城市地鐵地表沉降風(fēng)險(xiǎn)防控中微動(dòng)探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究

宗傳攀，姚永林

（山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 臨沂 276006）

1 工程概況

某城市地鐵2號(hào)線(xiàn)隧洞工程位于新區(qū)與老城區(qū)之間，全長(zhǎng)5.1 km，設(shè)計(jì)5站5區(qū)間，車(chē)長(zhǎng)總長(zhǎng)度、區(qū)間單線(xiàn)延米長(zhǎng)分別為1.1 km、7.55 km。本線(xiàn)路穿越鬧市區(qū)，且在地下存在各類(lèi)管線(xiàn)與建筑物。為做好城市地鐵地表沉降風(fēng)險(xiǎn)防控，相關(guān)人員應(yīng)詳細(xì)了解地層分布、地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)環(huán)境情況，采用微動(dòng)探測(cè)技術(shù)結(jié)合鉆孔及地質(zhì)資料查明地質(zhì)環(huán)境，確保探測(cè)的有效性，為城市地鐵地表沉降風(fēng)險(xiǎn)防控提供指導(dǎo)依據(jù)。

2 微動(dòng)探測(cè)技術(shù)原理

微動(dòng)也稱(chēng)為環(huán)境噪聲或地脈動(dòng)，源于人類(lèi)活動(dòng)和自然界震動(dòng)，例如，自然界產(chǎn)生的風(fēng)吹草動(dòng)、氣壓變化、海浪起落等；人為因素產(chǎn)生的人的行走、車(chē)輛的來(lái)往、建筑施工等[1]。微動(dòng)探測(cè)技術(shù)主要以空間自相關(guān)法（SPAC）及頻率-波數(shù)譜法（F-K）為主，以微動(dòng)臺(tái)陣探測(cè)為基礎(chǔ)，微動(dòng)探測(cè)在信號(hào)收集時(shí)采用臺(tái)陣布置方式，主要臺(tái)陣類(lèi)型有圓形、嵌套三角形、T形、L形、十字形、直線(xiàn)形等。SPAC法只適用于規(guī)則的圓形臺(tái)陣；F-K法可以適用于更靈活的臺(tái)陣，但需要布置較多測(cè)點(diǎn)（至少需要7個(gè)檢波器）。在空間自相關(guān)法律的基礎(chǔ)上提出的擴(kuò)展空間自相關(guān)法（ESPAC）可不受圓形臺(tái)陣的限制，適用于不規(guī)則臺(tái)陣，同時(shí)不需要布置過(guò)多測(cè)點(diǎn)即可獲得較好的頻散曲線(xiàn)。地層的諸多信息都能在Rayleigh波的波速特征與衰減特性中體現(xiàn)出來(lái)，面波Rayleigh與橫波S的波速比為0.87~0.95，二者十分接近。面波Rayleigh會(huì)在不均勻介質(zhì)傳播中出現(xiàn)頻散現(xiàn)象，頻散的主要影響因素為橫波速度。

利用ESPAC提取微動(dòng)信號(hào)的頻散曲線(xiàn)一般分為以下步驟：（1）同時(shí)對(duì)不同半徑的臺(tái)陣觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；（2）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理；（3）分別計(jì)算不同半徑圓中心點(diǎn)與圓周上第i個(gè)觀測(cè)點(diǎn)微動(dòng)信號(hào)的自功率譜和互功率譜，進(jìn)而得到該半徑下的自相關(guān)系數(shù)；（4）將自相關(guān)系數(shù)與貝塞爾函數(shù)進(jìn)行擬合，求自相關(guān)系數(shù)與距離之間的變化情況。在提取頻散曲線(xiàn)之前，對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)采用剔除異常值、消除趨勢(shì)項(xiàng)、平滑處理、數(shù)字濾波和相關(guān)分析等方法進(jìn)行預(yù)處理，從而將可用頻率成分有效提取出來(lái)；對(duì)不同頻率中心的接收點(diǎn)及其在圓周上不同點(diǎn)之間的空間自相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，然后進(jìn)行方向平均，在不同觀測(cè)半徑空間自相關(guān)系數(shù)下獲取頻散曲線(xiàn)。

