微動剖面探測法在城市軌道交通勘察中的應用及效果：以廣州地鐵十號線為例

喬高乾， 徐佩芬， 龍 剛， 凌甦群

(1.廣東有色工程勘察設計院， 廣州 510080； 2.中國科學院地質與地球物理研究所， 中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室， 北京 100029； 3.中國科學院地球科學研究院， 北京 100029； 4.中國科學院大學地球與行星科學學院， 北京 100049； 5.北京中科吉奧能源環境科技有限公司， 北京 100083)

城市軌道交通作為公共交通的重要方式，具有節省土地空間、保護周邊環境、運載量大、效率高、噪音少、交通相互干擾小等優點，對緩解城市地面交通壓力起到關鍵作用[1]。軌道交通工程建設一般在人員密集、交通壓力大的城市中心進行，前期勘察施工難度大，往往受到環境和場地條件限制。無法實施鉆探的地段地質資料不全或勘察程度不夠，會給后期盾構施工帶來地質安全風險。隨著中國城市軌道交通全面進入世界領先行列[1]，軌道交通勘測技術也面臨新的機遇與挑戰。

軌道交通工程建設不良地質勘察一般采用鉆探和物探方法。鉆探可實現巖芯原位取樣、獲得鉆探地質剖面，巖樣經實驗室測試還可獲得巖土參數，因此，鉆探無疑是最直接、精準的探測手段，目前也仍是最常用的探測手段。但在城區開展鉆探作業往往妨礙交通、受到場地條件限制，并可能對地下管線等市政設施帶來安全風險，加之一孔之見、有損環境和擾民等諸多弊端，施工成本高、難度大，無法實施鉆探的地段成為地質信息盲區，給軌道交通設計、施工帶來很大不確定性和安全風險。

地球物理探測作為軌道交通巖土工程勘察的重要技術手段，近些年已取得了較快發展[2]，已廣泛應用于探測隱伏地質結構、不良地質構造，常用方法可分為地震波法和電磁法二大類。前者包括采用人工震源的反射地震法、折射地震法，多道面波、瞬態面波法以及利用天然源的微動探測法，后者包括高密度電法、淺層瞬變電磁法、地質雷達等。采用人工源的傳統物探方法(地震波方法、電磁類方法)在城區開展工作均會受到各種振動或電磁干擾嚴重影響，原始數據的采集質量難以保證，以致很難通過壓制干擾提高信噪比的辦法獲得可靠的探測結果。所以，發展適應城市復雜環境、抗干擾能力強的城市物探方法，是城市建設、軌道交通工程勘察的關鍵。

近年來，利用天然源微動的探測方法——微動探測法越來越多的應用于城市環境。在外國，這類方法主要應用于劃分地層和確定基巖面深度[3]，因為基巖深度的確定是任何基礎設施工程(如隧道、深基坑和地下空間)設計/定線/初始規劃的重要組成部分，而鉆探確定基巖的深度通常耗時、昂貴和繁瑣。在中國，很多學者采用微動探測方法開展軌道交通建設中的不良地質體探測研究[4-8]。實際工作中，因采用相速度、S波速度(由反演獲得)和視S波速度等多種參數以及軟硬件設備因素，探測效果有較大差別。為滿足軌道交通工程勘察精準探測需求，在傳統空間自相關法(spatial autocorrelation method，SPAC)微動探測技術[9-10]基礎上，創新性研究發展了基于ESPAC法的微動剖面探測技術[6-7]，建立了其理論、方法及技術體系，形成了首個微動探測法國家行業標準[11]。

微動剖面探測技術因無需人工源，不受電磁及噪聲干擾影響，抗干擾能力強，適用于城市復雜工況環境。采集處理高頻面波數據，提高了分辨能力，已發展成為城市軌道交通巖土工程勘察的關鍵技術。在貴陽地鐵2號線巖溶、斷層勘察[6,12]，廣州市地鐵十八號線番南區間基巖面突起探測[7,13]、廣州軌道交通建設工程勘察[13-14]中發揮了重要作用，為地鐵設計、建設提供地質安全保障。

