多源頻率域地震勘探法在探測城市隧道洞室中的應用

陳支興

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北 武漢 430063)

0 引言

19世紀是橋的世紀,20世紀是高層建筑的世紀,21世紀則是開發利用地下空間的世紀[1]。隨著我國城市化進程的加快,地下空間利用深度不斷加大,地下隧道、地鐵、綜合管廊等地下設施日益增多,對地下空間的開發與建設提出了更高的要求。在城市地下工程建設過程中,通過前期勘察獲取隧道洞室等地下設施的準確空間信息,對后期的設計施工具有重要意義[2-3]。而城市環境中建筑密集、交通繁忙,常規勘探手段實施困難,常有鉆探盲區出現,存在安全隱患[4-5]。地球物理勘探技術因具有無損、高效、經濟、靈活等特點,在城市工程地質勘察中得到了廣泛應用。

目前,國內外城市地球物理勘探采用的技術主要有地質雷達法、地震映像法、瞬變電磁法、瞬態面波法等。例如: 趙明堂[6]采用地質雷達法探明了某城市道路地下隱患的位置,為城市道路地面塌陷隱患治理提供了可靠的依據; 吳怡潔等[7]采用地震映像法探查了地下空洞和擾動區,經工程鉆探驗證取得了一定的勘探效果; 徐正玉等[8]將小回線瞬變電磁法應用到重慶大學校園防空洞探查中,與實際情況相比較驗證了小回線瞬變電磁法探測結果的準確性和有效性; 鐘曉婷[9]采用瞬態面波法圈定了某商業小區地下人防工程的空間位置,確保了后期工程的施工安全。

上述地球物理勘探技術在城市地下工程勘察中均發揮了重要作用,但受復雜城市環境中電磁和機械振動干擾影響,以及受場地空間限制,使上述物探方法的探測深度和勘探精度受限。近年來,研究人員以適應復雜城市環境為出發點,在利用天然地震信號方面取得了一定的研究進展。例如: 徐佩芬等[10]、杜亞楠等[11]、張明輝等[12]、喬高乾等[13]對微動臺陣法進行了研究,并將其應用于城市軌道交通的覆蓋層調查中; Haghshenas等[14]、王偉君等[15]、張若晗等[16]、汪文剛[17]將微動譜比法引入到場地響應評價和淺層速度結構探測中,也取得了不錯的勘探效果; 劉鐵華等[18-20]總結了以上2種微動勘探的研究成果,在此基礎上開展了多源頻率域地震勘探技術的研究工作,在城市地鐵勘察項目中得到了成功應用。

眾多學者的研究成果為城市地質勘察提供了新的途徑,但上述方法的應用多集中在地層分層、地質構造探查等領域,在城市隧道洞室探測方面應用較少。多源頻率域地震勘探法作為兼具抗干擾能力和狹小空間適用性的新方法,現有文獻中僅有對其原理的簡要介紹,未對該方法綜合頻散曲線的合成機制以及聯合反演函數的計算表達進行研究。針對該現狀,本文在深入探討多源頻率域地震勘探法技術實施要點的基礎上,將該方法應用于城市隧道洞室的探測中,為復雜城市環境下探測隧道洞室提供一種新思路。

1 多源頻率域地震勘探法原理

多源頻率域地震勘探法是融合了瞬態面波(主動源面波)、微動臺陣(被動源面波)和微動譜比3種方法的地震面波綜合勘探技術。

瞬態面波法利用人工震源激發產生的彈性波,通過分析、處理和提取面波頻散信息,反演得到地下橫波速度的分布情況。其采用直線等間距排列方式進行數據采集,作業過程簡單、高效,對淺部地層結構有較好的分辨能力,但在復雜城市環境中經常難以滿足測點規則布置的要求,且勘探深度有限。

