公路隧道工程风化层勘察中微动勘探技术的应用.pdf

107交通科技与管理工程技术0引言公路隧道工程中浅层岩土体勘察是保证隧道掘进施工安全的前提。浅层岩土体中的风化层胶结性和完整性差，岩质软弱，缺乏必要的岩土体稳定性能，同时也面临严重的安全隐患。如果不注重掘进施工支护或是所确定出的支护方案及措施缺乏合理性，必然造成围岩大面积失稳坍塌、突泥、冒顶。当前，通常采用物探和钻探结合工艺展开风化层探测，单一物探技术必然存在局限，很难取得理想的探测效果；常规探测方法同时受到勘探深度局限，无法大尺度展开。微动探测技术近年来在河道治理、溶洞探测、采空区识别、地下孤石探明等方面得到较为成功的应用，但在地层界线探测中仍处于尝试阶段。微动勘探技术隶属于地震理论，施测原理和过程与瞬态面波技术较为接近。瞬态面波在波阻抗存在且地球物理勘探条件具备的砂泥岩地层风化层中已经得到成功应用，可为微动探勘技术应用提供借鉴。也就是说，在地层界线勘探中应用微动勘探技术具有理论上的可行性。基于此，该文依托公路隧道工程实际，对微动勘探技术在隧址区软弱岩土层界线探测中的应用展开分析探讨，为公路隧道工程微动勘探积累实践经验。1微动勘探技术原理1.1探测原理地震引发的噪声及地层脉动均属于微动，微动勘探技术通常对面波和体波组合而成的复杂振动展开探测1-4。在地层结构内部原因及人类活动等外界因素的综合影响下，地层结构中必然面临振频在 020 Hz 的系统性振动，通过监测此种类型的微动，必然可以间接掌握相应区域地下岩土体的地球物理特征。1.2绘制相速度频散曲线借助统计学原理及傅里叶变换将所获取到的初始微动信号重新输入频率域，这一流程内，探测中心点位与圆周任意点之间用此种思路推求到空间自相关系数相对应的频率域按照以下公式5-8表示：(,r)()()()()()()()*0012,AASrSfrrRealdJc fSrSrSS=，()()()()()()()()*200*000,122,AAASrSfrrRealdJc fSrSrSS=，（1）式 中，(,r)空 间 自 相 关 系 数 频 率 域；SA(r,)微动信号台阵采集中心点傅里叶变换函数值；S0()微动信号圆周任一点傅里叶变换函数值；S*A(r,)微动信号台阵采集中心点共轭复数；S*0()微动信号圆周任一点共轭复数；J0 零阶贝塞尔函数；c(f)地震引发噪声及地层脉动等微动方面面波对应的相速度（m/s）；f 地层结构中因各种原因引发的微动频率（Hz）；r 微动勘探台阵设计半径（m）。根据以上思路来看，依托贝塞尔函数全面展开对地层结构中微动振频的计算以推求不同频率相速度，并据此应用相关数据结果绘制微动信号频散曲线；在此基础上对相关资料信息进行反演处理，同时借助波阻抗理论值和实测值之差计算横波实际传播速度。1.3微动提取 H/V 谱具体而言，在微动勘探过程实施时，主要借助三分量拾振器对所可能涉及的微动信号展开实地量测与采集，相应得出分量垂直值与水平值相应频谱的取值比；采用适用的统计学分析技术展开参数反演；为避免迭代发散，收稿日期：2023-10-22作者简介：李文彪（1975）,男,工学硕士,高级工程师,注册土木工程师（岩土）,从事公路、水运工程的岩土勘察设计等工作。公路隧道工程风化层勘察中微动勘探技术的应用李文彪（江西省赣南公路勘察设计院有限公司,江西 赣州 341000）摘要为探索微动勘探技术在隧道工程风化层勘察中的可行性，文章在分析微动勘探技术原理及野外工作方法的基础上，以某岩土体表现出明显风化特征的公路隧道工程为例，对实施微动探测的基本条件进行分析，进而对测线布置、探测仪器选用、台阵布置及探测步骤展开分析探讨；对微动勘探结果、钻孔取芯结果及工程地质勘察资料等进行比较。结果表明，公路隧道隧址区风化层微动勘探结果、钻孔验证结果与地勘资料完全吻合；微动勘探无损检测施测过程简便，数据采集及处理快速，测值精度高，对于公路隧道工程地质勘测十分适用。关键词隧道；风化层；地质勘察；微动勘探中图分类号P631文献标识码A文章编号2096-8949（2023）23-0107-042023 年第 4 卷第 23 期108交通科技与管理工程技术还应在反演过程中采用最大似然估计3。