廣州作為中國粵港澳大灣區建設的重要城市，軌道交通建設一直走在全國前列，也因面臨巖溶、孤石、基巖突起、斷裂構造、軟硬巖復合地層等各種地質難題[15-17]，素有城市軌道交通建設地質博物館之稱。除此之外，還時常遇到地下構筑物，如早年修建的地下人防工程設施、廢棄的地下建筑物等。未探明的地下構筑物對地鐵設計、施工構成威脅。盾構施工如遭遇不明地下構筑物，輕則會破壞構筑物結構，重則可能引發地面建筑物坍塌等嚴重事故，為了避讓地下構筑物需對隧道設計進行修改和調整也會增加工程成本、耽誤工期。地下構筑物因隱蔽性、年代久遠無從考證的不確定性而成為城市地下軌道交通勘測的探測難題。

以廣州市軌道交通十號線工程寺右新馬路段地下人防構筑物探測工程[14]為例，介紹微動剖面探測方法及其探測成果。通過與鉆探成果的對比，分析兩種探測成果的差別與原因，在此基礎上總結提出該方法在城市軌道交通勘察設計不同階段的使用建議。

1 微動剖面探測法

1.1 基本原理

微動探測的物理前提是基于地層介質的不均勻性，面波在地層介質中傳播時會產生頻散。微動探測觀測地球表面無時不在的地面振動“微動”(振幅微米量級)，以平穩隨機過程理論為依據，從微動信號中提取面波(瑞利波)頻散曲線，通過對頻散曲線反演獲得地下介質的橫波速度結構[18]。微動剖面探測則是基于沿測線多點探測獲得瑞利波頻散曲線(Vr-f，其中，Vr為瑞利波相速度，f為頻率)，通過Vr-Vx，Vx為視S波速度)變換將相速度轉換成視S波速度并成像獲得視S波速度剖面[4-7,14]，達到分層、探測不良地質體的目的。

1.2 工作方法

野外數據采集需利用特定臺陣[6-7,14,19-20](如圓形、丁字形陣列等)觀測天然場源微動數據，一臺拾震器置于圓心、其他各拾震器布設在半徑為r的圓周上，以接收來自各個方向的微動。拾震器越多，勘探的精度越高，半徑(觀測半徑)越大，勘探的深度越深。具體工作流程如圖1所示[21]。

微動剖面法通常采用擴展空間自相關法(the extended spatial auto-correlation，ESPAC)[9,21-22]從臺陣微動數據中提取頻散曲線，再通過Vr-Vx變換法計算視S波速度并成像，獲得視S波速度剖面。

2 工程實例研究

2.1 工程及地質概況

廣州市軌道交通十號線工程寺右新馬路站-署前路站區間位于廣州市越秀區，線路出寺右新馬路站后沿寺右新馬路向西敷設約940 m。通過走訪和調查發現，圖2所示的寺右新馬路段(楊箕涌-達道路)存在部隊地下人防工程，埋深15～20 m，基礎類型不詳，也因年代久遠，已無法收集相關圖紙資料，軍事工程設施更無法通過有損的鉆探施工去探查。如果不能通過有效的探測方法查明地下人防工程的位置、埋深及走向，將會給地鐵線路的設計和施工帶來極大的安全風險和隱患。

圖2 廣州市軌道交通十號線寺右新馬路段微動探測測區及工程布置圖

本區間發育地層從上至下依次為人工填土層<1>、砂層<3-2>、粉質黏土層<4N-2>、全風化泥質粉砂巖<6-3>、強風化泥質粉砂巖<7-3>、中風化泥質粉砂巖<8-3>、微風化泥質粉砂巖<9-3>。該區域巖土層巖石力學指標統計值如表1 所示，工程地質斷面(局部)如圖3所示。隧道盾構主要穿越于強～中風化基巖(泥質粉砂巖)中，其明顯的“差異風化”特性使得本區工程地質條件較為復雜，后期地鐵盾構施工也面臨較大工程地質風險。

圖3 測區工程地質剖面圖

表1 巖層巖石力學指標統計表

2.2 微動剖面測線布置

測區范圍內道路較為狹窄，車流量大，交通十分擁堵。居民房屋、軍事轄區建筑密集，沿街商鋪集中，人流量大，還有人行天橋、各種地下管線等設施?？傊疁y區地面條件復雜，震動干擾大，電磁波干擾嚴重，傳統物探方法難于開展工作。

考慮到微動探測法具有突出的抗干擾能力和更好的場地適應性，首次在廣州市軌道交通十號線勘察工程中引入該項技術，以解決地下建構筑物設施探測難題，同時也希望總結工程應用經驗，為粵港澳大灣區城市軌道交通勘察推廣應用提供指導。