微動臺陣法利用自然界中的微弱震動作為信號源,基于該微動信號提取多測點的頻散曲線,實現地層橫波速度屬性反演。其獲取微動信號時,需布置多個采集站形成采集臺陣,臺陣形式一般有“直線型”“同心圓型”“內嵌三角型”等,測點布置相對靈活,具有抗干擾能力強、綠色環保等優勢,但由于天然微動信號中的高頻信號能量較弱,對淺部地層的分辨能力較差。

微動譜比法也是采集微動信號,與微動臺陣法采集單分量數據不同,微動譜比法采集的是三分量數據,提取各測點水平分量和垂直分量的譜比曲線,基于曲線峰值頻率進行地層反演和解釋。其基于單點三分量微動信號進行探測,具有天然抗干擾能力和極強場地適應性,但反演時高度依賴初始模型,要求掌握較為準確的表層速度。

上述3種方法有著不同的優缺點,其在抗干擾能力、測點布置要求、優勢勘探深度和精度方面存在互補性,而在外業數據采集和內業資料處理方面又有相似性,可在獨立實施的基礎上進一步融合,數據采集與處理同步進行,形成一體化的多源頻率域地震勘探法。多源頻率域地震勘探法是在雙源面波勘探技術的基礎上融合微動譜比技術形成,其通過場地內布置的若干三分量傳感器同步采集主動源面波信號和長周期微動信號,綜合獲取每個測點的頻散曲線和譜比曲線,通過對多方法源多頻率范圍的數據進行聯合建模與反演,獲得高分辨率的地層橫波速度分布情況,實現復雜城市環境下由淺到深的高精度勘探。多源頻率域地震勘探法的技術流程如圖1所示。

圖1 多源頻率域地震勘探法技術流程圖

2 技術實施

2.1 多源數據采集

多源頻率域地震勘探法一般采用線性臺陣進行數據的觀測和采集,按規則點距(若局部有障礙物也可采用非等間距)設置三分量低頻傳感器形成排列。先在測線一端激發人工震源,采集垂直分量的瞬態面波數據(主動源),采集時長一般不低于1 s; 采集完成后,繼續采集長周期的三分量微動數據(被動源),采集時長一般不低于20 min。

2.2 特征曲線提取

獲取多源頻率域地震數據后,對原始數據進行處理,提取有效數據段(被動源僅保留平穩的微動信號),由主動源面波和被動源面波的垂直分量數據計算綜合頻散特征曲線,由被動源面波的三分量數據計算各測點的譜比特征曲線。

在提取雙源面波的綜合頻散曲線時,由于主動源面波在高頻段具有更高的收斂性,其在淺層的可靠性更高,而被動源面波在低頻段優勢更明顯,其在深層的可靠性更高,故可通過加權校正的方式將2種數據源的頻散曲線進行整合。主動源面波和被動源面波的頻散譜可被視為一個矩陣,分別與系數矩陣相乘后再求和(見式1),得到合成后的綜合頻散特征曲線。

(1)

簡化后得到:

Da×Ka+Dp×Kp=D。

(2)

式(1)—(2)中: nVel為頻散譜速度值個數; nF為頻散譜頻率值個數;Da為主動源原始頻散譜;Dp為被動源原始頻散譜;D為合成后的綜合頻散譜;Ka為主動源合成系數矩陣;Kp為被動源合成系數矩陣。

為確保頻散譜合成的協調性,主動源合成系數矩陣Ka和被動源合成系數矩陣Kp均為大于0的數,且滿足式(3)要求。

(3)

2.3 聯合反演

提取2種特征曲線后,對頻散曲線和譜比曲線進行反演。本文采用聯合建模與反演的方法,將頻散曲線與譜比曲線的信息特征融合到統一的反演目標函數中,基于頻散曲線和譜比曲線的峰值特征建立初始地層模型,再進行頻散曲線和譜比曲線的聯合反演,獲得高分辨率的地層橫波速度分布。聯合反演實施步驟如下:

