基于SPAC法的微动探测技术在富水砂卵石层地铁工程中的应用.pdf

年 月上第 卷 第 期施工技术（中英文）：基于 法的微动探测技术在富水砂卵石层地铁工程中的应用李伟强，霍曼琳，田新丽，房师涛（兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州；中电建铁路建设投资集团有限公司，北京）摘要 在自稳性差的高富水砂卵石复杂地层中进行地铁盾构施工，施工难度大、工程风险高。为降低施工风险及施工成本，需在盾构施工前获取更全面、更精准的区域地质信息，传统地质勘探方法存在明显不足，难以提供全面精准的地质信息。以成都地铁 号线一期工程土建 标为依托，针对成都富水砂卵石复合地层地质勘探问题，将基于空间自相关法（法）的微动探测技术引入传统地铁盾构施工项目，该技术能最大程度弥补地质信息盲区，进而帮助施工单位减小地铁盾构区间滞后沉降风险，降低盾构区间地勘施工成本。关键词 隧道；地铁；富水砂卵石层；法；微动探测中图分类号 文献标识码 文章编号（），（，；，）：，（），：；作者简介 李伟强，硕士研究生，：收稿日期 引言 随着轨道交通线网的加密，地铁建设区域的情况越来越复杂，施工难度越来越大。以成都地区地铁建设为例，在盾构施工过程中常常会遇到地面密集建筑群、富水砂卵石复合地层、地下管网错综复杂等一系列问题。面对这样的情况，以钻探和传统地球物理手段为主的地勘方法存在明显缺陷和不足，如场地条件限制多，抗干扰能力差，容易出现数据失真、探测准确性不够等。由此带来地质信息盲区，会 导 致 潜 在 的 施 工 安 全 隐 患 及 额 外 经 济损失。微动探测技术作为一种新型技术，微动信号的采集具有抗干扰能力强、易采集、无损害等优点，微动探测方法具有施工形式灵活、施工效率高、无需人工震源等优点，可以提供卓越周期、不同岩性层厚度、地层横波速度等信息，在探测城市地质结构、场地效应评估上能发挥巨大作用，为城市地下空间 施工技术（中英文）第 卷精细探测提供有力手段。微动勘探方法基本理论在 世纪 年代提出，日本地震学家安艺敬一详细推导论述了一种从微动记录中提取面波频散曲线的空间自相关方法（，法）。法的有效性及可靠性逐渐得到了证实。国内关于微动的研究工作是从 年开始的，并较早应用在地热资源勘查和浅部工程物探的研究工作中。冯少孔利用日本的现场数据研究了空间自相关微动方法在土木工程中的应用，通过分析实验数据，论证了将其应用在土木工程领域的可行性。叶太兰将微动方法应用于近地表速度结构研究，利用空间自相关微动技术对北京周边地层进行了探测，得到了 内的 波速度结构。何正勤等在空间自相关微动方法的基础上结合野外实际观测，对采集设备以及数据处理方法进行了研究，提高了微动探测精度，给出了 深度内的 波速度结构。年，李井冈等定量证实了微动观测过程时间不同步对空间自相关法中 曲线的影响，并且确定了一种校正系统时间同步性的方法。这些研究表明基于空间自相关法的微动勘探技术可精确获得横波速度结构，充分满足勘探深度的要求，已在场地探测应用中成为很有价值和吸引力的方法。鉴于此，本文以成都地铁 号线一期工程土建 标为依托，研究微动探测技术在城轨工程中的应用，以期对新型微动探测技术在城市轨道交通建设中的推广和应用起到积极作用。微动无损探测理论 微动的定义 地球表面即便没有发生明显可以感知的地震也始终存在着各种频率的振动，这类振动称为微动（）。一般来说，在非极端情况下微动的振幅都很小，位移幅值通常介于，远低于人们能够感知的幅度。直到 世纪末，检波器的出现使得地震学家可以观察地表细微的运动，微动信号及其随机振动的特点才逐渐引起了地震学者的关注，对其产生机制以及特性有了进一步的认识。