根據探測范圍、深度及精度要求，本次微動探測布置兩條測線。測線1布置于寺右新馬路南側，共布設44個勘探點，對應于該區間左線里程ZCK10+331.255～ZCK9+937.551段；測線2布置于寺右新馬路北側，共布設29個勘探點，對應于該區間右線里程YCK10+336.628～YCK10+256.948和YCK10+137.092～YCK9+962.748段。路南測線先以10 m間距均勻布設勘探點，如果在微動剖面上發現異常，則在異常區域加密探測點，以精確查明異常邊界，再到路北相應測線段布設勘探點，以確定異常的走向。微動測線、測點及鉆孔平面布置如圖2所示。

2.3 微動剖面探測成果

采用ESPAC法處理每個勘探點實測微動數據并形成視S波速度剖面[14]，如圖4所示。

為對微動視S波速度剖面進行地質解釋，首先收集測點附近的鉆探資料并與微動剖面速度特征進行對比分析，總結出測區視S波速度與巖性的對應關系如表2所示，再根據微動剖面速度變化特征追蹤劃分地層界面、識別速度異常并做出地質解釋。據此，可劃分解釋三套地層，從上到下依次為①素填土-粉質黏土；②全-強-中風化泥質粉砂巖；③中-微風化泥質粉砂巖，與鉆孔巖性具有較好對應關系。

表2 測區巖性與視S波速度的關系

在線路里程ZCK9+960 m～ZCK10+60 m(勘探點13～4)、YCK9+970 m～YCK10+50 m段(勘探點N17～N2)，發現長度80～100 m的低速異常區域，解釋為地下人防工程[14]。推測人防工程具有“主體(地下室)+洞室+通道”的結構，其平面位置如圖3所示(蘭線勾畫區域)。表3為人防工程離隧道結構頂板的距離，在ZCK10+30～40 m段左硐室離隧道頂板最近，僅4.5 m，主體(地下室)及通道離隧道頂板≥12 m。

表3 人防工程構筑物底板離隧道結構頂板的距離

3 微動探測結果與鉆探結果的對比分析

為進一步了解微動探測成果的可靠性和精度，在后續工程勘察中布設鉆孔驗證，鉆孔盡可能布設在離微動探測點5 m左右范圍內，以對比、分析兩種探測成果的差別及原因。

鉆探揭示的地層可分為：Ⅰ第四系土層；Ⅱ全、強風化層；Ⅲ中、微風化層，與前述微動剖面解釋的①～③地層相對應。微動探測結果與鉆孔的深度誤差如表4所示。

表4 鉆探驗證巖土層分層

驗證鉆孔的巖芯照片如圖5、圖6所示。鉆探揭示地層屬白堊系上統三水組西濠段(K2S2b)內陸湖泊相為主的粗砂-細砂屑碳酸鹽建造[23]，巖性以紫紅色泥質粉砂巖，粉砂質泥巖夾含礫粗砂巖為主，呈薄～中厚層狀，含鈣質團塊。部分鉆孔揭示其基巖存在明顯“差異風化”現象，主要表現為強風化層中夾有中風化巖、中風化層中夾有微風化巖以及部分地段完整的中微風化巖面埋深變化較大，如鉆孔MJZ3-SS-35和MJZ3-SS-47。

黃色、蘭色箭頭位置分別指示①層(覆蓋層)和②層(全-強-中風化泥質粉砂巖)底界

MJZ3-SS-28和MJZ3SS-30孔分別在16.1 m和17.8 m處鉆遇混凝土塊，指示人防工程結構頂板

在微動探測確定的人防工程主體范圍內布設鉆孔MJZ3-SS-28和MJZ3-SS-30(位置如圖2所示)，分別在16.1 m和17.8 m處鉆遇混凝土塊，即人防工程結構(主體)頂板，驗證了微動探測確定的人防工程(主體)的位置，二者的深度誤差分別為5.59%和4.49%(表5)。

表5 鉆探驗證地下人防工程結構

3.1 劃分巖土層的效果

①素填土-粉質黏土(可塑狀)。該層為測區覆蓋層，其物理力學性質和強風化巖差別明顯。比對結果顯示，底界面的誤差介于1.56%～4.48%，平均值為2.79%，誤差范圍及平均值均能滿足工程勘察要求。誤差較大(4.48%)出現在7號勘探點、MJZ3-SS-31號鉆孔處，微動剖面顯示該處覆蓋層增厚，底界面變化大。所以，盡管MJZ3-SS-31號孔與7號勘探點相距3.56 m，兩處的覆蓋層厚度可能會產生一定變化。

