）與人工源瞬態面波頻散合并采用處理軟件中的高級面波模塊進行數據處理如圖（圖7）所示，根據合并后頻散曲線進行反演分層。

2.3.2 資料處理與分析

安徽某區域環境綜合整治工程，需要詳細調查測區水文地質及地下水污染狀況， 根據場地條件和地層特點，本次物探選用人工源與天然源面波聯合勘探，與水文鉆孔、工程鉆孔相結合，來研判測區地層結構和地層巖性從面波反演分層圖（圖8）以及面波反演分層與鉆孔分層對比表（表1）可以看出，面波反演分層與鉆孔分層基本一致，且比鉆孔分層更加精細。充分說明了面波聯合勘探的有效性，既能對淺部有較高的分辨率，又能兼顧勘探深度。

圖8 面波反演分層圖Figure.8 Surface wave inversion layering diagram

表1 面波反演分層與鉆孔分層對比表Table 1 Comparison table of surface wave inversion layering and drilling layering

3 結語

（1）從以上實例中可以看出，面波勘探在查找巖溶發育、地層分層方面有著明顯的優勢，它可以解決常規地震方法無法解決的問題，如速度倒轉、薄層等問題；由于面波速度接近橫波速度，測試精度高；有著設備簡單、工作效率高、應用范圍廣、成本低、效益高、受場地條件限制小等優點，因此面波勘探在工程勘察中有著廣闊的應用前景。

（2）目前劃分土地類型以及場地類別仍舊依據常規波速測井求取的橫波速度值計算劃分，由于面波法求取的橫波速度和常規波速測井求取的橫波速度在數值上有一定的差異，二者是否存在一定的相關性、面波法求取的橫波速度值能否直接用于劃分場地類別，還需要進一步的研究探討。