微动的产生源自人类日常活动，如汽车行驶、机器运转等，同时还来源于自然因素，如天气变化、大风降雨、气压变动等。人类活动和自然因素所产生的振动随时间变化，因此微动信号同样是时间的函数，并且变化复杂。从成分构成上来看，微动信号中包含有体波和面波成分，其本身在时间和空间上是不规律的、高度变化的。微动信号带有丰富的信息，这些信息与微动信号源、传播机制以及地层结构等有关。微动源由观测场地周围所有振源所构成，存在很强的随机性，但是在一定的时间尺度内，可以认为它是一种平稳随机过程。由于多重反射和折射，微动信号在传播中积累了场地地层原始特征的信息。正是这种不随时间变化的地层固有特性，使得微动信号存在某种统计性规律，因此可以通过采集微动信号来分析观测点下覆地层的结构信息。法 法的基本原理是将复杂的微动视为时间和空间上的平稳随机过程，并利用圆形台阵测量微动数据，通过计算空间自相关系数给出面波相速度与频率的关系，即面波频散曲线。法是考虑一维空间存在一个相速度为 的波（，），假定其在，区间内可以表示为：（，）（）（）（）（）（）其中，初始条件：（，）（）（，）（）（，）（）在时间空间域内求解式（）中波场稳定条件。先考察初始条件中的（，）与（，），假定随机变量 是这些初始值的参数，为平稳随机过程，其傅里叶系数为 可以由白噪声傅里叶系数 表示为：（）（）（）（）这里，（）（）并不是随机变量，而是与空间波谱密度相关的量。由白噪声的随机性质：，（）利用上式有：，（）（），（）（）（）以上均为傅里叶系数之间的统计关系，假定位移和速度的初始分布都是相互独立的，则对于全部 李伟强等：基于 法的微动探测技术在富水砂卵石层地铁工程中的应用 的，：（）由式（）和（）可知，初始位移的对应量为（）（），初始速度对应的量为（）（）。（，）是时间 时刻波的自相关函数，可表示为：（，）（，）（，）（）利用式（），（）可得：（，）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）假设：（）（）（）（）（）（）则（，）变为与时间 无关的量，上式即是使 成为稳定随机过程的条件，将此条件代入式（），得到：（，）（）（）（）（）下面分析空间域的量 （）与（）之间的关系。（）定义如下：（）（）（）（）（）为正弦系数，是波场（，）在点 对于时间 作傅里叶展开得到的。由式（）可知：（）（）（）（）（）（）（）且 （）将式（）带入（），得出：（）（）将式（）代入上式推出：（）（）（）（）上式为一维波场时间与空间波谱之间的关系式，此外还有如下关系式：（）（）（）（）（）（）（）发生频散时，若 取固定值，则 为：（）式（）化为：（）（）（）将上式代入式（）得出：（）（）（）（）（）（）通过中心频率为 的窄带带通滤波器，其波谱为：（）（）（），（）（）为狄拉克函数，则对应的空间自相关函数转化为：（，）（）（）（）由空间自相关系数：（，）（，）（，）将式（）代入上式，则：（，）（）（）上式表明频率为 的波速（）可由空间自相关系数 （，）给出，若求得一系列的波速（），可得到频散曲线。富水砂卵石复杂地层微动数据采集 地质概况 本工程盾构下穿自稳性差的高富水砂卵石泥岩复合地层，该地层上部的砂卵石地层不仅卵石多、分布随机，而且含砂、含水量大，具有高渗水性。下部泥岩层渗透性差、阻水能力强，且横向分布不均，存在多处软弱带。施工技术（中英文）第 卷 数据采集仪器 近地表结构高精度微动勘探对数据采集的精度要求较高，需要检测地表震动的水平和垂直三分量信息。仪器检测频段需包含面波主频（）。为实时监测数据质量并对数据可靠性进行判断，需要仪器具有实时数据传输功能。