水平层状介质的微动面波 H/V 谱定义如下：()()()()()/NSEWmUDPPH VP+=（2）式中，(H/V)m()频率为 的微动面波 H/V 谱；PNS()、PEW()处于正交状态的水平运动傅里叶功率谱；PUD()处于正交状态的垂直运动傅里叶功率谱。频率为 的傅里叶功率谱按下式确定：()()211LXllPSL=（3）式 中，P()频 率 为 的 傅 里 叶 功 率 谱；L 并不具备重叠属性特征的资料段落对应的数量；SXl()运动方向主要以 X 向为主的第 l 个资料段展开微动处理时所对应的傅里叶函数。1.4野外施测过程结合此前对探测技术原理的分析，探测目的是影响微动勘探过程、方法及结果的主要方面，从操作层面看，可以展开单点观测，也可以直接进行剖面观测，施测原理、工作思路均大同小异。在展开具体的施测和勘察时，单点观测这种技术和方法更具有普遍适用性，也有利于将取得到的观测资料串连为剖面数据。微动单点勘探在具体操作和展开时观测台阵布置形式如图 1 所示。其中，按照施测目的和便于展开方面的要求，顺时针布置 6 台仪器，分别为 S1（在圆心处）、S2、S3、S4、S5、S6，其余均布置在圆周；圆心与周围之间的距离按照 1.53 m控制。图 1单点勘探野外观测台阵在具体实施微动勘探操作期间，不同仪器之间数据的采集、收集、传输和处理均必须保持高度一致。单点观测工作方法下单次观测时长应控制在 1220 min 以内。2工程概况某公路隧道设计长度为 7.9 km，隧址区地下主要的地层为残坡积层粉质黏土，考虑此类由黏土为主、历经较长时间所形成的半成岩材质软弱，胶结性不良，同时具有较大孔隙比，遇水后快速失稳，此种情况下遭到开挖、振动等扰动后会相应表现出崩溃、突泥、破碎等结果，对隧道施工安全及稳定极为不利。为此，必须结合地勘技术，全面查明隧址区地质条件及岩土体分化层分布，为隧道开挖提供可靠依据。应用物探方法展开隧址区地质界面探测时要求一定的物性差异存在。风化程度越高的岩土体破碎度及节理裂隙发育程度均越高，波阻抗差异也比微风化、中风化岩土体大。按照这一思路并结合前期勘察成果，得出该公路隧道隧址场区内岩土体介质物性取值情况，具体见表 1。从这种实地勘测结果得到，对相应待考察和探测的场地，岩土风化层和土石两个明显分层间波阻抗值表现出十分悬殊的不同，物性迥然且明显可分辨，十分适用于展开微动探测。表 1隧址场区内岩土体介质物性岩土层类型电阻率/(m)横波波速/(m/s)纵波波速/(m/s)黏土101001003008001 500砂岩2003 0005002 5001 2004 500花岗岩6008 0001 0003 6004 0006 600结合工程实际，采用前述提出的设置圆形台阵以展开隧道风化岩土体微动探测的思路进行测试操作并收集数据，同时应用统计学方法和空间自相关提取频散数据，最后综合以上结果对速度参数展开反推9-10。3施测过程及结果3.1测线布置及观测仪器在展开公路隧道风化层勘察前，沿隧道左幅桩号 ZK19+100ZK19+760 轴线布设 1 条纵向测线，标为-线；在左幅桩号 ZK19+670 处布设 1 条与纵向测线垂直的横测线，标为-；在左幅桩号ZK19+395 右侧和 ZK19+665 右侧布设 2 处验证孔，对测试结果进行验证。此次勘察主要采用中国地震局地球物理勘探中心提供的微动观测仪，微动信号观测、数据采集主要采用CMG-3ESPC 型宽频带地震计和 REFTEK 72-08A 型数据采集记录器。其中，地震计采用速度型三分量记录方式，频带 3050 Hz，使用 48 mA 电源，灵敏度达到 21 000 V/(m/s)；动态范围在 145 dB 以上。数据采集记录器采样频率为 1 Hz、5 Hz、10 Hz、20 Hz、25 Hz、40 Hz、100 Hz、125 Hz、200 Hz、250 Hz、500 Hz、1 000 Hz；A/D 转换为 24 位，采用 GPS 自动时间校正；可记录通道为 3 道或 6 道。