微動勘探技術在地鐵勘察中的應用

摘要：文章介紹了微動勘探技術的基本原理和工作方法，通過實例分析微動勘探技術在地鐵勘察中的應用效果。實踐證明，地鐵勘察采用微動勘探與現有地質資料相結合的方法，是行之有效且適宜的，能夠快速準確地進行地層劃分和不良地質探測。

關鍵詞：地鐵勘察；微動勘探技術；巖土工程勘察；頻散曲線

U212.22A511623

0 引言

在城市建設高速發展的當下，地鐵工程建設是不可或缺的一部分，而巖土工程勘察成果是地鐵設計及施工的重要依據。巖土勘察最常見的方法就是鉆探，但該方法存在著場地約束、噪音影響等局限性。隨著近年來人們對環保的意識越來越重視，地鐵勘察中對建筑物密集區很難實施鉆探作業，微動勘探技術的出現，很好地解決了這方面的問題。微動是利用體波與面波所產生的一種復雜的振動，且主要的能量信號是面波產生的。通過布置拾震器來采集微動信號，并從中提取面波頻散曲線，進行地層劃分和不良地質探測，為工程勘察提供科學與技術的保障。

1 微動勘探的原理

微動勘探也稱天然源面波勘探，其解決地質問題的本質就是利用面波的頻散特征。地球表面無時無刻、任何地方都存在天然的微弱震動，稱之為“微動”［1］。微動是一種復雜振動，由面波和體波組成，其中面波的能量占比重，達70%以上［2］。它的特點是信號頻率低、波長大，其頻率在0.3～5.0 Hz［3］。微動信號主要來源于兩個方面：（1）相對gt;1 Hz高頻信號源，這種信號源是由人類的活動產生的，包括人的行走、機械振動、車輛、船舶的往來等，這類微動信號通常被稱作常時微動；（2）相對lt;1 Hz的低頻信號源，這種信號源源于自然現象，包括風吹草動、浪起浪落、河水流動等，這類微動通常被稱作長波微動。微動信號攜帶有豐富的地球內部信息，其頻譜特性顯示了微動在時間和空間上的信息，可用來研究地下橫波速度結構在空間上的變化［4］，進而研究地層的分布和結構的特點。圖1為微動勘探的工作流程。

1.1 數據采集

首先需要在勘探點位上布設“觀測臺陣”，常見的臺陣有：三角形、一字形、L形、十字形及圓形等。嵌套式等邊三角形臺陣是最常用的臺陣，此臺陣的特點是能接收多個方向轉來的震源，長短距離多，可實現多個不同波長的探測。一字型臺陣適合空間狹小的場所，如過道走廊之類的。一般觀測的臺陣大小是根據所需勘測的深度來決定的，測試的深度與臺陣的最大邊長是3～10倍的關系，也與所測地層的地質條件及拾震器的頻率相關。

1.2 數據處理

圖2為微動數據處理系統的主要功能模塊及處理流程圖。處理流程分為三步：第一步為選擇參數進行數據處理；第二步為面波頻散曲線的提取及反演；第三步為反演頻散曲線進行速度分層計算，形成地質推斷解釋并成圖［2］。

2 微動勘探技術在南寧某地鐵項目的應用

2.1 項目概況

項目位于南寧盆地內，屬侵蝕堆積河谷階地貌。場地內的巖土層主要包括第四系覆蓋層（Q）和古近系地層（E），第四系覆蓋層主要包括填土層、黏性土層、粉土層、砂土層、礫（卵）石層或含礫（卵）石黏性土、含黏性土礫（卵）石；古近系地層（E）包含粉砂質泥巖（堅硬土狀），粉砂質泥巖（半巖半土狀），泥質粉砂巖（密實砂狀），泥質粉砂巖（半巖半土狀）。項目場地內推測有羅村正斷層F23、高棠正斷層F24、陳村正斷層F25，這些斷層均無長期活動性，晚更新世以來不活動，對擬建工程新市區間的影響小。

該項目局部路段穿越密集建筑、墓園、燈具城、舊貨市場、小區及地下管線復雜等鉆探不利條件場地，受場地協調或建筑物、地下障礙物影響等限制，部分設計鉆孔未能施鉆，導致實施鉆孔間距偏大或鉆孔偏移量較大，缺少局部地層信息，從而給工程設計、施工帶來一定的不確定性，存在一定的地質風險。為降低工程施工地質風險，完善沿線地層信息，根據場地條件，對上述無法實施鉆探的區域開展微動探測工作，為詳細勘察中缺失地層信息段提供物探補充成果。

2.2 地球物理條件及方法有效性試驗

本次勘察區表層為第四系覆蓋層（素填土、粉質黏土、粉土、卵石），其下為古近系（E）基巖。在開展物探工作之前，在3個代表性已知鉆孔做了試驗工作，總結出測區在勘察深度范圍內各巖性的地球物理特征，并提出第四系覆蓋層的面波視層波速約為160～360 m/s，基巖的面波視層波速多gt;450 m/s。根據測區巖層面波視層波速的分布情況分析，表層的第四系覆蓋層與其下基巖的面波視層波速差異較明顯，具備開展天然源面波測試的物理前提。

在開展微動探測工作前，分別在已完成鉆孔MFZ3-HL-24、MFZ3-XS-45、MFZ3-FQ-36進行了層位界面劃分有效性試驗，以微動頻散曲線層位判別特征推斷的土巖分層界面對比鉆孔揭露資料。研究結果表明，鉆孔地層分界面與微動探測成果基本吻合，此時所使用的微動探測能夠全面反映出土巖分界深度。同時，為了研究地下巖性地層界面劃分精度，本次巖性地層界面精度評價主要利用相對均方誤差來開展評價。均方相對誤差σ表達式為：