②基巖(全-強-中風化巖)。比對發現，該層底界深度誤差介于1.18%～5.46%，平均值為2.61%。本區強風化巖-中風化巖的物理力學性質變化不大，強風化、中風化巖的天然強度標準值分別為3.62 MPa和7.20 MPa(表1)，而微風化的天然強度標準值則高達17.35 MPa，其物理力學性質和強、中風化巖有明顯差別。所以，全-中風化巖與其下微風化巖速度分界面較為清晰，微動探測劃分該層界面的深度誤差較小。

但MJZ3-SS-35號鉆孔與13號勘探點的深度誤差高達18%是個例外。分析原因，一是該勘探點處于巖層增厚、巖面呈“V”字形變化(巖性突變)位置，即使MJZ3-SS-35號鉆孔與13號勘探點相距僅3 m，層底界深度也可能發生較大變化；二是13～21號點受到長城大廈地下室影響，實測數據不能真實反映地層介質，在微動視S波速度剖面上產生“低速拖尾效應”，影響分層精度。

微動剖面解釋的巖層界面實際是速度分界面。由于速度與巖性并非一一對應，并且縱、橫向速度都需進行插值和光滑計算，所以，微動探測解釋的巖層界面與鉆孔所見真實的巖性地層界面存在一定誤差是合理的，可采用鉆探結果標定加以校正。

3.2 探測人防工程的效果

本次工作查明的地下人防工程開挖修建在微風化基巖(泥質粉砂巖)中。顯然，人工開挖后實際介質由泥質粉砂巖變成空氣，波速顯著降低，與圍巖相比形成了明顯的低速異常區域。所以，微動剖面上人防工程以“低速異常”為顯著特征，易于被識別。采用的微動剖面探測法將頻散速度轉換成視S波速度并成像，這個過程對巖性(速度)變化具有強化作用[10]，從而微動剖面探測法對巖溶(溶洞)、人防工程、斷裂破碎帶等低速巖體具有良好的探測效果。

在后期巖土勘察中也布置鉆探對微動查明的人防工程結構進行了驗證。結果表明，微動探測確定的人防工程結構頂板與鉆探結果的深度誤差在±5%，能滿足工程勘察精度要求。寺右新馬路南側左硐室(10～11號勘探點之下)底板距隧道拱頂 ±4.5 m,滿足地鐵隧道穿過的最小距離，原隧道設計深度可保持不變，但在施工過程中應該及時、合理調整盾構機的有關參數，以策安全。

4 結論

采用微動剖面探測法，在廣州地鐵十號線寺右新馬路段開展地下人防工程構筑物探測并取得滿意效果，查明了構筑物的空間位置及結構，為地鐵盾構設計、施工提供了重要的地球物理依據和地質安全保障。實際應用表明，該方法抗干擾能力強，數據采集便捷，適用于城區復雜的交通、工況環境，探測精度能滿足工程勘察需求。盡管目前鉆探仍是城市工程地質勘察的主要手段，但在城市軌道交通勘察中經常會遇到某些范圍或區域因現場環境及人為等因素無法鉆探施工的情況，微動剖面探測便可作為有效的替代手段。

針對軌道交通勘察不同階段及探測對象，提出以下采用微動探測方法的建議，可優化勘察方案、提高勘察效率、降低勘察成本。得出如下結論。

(1)當軌道交通工程位于同一地質分區內，已施工的鉆探結果可用于定性、定量標定微動剖面巖性和界面深度，采用微動剖面探測可獲得較高的探測精度。

(2)當軌道交通工程位于巖溶、孤石等不良地質發育的復雜區域時，僅依靠鉆探很難探明、查清不良地質條件，而依靠加密鉆孔來提高勘察精度的做法往往又會增加勘察成本、延長工期。在這種情況下，建議通過采用微動剖面探測補充兩個鉆孔之間鉆探盲區的探測結果。根據微動探測成果還可有針對性地布設鉆孔驗證，這樣既可減少鉆探工程量，也可保證地質勘察精度，更能大幅降低勘察成本。

(3)如果軌道交通區間或站點附近有斷層構造，鉆探的“一孔之見”往往難于高效查明斷裂破碎帶的準確位置及空間展布形態。建議采用微動剖面探測方法進行精準探測，再布置鉆孔驗證。