1)建立初始地層模型。基于綜合頻散曲線,按照行業經驗公式計算初始地層速度模型。其中,經驗公式按照“波場對應的1/4波長為其對應速度模型深度”的原則進行轉化,將頻散曲線的“頻率-速度”關系轉化為地層模型的“深度-速度”關系。

2)理論頻散曲線計算。基于當前地層模型計算其相應的理論頻散曲線。

3)計算目標函數F(x)。

F(x)=S[rc(x),rb]×wrb+S[HVc(x),HVp]×whv;

(4)

(5)

(6)

式(4)—(6)中:fi為當前測點;N為測點總數;j為某一測點;x為當前測點的一系列模型參數; rc(x)為理論頻散曲線; rb為實測混合源頻散曲線; HVc(x)為理論譜比曲線; HVp為實測譜比曲線;S[rc(x),rb]為rc(x)與rb的均方差;S[HVc(x),HVp]為HVc(x)與HVp的均方差;wrb、whv為頻散曲線和譜比曲線的權重,且滿足wrb+whv=1。

理想情況下,S[rc(x),rb]和S[HVc(x),HVp]趨于0,目標函數F(x)整體趨于0。

5)反演結果輸出。重復步驟2)至4),直到滿足反演條件為止,輸出反演得到的橫波速度成果圖。

2.4 方法特點分析

2.4.1 方法特點

1)超強的狹小場地適應性。多源頻率域地震勘探法采用分布式地震采集站,1個采集站即可完成1個測點的測量,且采集站體積小,占用空間面積有限,可以在復雜城市環境中實現無縫勘探,獲取連續的地質分布情況。

2)天然的抗干擾能力。多源頻率域地震勘探法采集天然的地震信號,相較于其他受困于城市電磁和機械振動干擾的物探方法,其具有抗干擾能力強的突出優勢。

3)高效率。多源頻率域地震勘探法可以一次布置多個采集站同時采集,且一次采集得到的數據相當于瞬態面波法、微動臺陣法和微動譜比法3種方法得到的數據,工作效率提高了2倍,顯著降低了勘探成本。

4)高分辨率。多源頻率域地震勘探法融合了瞬態面波法在表層的高精度、微動臺陣法在深層的穩定性和微動譜比法的場地適應性特點,能實現多方法源多頻率范圍的同步探測與一體化采集,通過對多方法數據進行聯合建模與反演,實現由淺到深的高精度勘探。

2.4.2 適用條件

1)多源頻率域地震勘探法開展的前提條件是需要地層有3 m以上的覆蓋層。該方法主要利用地震面波,覆蓋層過淺時面波發育不充分,影響勘探效果。

2)測點附近無持續固定的強震事件。雖然該方法采集天然的地震信號,但仍需避免測點附近存在持續固定的強震事件干擾,影響數據質量。

今后中級維修技師需掌握機械鉗工、液壓機電、電子通信等技術，高級維修技師需掌握一般診斷技術，技師需掌握高深診斷技術。今后國企與民企共存，4S店與綜合汽修廠共存，大規模汽修廠與連鎖保養店共存，由于技術資料公開、備件公開，綜合汽修廠的實力將逐漸增強。汽車維修量的增長將由一線(北上廣深)、二線(省城)，向三線(地級)、四線(所有)城市轉移。汽車修理哪家強，就看診斷技術誰能擔當，診斷技術能力強的維修企業客戶資源必然多于診斷能力弱的維修企業。

3)地形起伏不宜過大,坡度小于20°為宜。多源頻率域地震勘探法一般采用線性排列多測點觀測,地形起伏過大將影響頻散曲線的計算精度。

3 隧道洞室探測的應用分析

3.1 工程概況

某城市市政工程項目,線路經過繁華市區道路,車流量大,路旁房屋密集,電磁和機械振動干擾強烈,道路下方有城際軌道交通穿行。

為快速查明軌道交通與工程線路的交叉位置,探測其主體隧道埋深范圍,排除施工安全隱患,采用多源頻率域地震勘探法進行探測。

3.2 數據采集

本次多源頻率域地震勘探法數據采集工作,采用EvS-4型三分量地震采集站,其頻帶為0.2～500 Hz。采集系統支持4G與WIFI的雙模式采集與通訊,同時支持采集站和移動端2種方式對硬件和數據質量的監控。多源頻率域地震勘探采集站及控制軟件如圖2所示。在實際工作中,操作員通過采集站面板對儀器狀態進行監控,技術員通過手機移動端的采集軟件進行全面監控,實時查看數據質量。