σ=±1N∑Ni（Hi-Hi′）2（1）

式中：N——參與計算的地層巖性界面個數，鉆孔地層界面高程Hi，推測地層界面高程深度為Hi′。

表1為微動探測巖面埋深均方相對誤差統計表，均方相對誤差值在合理范圍，證明該方法是有效的，能滿足勘察要求。圖3為已知鉆孔MFZ3-HL-24處微動探測結果與鉆孔揭露地層對比圖，圖3（a）面波頻散曲線分層明顯，推測的基巖面與鉆探揭露的基本一致。

2.3 微動勘探實施

本項目使用的是WD智能天然源面波數據采集系統［5］，這一系統改變了傳統的方法，在信號數據采集的同時，也可以直觀地顯示面波頻散曲線數據合并生成的變化過程，只需要等頻散曲線收斂趨于穩定后，就可完成該測點的數據采集工作，這個過程一般為10～30 min。本系統具有適應性強、易于操作等優點，能非常快速、準確地判斷軟硬土層的變化，為提供地層的橫波速度和進行地質分層提供了技術保障。

在確保數據質量可靠的前提下，本次采集臺陣根據實際場地條件，靈活使用了“三角型、十字型、一字型”等臺陣方式，接收道數為10道，最大邊長為8～18 m。采樣間隔為5 m/s或者10 m/s，采樣時間根據采用數據得到勘察深度時終止（本次微動勘探要求的勘察深度約為60 m）。見圖4～7。

在數據采集過程中，主要采取以下措施來保證現場采集數據的質量：（1）開工前后分別檢查各拾震器的一致性；（2）在遇到表層為水泥地面時，把檢波器錐子拆掉，用生石膏進行耦合，保證檢波器牢固安裝，與地面耦合好；（3）為了減少人類活動震動對數據采集的干擾，測試范圍盡量減少人員車輛活動，以提高所采集數據的信噪比［5］；（4）為使天然源面波的勘探具有較大的深度，盡量擴大圓圈的直徑，盡可能多采集低頻的地震波；（5）各拾震器均采用RTK精準定位。

2.4 成果分析

結合地質資料，綜合分析面波數據，獲得測區各巖層的分布情況如下：（1）覆蓋層面波波速多為172～395 m/s，其厚度為8.11～14.84 m，包含素填土、粉質黏土、粉砂、圓礫等，頻散曲線多有拐點，頻散點較密集，面波視速度整體上隨深度增大而增大，局部夾低波速層；（2）基巖層即粉砂質泥巖，面波波速多為450～690 m/s，基巖面埋深為8.11～14.8 m，面波頻散曲線極值比較單一，頻散點密度一般，面波視速度隨深度增大而增大。頻散曲線局部出現拐點，斜率發生變化，推測為拐點處存在分界面，上下層巖體波阻抗存在差異。淺部基巖波速相對低，厚度為7.1～16.5 m，推測巖體破碎，其下基巖波速相對高，推測巖體相對完整，局部夾低波速軟弱薄層。橫向上出現局部相對低波速異常，推測為風化強烈，裂隙密集發育，巖體破碎。見圖8和后頁圖9。

2.5 資料可靠性分析

本項目在正式開工前，通過在已知鉆孔進行微動有效性試驗，微動試驗結果與鉆探資料吻合較好。在正式工作過程中，外業數據采集、數據處理解釋嚴格執行相關規范標準，數據質量可靠，頻散曲線收斂性較好，其深度-波速變化特征與相鄰鉆探揭露地層相符合。綜合分析認為，本次微動勘探資料可靠性較高。

3 結語

（1）本文針對南寧某地鐵勘察項目局部路段因受場地約束、環境影響等無法開展鉆探工作，地質資料缺少的問題，采用微動勘探與現有地質資料相結合的方法，取得了較好的勘探效果，對勘探范圍內基巖面埋深、起伏形態及風化程度，裂隙密集發育破碎帶、軟弱夾層等提供了有效判別依據。

（2）單點微動勘探可通過分析頻散曲線疏密、拐點、斜率等特征進行單點垂向分層，其成果類似于單個鉆孔資料；多點聯測形成連續剖面，可推斷解釋連續地質剖面圖。一般應采用剖面探測，特殊情況下可單點探測。

（3）實踐證明，在城市復雜環境下，微動勘探適用性強、經濟有效，除地鐵勘察項目外，可以推廣應用到各類工程勘察項目中。

參考文獻：

［1］李傳金，徐佩芬，凌甦群.微動勘探法圓形陣列臺站數量和分布方式研究［J］.科學技術與工程，2016，16（7）：27-30，46.

［2］劉云禎，梅汝吾，葉 佩，等.WD智能天然源面波數據采集處理系統及其應用試驗［J］.物探與化探，2016，40（5）：1 007-1 010.

［3］賈慧濤，廖圣柱，盛 勇，等.微動勘探技術在城市地質工作中的應用［J］.安徽地質，2020，30（1）：35-38，80.

［4］李洪麗.利用微動方法研究吉林市淺層二維剪切波速度結構［J］.物探化探計算技術，2020，42（5）：563-568.

［5］陳 實，李延清，李同賀，等.天然源面波技術在烏魯木齊城市地質調查中的應用［J］.物探與化探，2019，43（6）：1 389-1 398.