微動(dòng)信號(hào)提取出頻散曲線(xiàn)后，選取合適的反演方法以得到地下結(jié)構(gòu)信息。首先，依據(jù)半波長(zhǎng)法建立一維S波速度初始模型，然后，采用非線(xiàn)性全局優(yōu)化算法及個(gè)體群探索分歧型遺傳算法進(jìn)行反演。這類(lèi)方法具有較強(qiáng)的全局尋優(yōu)和非線(xiàn)性反演映射能力，與地下介質(zhì)的橫波速度結(jié)構(gòu)和頻散曲線(xiàn)為非線(xiàn)性關(guān)系一致，能夠快速地由相速度頻散曲線(xiàn)反演得到臺(tái)陣下方的S波速度結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解。在獲取反演頻散曲線(xiàn)時(shí)，結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行聯(lián)合反演，可以有效降低反演的多解性，提高反演結(jié)果精度。細(xì)化通過(guò)反演頻散曲線(xiàn)得到橫波速度結(jié)構(gòu)，提高地層的分析精度。

3 城市地鐵地表沉降風(fēng)險(xiǎn)防控中微動(dòng)探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理

1）數(shù)據(jù)采集臺(tái)陣根據(jù)工作環(huán)境選擇適合的臺(tái)陣，以達(dá)到目的為準(zhǔn)。在布置檢波器時(shí)，應(yīng)盡量避免近場(chǎng)強(qiáng)震動(dòng)源，選擇在車(chē)輛行人少或夜間干擾小的時(shí)候進(jìn)行施工，并適當(dāng)延長(zhǎng)數(shù)據(jù)記錄時(shí)間，多次疊加消除干擾源。做好野外采集監(jiān)控措施，對(duì)強(qiáng)振動(dòng)干擾信號(hào)點(diǎn)減小信號(hào)增益，消除干擾源。通過(guò)改變檢波器組合方式可避免強(qiáng)振動(dòng)引起的干擾。野外記錄時(shí)，應(yīng)在數(shù)據(jù)處理階段濾除或者剔除干擾時(shí)段采集的數(shù)據(jù)[2]。在數(shù)據(jù)采集期間，使用數(shù)字化檢波器可實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化數(shù)據(jù)采集。設(shè)置記錄儀參數(shù)，做好數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)備工作。精準(zhǔn)放置儀器，確保儀器能有一個(gè)安靜的工作環(huán)境，提升數(shù)量記錄的有效性。沿測(cè)線(xiàn)逐點(diǎn)觀測(cè)，觀測(cè)系統(tǒng)單點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間宜控制在10~20 min，結(jié)束前一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)后再開(kāi)始下一個(gè)探測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)。智能檢波器的應(yīng)用能實(shí)現(xiàn)多分量多波束采集。

2）采用對(duì)排列陣型不嚴(yán)苛的F-K法，對(duì)勘探數(shù)據(jù)面波頻散曲線(xiàn)進(jìn)行提取，通過(guò)數(shù)據(jù)處理程序的編制，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成圖形與頻散曲線(xiàn)。采用DMSH和VFSA作為反演方法，其數(shù)據(jù)處理流程為：輸入微動(dòng)記錄→處理參數(shù)選擇→波形成圖/空間自相關(guān)/質(zhì)量控制→剪切波速反演→地質(zhì)成圖→地質(zhì)解釋。

3.2 探測(cè)覆蓋層厚度及基巖面形態(tài)

地鐵2號(hào)線(xiàn)隧洞工程施工中，地表沉降將影響工程的安全施工。其中，巖性與地層深度等參數(shù)能為地表沉降風(fēng)險(xiǎn)防控提供參考。利用微動(dòng)探測(cè)技術(shù)，對(duì)地層的巖土層分布情況進(jìn)行了解，判斷巖土層的性質(zhì)、地層應(yīng)力等參數(shù)，明確是否需要采取支護(hù)措施。微動(dòng)探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用可以反映出巖性的縱向與橫向變化，為地鐵工程提供了基巖面的各類(lèi)信息、巖土層的分化程度。布設(shè)檢波器時(shí)應(yīng)使用36道數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)分為2個(gè)部分，分別為Ah1~Ah19、Ah20~Ah36。第一部分?jǐn)?shù)據(jù)的采集需使用2.5 Hz檢波器，第二部分的數(shù)據(jù)道為空道，沒(méi)有檢波器。10 cm直徑的圓形觀測(cè)臺(tái)站設(shè)置數(shù)量為2個(gè)，臺(tái)陣探測(cè)深度、中心點(diǎn)點(diǎn)距分別為30~50 m、10 m。采樣率與采樣時(shí)間分別為2 ms與30 min，采集記錄為15個(gè)。微動(dòng)探測(cè)期間要控制好整體誤差，不宜超過(guò)5%，確保能準(zhǔn)確反映地層的底層深度意義[3]。