在城市路面进行数据采集施工时，需要仪器具有便携性，且不对路面造成人为损坏。成都轨道交通 号线工程土建 标世纪城站南、北段，采用 台 便携式微功耗宽频带地震仪进行微动数据采集。内置配有三分量地震传感器、高灵敏度的北斗 模组、电子罗盘、姿态传感器、模块、模块以及可充电锂电池。各测点的数据独立采集，仪器之间的同步和时间校正通过接收 卫星信号自动实现。观测系统设计 根据观测系统设计原则，结合成都轨道交通 号线世纪城站南北段工程参数，根据工程现场的实际情况及工程需求，为保证更高的勘探精度，采用 节点圆形台阵，半径为。当场地条件无法布设 半径且偏移超限时，改用 台阵半径进行。微动数据处理 微动数据标准化）数据格式微动采集的原始数据为 格式，采用 方式压缩对三分量地震数据处理带来不便，不推荐直接采用该格式进行微动数据处理，推荐采用 数据格式。该格式具有三分量数据等点存储、节省存储空间、传输效率高等特点，并且具有较高的跨平台编译性。）时间校正 法要求微动台阵所用的各仪器一致性较高，一般要求各仪器间的相关性在 以上，相位差为（）。按这个标准测算，假设微动信号的最高频率为，则各仪器的时钟同步误差须在 以内，误差时间计算为 （）（）；计算表明，当微动数据采集器间的时钟同步误差为 内，其相位误差不超过，误差距离控制在 内，能够满足 法对台阵仪器一致性的极高要求，利用 时钟校时可实现微动台阵间的高精度时钟同步。）预处理微动原始数据存在不同程度的噪声干扰，在实际数据采集过程中，主要干扰源有公交车、重型卡车、工程施工及交通灯交替导致的周期性车流，靠近这些干扰源的测点信号受到很大干扰。预处理环节需要对原始数据进行一系列处理，提高原始数据的信噪比，主要处理方式为 种：信号平滑、修正趋势偏移、数字滤波。法数据处理 获取空间自相关系数曲线 ）垂直分量数据提取 用 法处理微动数据时，首先将实测记录分成若干个数据段，剔除干扰明显的数据段，将各数据段通过中心频率不同的窄带滤波器，分别提取各个频率成分。）有效时间段截取微动现场数据采集是以连续记录方式进行的，每台仪器记录的信号时长包含了当次测量的所有测点的测试时间，在对每个测点单独处理时，应首先选取该点对应的时段信号，本项目每个测点采集 的信号。）开窗去噪时域信号中常存在瞬态尖峰脉冲，对后续数据处理影响较大，可通过在时域“开窗”的方式对其进行识别和定位，进而将其剔除（见图）。具体的做法是在时间域进行开窗去噪，必须选择合适的时窗宽度，时窗过窄会丢失有用信息，过宽则处理效果不佳。时窗宽度的选择需要根据信号频谱来确定，一般可选择信号主周期的 倍。图 开窗去噪 ）获取空间自相关系数曲线通过上述设置，可运用相应程序模块对空间自相关系数进行计算，最终可得到空间自相关系数曲线（见图）。图 空间自相关系数曲线 李伟强等：基于 法的微动探测技术在富水砂卵石层地铁工程中的应用 频散曲线提取 利用空间自相关系数曲线，依据下式提取频散曲线：（，）（）（）式中：为空间自相关系数的方位平均；为节点间间距；为角频率；为第一类零阶贝塞尔函数；为面波相速度。根据得到的（，）的值，固定频率值，然后迭代（），求得（）（）的最小值，对应的 是频率为 的相速度，重复此过程得出频散曲线（见图）。图 频散曲线提取 速度结构反演 ）频散曲线截取（见图）提取出的频散曲线时常在高频段存在明显的上升趋势，一般出现这种现象的频段，此为高频段对应的台阵各节点空间自相关系数普遍较小导致。高频段信号异常往往反映了地表极浅层空间存在缺陷或地面环境噪声强，而探测目标深度明显大于此深度。为保证反演过程中频散曲线拟合不受该异常段影响，需对其进行剔除。）