单套微动观测仪包括地震计、GPS时钟、信号采集器、直流电池、电缆等设备及部件，构成情况见图 2。3.2台阵布置考虑具体布设方法中三重圆的抗干扰能力比其余方式均优异，其各个台站也主要布设在不同的方向和位置，故所对应的施测范围中必定相关性良好。因此，该公路隧道风化层微动勘察中采用三重圆形测试台阵，微动测量深度可以达到 35R（R 为观测半径）。台阵布置情况见图 3，图中数字表示台站。该微动台阵主要包括 10 个测试频率为 2 Hz 的检波器，台阵观测半径主要有 R1=12.5 m，R2=20 m，R3=50 m三个相应的情境，其中，R1为2、109交通科技与管理工程技术3、4 台站所处圆圈的内径，R2为 5、7、9 台站所处圆圈的内径，R3为 6、8、10 台站所处圆圈的内径。图 2单套微动观测仪的构成情况图 3施测过程中台阵的布置3.3探测步骤安排人工使用合理工具将施测设备放置点所在区域及周围干扰信号收发的杂草和高大树枝全部清除，粗平和碾压设备放置区域的地面土体；此后，按照施测方案和仪器布设说明展开布置；结合现场环境和施测要求进行设备连接情况检查，调检相关性能，确保各项仪器能够展开同步、精确、高效地数据采集。在以上施测过程全部结束后，必须将所获取的各类初始数据进行粗筛、预处理，结合微动勘测技术原理和工程要求，推算功率谱，同时大致估计频散曲线走势及形状，展开地质结果的反演，从而为得到精确勘探结果提供保证。3.4微动勘探数据处理为保证各类有用信息均得到充分利用，在探测数据处理期间更注重属性参数处理，据此提升结果的解释精度。首先，展开探测数据解释和编译，也就是根据所获取的总信号信息，筛选并初步提取各相应点对应的系列信号束；在依据测试原理构建观测系统的过程中，应当根据数据容量将测试信号切分成相应区段，剔除其中干扰强、噪声大的数据。采用统计学技术提取自相关系数曲线以及测试结果面波相速度频散曲线；传统思路所依托的面波探测在数据转换过程中更倾向于借助半波长实现频率相关参数属性和取值向深度参数属性和取值的转变。根据以上处理过程结束后所取得的频率 深度模型展开频散曲线频率参数以及深度参数的数值转换11-13，有效提升勘测数据对工程实际地质条件的解释力度。最后，根据所绘制出的测点曲线和等值线图件，结合地质钻探、测绘等结果，展开待测剖面综合解释分析，以得出合理可靠的隧址区岩土体地质条件解释结果。3.5勘探结果分析3.5.1微动勘探结果结合反演结果中波速取值，将该公路隧道隧址区岩土层由上至下分成覆盖层（波速在 250500 m/s 之间）、强风化半成岩层（波速在 500750 m/s 之间）、中风化半成岩层（波速 750 m/s）。根据探测结果，该隧道左幅桩号 ZK19+100ZK19+760 段横波速度具有较好的成层性，岩性界面也存在明显的波动与起伏，根据勘测结果解译分成 4 个速度层；左幅桩号 ZK19+665 左侧 100 m桩号 ZK19+665 右侧 100 m 段横波波速也具有良好成层性，岩性界面起伏特征明显，解译分成 4 个速度层，见表 2。根据表中结果，微动勘探地层结果与工程地质资料基本吻合。3.5.2钻孔验证在该隧道隧址区风化层微动勘探的同时，设置两个钻孔 BZK1 和 BZK2 展开微动勘探结果验证。钻孔探测结果与微动勘探结果、工程地质勘查资料均吻合，说明微动勘探技术对于地质界面探测十分适用，测值分辨率及可靠性均有保证。4结论工程应用结果表明，微动勘探技术应用于公路隧道工程隧址区风化层岩土体勘察中，取得了较为理想的勘测结果，有效克服了地球物理勘探等技术施测过程复杂、表 2微动勘察横、纵测线探测结果探测情形速度层层厚/m测速范围/(m/s)速度均值/(m/s)岩性特征横线探测第 1 层3036250500385全风化粉质黏土第 2 层100125500800650破碎、极软、强含水砂岩半成岩第 3 层20388001 000850硬质、完整砂岩第 4 层2465 1 000硬质、完整花岗岩纵线探测第 1 层1040250500385全风化粉质黏土第 2 层16115500800650破碎、极软砂岩半成岩第 3 层301508001 000850硬质、完整砂岩第 4 层2465 1 000硬质、完整花岗岩110交通科技与管理工程技术对技术人员要求高等劣势。