3.3 探測(cè)地下孤石

在地鐵2號(hào)線(xiàn)隧洞工程中，要了解工程所在區(qū)間的地層分布情況，但由于地下孤石的分布位置是不確定的，難以通過(guò)地質(zhì)勘查探明，這樣會(huì)給盾構(gòu)施工帶來(lái)一定影響。所以，需采取微動(dòng)探測(cè)技術(shù)發(fā)現(xiàn)地下孤石，明確孤石的具體位置，并采取有效的碎石措施，避免影響工程進(jìn)度與安全。花崗巖遭受不均勻風(fēng)化殘留的風(fēng)化核是地層深處孤石產(chǎn)生的主要原因，在地層中孤石隨機(jī)分布，且大小不一，給地鐵工程安全施工帶來(lái)極大影響，同時(shí)也可能造成地表沉降，安全隱患較大，同時(shí)增加了盾構(gòu)期間掘進(jìn)難度，會(huì)使刀盤(pán)產(chǎn)生磨損與變形，影響施工進(jìn)度。在探測(cè)孤石時(shí)，可以采用2.5~3 m的正五邊形陣列。五邊形頂點(diǎn)、中心點(diǎn)的6個(gè)檢波器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成圓形陣列，測(cè)點(diǎn)布置間距為5 m，要求能對(duì)整個(gè)隧道范圍進(jìn)行覆蓋。使用測(cè)試儀器采集振動(dòng)信號(hào)，將地震儀與2 Hz三分量檢波器通過(guò)電纜連接方式組成測(cè)試儀器，為保證各臺(tái)地震儀對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步采集，可以使用GPS授權(quán)完成。探測(cè)期間微動(dòng)探測(cè)與鉆孔底層深度對(duì)比見(jiàn)表1。探測(cè)孤石過(guò)程中，如果微動(dòng)視S波波速為550~650 m/s，區(qū)域速度較高，可以判斷出這個(gè)區(qū)域存在不良地質(zhì)，含有孤石。

表1 微動(dòng)探測(cè)與鉆孔底層深度對(duì)比

3.4 求取頻散曲線(xiàn)

頻散曲線(xiàn)是表示頻散波的周期（或波長(zhǎng)、頻率）與波速間關(guān)系的曲線(xiàn)，可采用空間自相關(guān)法求取頻散曲線(xiàn)。求解頻散曲線(xiàn)，可以對(duì)地鐵2號(hào)線(xiàn)隧洞工程中地層的不同情況提供參考。在復(fù)雜地層結(jié)構(gòu)中，頻散曲線(xiàn)能反映地層變化的細(xì)部結(jié)構(gòu)，明確地層條件、震源類(lèi)型等，同時(shí)也能對(duì)缺陷位置進(jìn)行有效定位。在微動(dòng)探測(cè)技術(shù)應(yīng)用及在求解中可以分為兩步：

1）求解頻譜。微動(dòng)信號(hào)的功率譜與交互譜的推定進(jìn)度決定頻散曲線(xiàn)精度。功率譜與交互譜可以使用快速傅立葉變換（FFT）區(qū)間平均法進(jìn)行計(jì)算。按照40.09 s的長(zhǎng)度規(guī)格觀測(cè)數(shù)據(jù)，將噪聲大與不穩(wěn)定的時(shí)間段去除，然后通過(guò)FFT變化對(duì)剩下的各時(shí)間段信號(hào)進(jìn)行變換，功率譜可使用Parzen譜窗進(jìn)行平滑處理，通過(guò)對(duì)平均值的計(jì)算確定頻譜的推定量。