(a) 采集站

外業觀測系統的主要參數設置如下: 采用線性觀測系統,以K0+920為中心沿線路方向向兩端各延伸75 m,10個采集站同步采集,測點間距為5 m,采樣間隔為4 ms,主動源采樣時長為1 s,被動源采樣時長為30 min。為確保數據質量,開工前,對所有采集設備進行一致性檢測和時間同步校正; 采集站布置過程中,每臺采集站的水平傾角控制在3°范圍內。

3.3 數據處理與成果分析

數據采集完成后,開展預處理工作,剔除短時干擾(如過往車輛)的影響,低于閾值的部分視為穩態信號被采用。數據預處理如圖3所示。

圖3 數據預處理圖

基于主動源面波和微動數據分別提取各測點的面波頻散曲線,如圖4所示。基于三分量長周期微動數據提取各測點的譜比特征曲線,如圖5所示。

(a) 主動源面波頻散曲線

圖5 單點譜比曲線圖

提取2種特征曲線后,基于頻散速度和譜比峰值建立初始地層模型,在聯合建模和反演的基礎上獲取高分辨率的地層速度信息。探測成果如圖6所示。

圖6 探測成果圖

測線范圍內基巖面整體起伏不大,地層淺部層狀特征較為明顯,范圍內存在2處低速異常區: K0+858～+864,深度-18.2～-12.9 m; K0+913～+921,深度-27.9～-20.2 m。經現場調查、設計及施工單位核查,K0+858～+864所解釋的異常位置為燃氣管道埋設區段,K0+913～+921所解釋的異常位置為城際隧道經過區域,物探結果與實際情況基本吻合。其中,物探圈定的隧道頂板埋深與實際埋深相差0.7 m,探測誤差為3.3%。

分析認為,城際隧道所在位置因介質條件發生變化,波速顯著降低,在探測得到的橫波速度剖面圖上,表現為向下凹陷的“低速異常區”,易于識別。由此可見,多源頻率域地震勘探法對隧道洞室有較好的探測效果。

4 結論與討論

本文針對復雜城市環境中的勘探難題,采用多源頻率域地震勘探方法,實現了復雜城市環境下隧道洞室的高精度探測。通過在某城市軌道交通隧道勘察中的應用,主要結論如下:

1)多源頻率域地震勘探法融合了瞬態面波法在表層的高精度、微動臺陣法在深層的穩定性和微動譜比法的場地適應性特點,具有較強的抗干擾能力和狹小空間適應性,適用于復雜城市環境的多種應用場景。

2)采集設備輕便小巧,測點布設靈活方便,單次采集能同時獲得3種方法的數據,工作效率提高2倍,顯著降低了勘探成本。

3)該探測方法獲得的橫波速度剖面,分辨率高,具有較好的穩定性和可靠性,探測得到的隧道頂板埋深與實際埋深相差0.7 m,探測誤差僅為3.3%,證明該方法在探測城市隧道洞室方面具有較好的應用效果。

由于多源頻率域地震勘探法是建立在上述3種方法融合利用的基礎上,不可避免地存在這些方法自身固有的缺點。該方法的有效實施,首先要基于場地發育面波等有效波場,如基巖出露或覆蓋層較淺時則存在效果不佳等問題;其次應避免規律性的近場振動干擾。此外,瞬態面波數據的采集目前還建立在直線觀測裝置下,如何突破線性裝置的限制,實現任意觀測裝置下3種信號源的多源頻率域地震勘探,是今后進一步研究的方向。