此类地质情况及分布结构勘探技术所涉及参数多，相应的参数关系梳理及数据处理能力较优，同时可以展开岩土地层结构的合理划分，较好保证勘测结果的取值精确程度。该隧道隧址处岩土体测区横波速度分层特性明显，有利于地质界面及基岩风化分界面准确划分，足以表明该文所采用的勘探技术具有其余探测技术所不具备的施测深度大、对具体地层模糊地质界面能进行精准探测、能准确清晰辨认出具体岩土层分布形态和起伏形态等优势，能够取得事半功倍的效果，提升勘探测值精度。参考文献1 田宝卿,丁志峰.微动探测方法研究进展与展望 J.地球物理学进展,2021(3):1306-1316.2 刘志清,赵振国,李添才,等.山区公路微动探测方法应用试验研究 J.地球物理学进展,2023(2):823-831.3 王成龙,杨雪娟.微动探测技术在城市道路隐伏岩溶勘察中的应用 J.当代化工研究,2023(18):101-103.4 蒋向军.微动与高密度电法在城市岩溶地质勘察中的应用 J.铁道建筑技术,2023(2):195-199.5 何育才.地质雷达和微动探测技术在地铁隧道区间孤石探测中的联合运用研究 J.低碳世界,2022(12):130-132.6 冯坤伟,梁培峰.微动勘探技术在隧道深厚风化层勘察中的应用 J.公路交通技术,2021(2):95-100.7 王博生,黄勇博.工程物探技术在高速公路工程勘查中的应用研究 J.工程技术研究,2019(7):76-77.8 郭利君.微动勘探技术在岩土工程勘察中的应用 J.中国金属通报,2020(5):172-173.9 殷勇,吴明和.微动勘探技术在建筑岩土工程勘察中应用研究 J.福建建筑,2018(10):63-68.10 耿淑莹.微动勘探技术在城市地质及地热勘察中的应用 J.勘察科学技术,2022(5):47-51.11 贾玉馥,韩卫平.论公路隧道工程的地质勘探技术 J.中国建设信息,2010(15):88-89.12 高芳芳.复杂地质条件下公路隧道工程地质勘探技术分析 J.四川水泥,2020(6):30.13 李明.微动法在隧道工程勘察项目中的应用 J.河南科技,2021(35):86-88.（上接第 106 页）表 7竖向温度分布状态宽度/m上表面温度/中间层温度/下表面温度/114115714321441591463145163147414316214651431601476146164149714716315081451611489145158148101421561443结语该文分析了红外热像仪在沥青复合料施工温度测量和相关技术研究。（1）介绍了红外热像仪最佳拍摄测量距离分析成果，建议红外热像仪的拍摄距离以控制在 0.51 m 之间。（2）介绍了案例工程应用红外热像仪进行沥青复合料施工温度检测的做法及相关分析成果，包括应用红外热像仪分析沥青复合料出站和进场温度分布状态、分析沥青复合料温度在摊铺机上的分布状态、分析沥青复合料摊铺时的温度分布状态。（3）工程案例中分析发现，料车斗中间部位混合料温度最高，以“V”形分布；碾压环节开始之后，复合料的温度变化在摊铺后 23 min 处于最低，在临近结束 34 min处于最高；温度横向变化以“V”形存在，路幅中间相对较高，路肩部位温度较低；竖向温度测量中，表面与底面温度最低，中间部位温度最高。（4）红外热像仪在沥青路面施工中沥青离析温度控制测量上也适用，因篇幅原因未述及，有待另文介绍。参考文献1 陆红红.基于 PXA270 的红外热成像测温系统 D.南京：南京理工大学,2008.2 乐启清.红外热成像检测技术在沥青混合料制备过程中应用研究 D.西安：长安大学,2015.3 李云红.基于红外热像仪的温度测量技术及其应用研究 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.4 张永健,张川.红外热成像法在路面检测中的应用 J.建材世界,2013(5):53-55.