2）求取瑞雷面波頻散曲線(xiàn)。各種距離下的空間自相關(guān)系數(shù)可通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得，同時(shí)將各個(gè)頻率下的面波傳播速度計(jì)算出來(lái)。

3.5 微動(dòng)探測(cè)成果解釋原則與評(píng)價(jià)

3.5.1 成果解釋

1）視S波速度剖面解釋。在探測(cè)期間第一段隧洞開(kāi)挖期間，低速區(qū)在開(kāi)挖界面以上部分發(fā)育，在垂直與水平方向有土層速度變化，速度在350 m/s以下。第二段在隧洞頂面上有異常情況，存在高速異常包裹體。

2）探測(cè)的重點(diǎn)是隧洞洞身范圍內(nèi)的速度異常，在探測(cè)期間由于存在誤差，所以，在解釋不良地質(zhì)期間則包括頂界面向上與向下1 m的范圍。

3）速度變化是判斷隧洞掘進(jìn)范圍內(nèi)是否存在異常體的標(biāo)準(zhǔn)。相比于正常區(qū)域，有孤石區(qū)域會(huì)存在異常。孤石的物理特性為致密與堅(jiān)硬，屬于高速異常體，孤石與異常之間呈正相關(guān)。

4）在盾構(gòu)施工期間，基巖屬于不良地質(zhì)體，基巖的掘進(jìn)速度范圍與視S波速度的等值線(xiàn)趨勢(shì)變化有關(guān)。

3.5.2 評(píng)價(jià)

安全性。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，隧洞分為安全區(qū)、警示區(qū)與危險(xiǎn)區(qū)。安全區(qū)，基本無(wú)速度，且沒(méi)有基巖土氣等問(wèn)題，或者局部速度有異常；警示區(qū)就是在局部區(qū)域存在異常情況，要采取鉆孔方式進(jìn)行驗(yàn)證，基巖凸起等情況不能通過(guò)驗(yàn)證結(jié)果排除；危險(xiǎn)區(qū)就是有明顯異常存在，應(yīng)通過(guò)鉆孔驗(yàn)證確定是否存在孤石。

4 微動(dòng)探測(cè)方法的局限性及改進(jìn)方向

1）微動(dòng)探測(cè)法屬于體積勘探，在探測(cè)過(guò)程中需要在一定半徑內(nèi)展開(kāi)探測(cè)，探測(cè)范圍會(huì)有局限。直徑約1 km范圍內(nèi)的平均物性結(jié)果是某一點(diǎn)大地面波探測(cè)結(jié)果，而不是圓內(nèi)某個(gè)點(diǎn)的局部地質(zhì)信息。

2）觀測(cè)系統(tǒng)在應(yīng)用中依然需要不斷改進(jìn)，由于要與多條導(dǎo)線(xiàn)、記錄儀進(jìn)行連接，微動(dòng)探測(cè)方法在使用期間相對(duì)比較麻煩，且系統(tǒng)容易受到損傷。應(yīng)進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)采集的分辨率，增強(qiáng)深部信號(hào)、壓制淺部（地表）信號(hào)，從而提高微動(dòng)探測(cè)技術(shù)的勘探深度及勘探范圍。

3）數(shù)據(jù)的處理還有很大的改進(jìn)空間，可以使用更為先進(jìn)的處理方法，如回歸模型等。

4）在干擾小的區(qū)域可與高密度測(cè)量及探地雷達(dá)測(cè)量結(jié)合進(jìn)行綜合反演，提高數(shù)據(jù)擬合精度。

5 結(jié)語(yǔ)

城市地鐵地表沉降風(fēng)險(xiǎn)防控中微動(dòng)探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，需要做好應(yīng)用全過(guò)程的細(xì)節(jié)控制，提升數(shù)據(jù)采集與處理的有效性，以判斷地層是否存在不良地質(zhì)，并結(jié)合數(shù)據(jù)分析情況制定地表沉降風(fēng)險(xiǎn)防控策略。微動(dòng)探測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有較強(qiáng)的抗干擾性，且便捷性較強(qiáng)，能滿(mǎn)足地鐵工程的實(shí)際需求。