反演结果（见图，）右线单测点反演结果：成都轨道交通 号线世纪城站北段 测 点，频散曲线整体下降趋势理想，存在细小的锯齿状波动。拟合最小 数值为 ，较好地拟合了频散曲线整体形态。提取得到 波速度剖面，可明显识别出地层中包含软弱的低速层段，地铁盾构区间在 深度区间被探测到，与实际盾构区间深度相差在容许范围内。左线单测 图 测点 频段截取结果 图 测点 反演结果 施工技术（中英文）第 卷图 测点 反演结果 点反演结果：成都轨道交通 号线世纪城站北段测点 频散曲线整体下降趋势明显，锯齿结构少、相对波动较小。全部拟合结果集中，拟合趋势效果好，最小 数值分析为 。提取 波速度剖面，探测到地表约 厚的人工填筑层，地铁盾构区间深度为 ，与实际钻孔标定的地层信息基本一致。岩性标定 ）人工填土本区横波速度 ，埋深较浅的岩层解释为人工填土。与钻孔揭示的第四系全新统人工填筑土（）对应，前期地勘钻孔对该层的揭示厚度为 ，且厚薄不均，普遍分布于场地内，主要成分为黏土、卵石、建筑废渣等，有些含生活垃圾或砖块等建筑垃圾，压实程度横向分布不均匀，在综合地球物理解释成果图中用符号标记。）粉质黏土横波速度 为 的岩层解释为粉质黏土层，与钻孔揭示的第四系全新统冲积、冲洪积层（）对应，成分包含黏土、粉质黏土、粉土等，呈层状分布于人工填土之下，局部地段缺失，前期地勘钻孔对该层的揭示厚度为 ，在综合地球物理解释成果图中用符号 标记。）砂层横波速度 为 的岩性解释为砂层，主要包括细砂、中砂，对应于钻孔揭示的第四系上更新统冰水沉积（），前期地勘钻孔对该层的揭示厚度为 ，在综合地球物理解释成果图中用符号标记。）卵石层横波速度 为 的岩性解释为卵石层，呈层状分布于泥岩之上，与钻孔揭示的第四系上更新统冰水沉积（）卵石土层对应，多由粉细砂充填，卵石粒径，在综合地球物理解释成果图中用符号标记。）泥岩层横波速度 为 的岩性解释为泥岩层，为本次探测深度范围内（）较稳定分布于底部的岩层，对应于钻孔揭示的白垩系上统灌口组（）泥岩，在综合地球物理解释成果图中用符号标记。微动剖面解释 段（见图）图 段微动解释成果 图 中黑色实线为隧道洞身边线。该段盾构掘进通道范围横波速度分布较为复杂，主要反映以下两点。）泥岩层不再是沿隧道平行方向横向均匀分布，里程 ，范围存在低速异常区，可能对应强风化泥岩层。该段岩层稳定性极差，利用微动探测技术确定了该属性岩层分布范围，施工过程中应给予高度重视，防止塌陷、沉降等地质灾害发生。）探测影响范围内存在高速异常体，异常体中轴埋深大约在 左右，其速度明显高于围岩，其横 李伟强等：基于 法的微动探测技术在富水砂卵石层地铁工程中的应用 向连续性较好，厚度为 ，且对成果剖面渐变趋势有一定影响，经过多次技术论证，认为该处响应来自地下 污水管混凝土结构的概率较高，建议施工前做好该管道对施工影响的整体评估工作。另外，图 中（）处位于隧道掘进通道内泥岩层中，横波速度相对围岩较低，可能存在全风化或强风化泥岩，查阅前期的钻孔资料，并未在该处布设地勘钻孔，属于资料空白区，建议盾构机掘进前在该处增加验证性钻孔。段（见图）图 段微动解释成果 ）盾构 区间整体在卵石层、砂层掘进，自上倾斜向下由卵石层、砂层逐渐进入泥岩层。剖面范围内存在高速异常体，中轴埋深约在 处，其速度明显高于围岩，横向连续性较好，厚度为 ，且对成果剖面渐变趋势有一定影响，同样认为是来自地下较大污水管 混凝土结构的响应。但根据施工区域地下管线资料看，左线下方并无外径 的污水管，判断该处响应来自右线 混凝土结构较为合理，同时建议在盾构施工前增加排查左线是否也存在埋深约 左右、厚度约为 的某种高速异常响应结构。）图 中（），（）两处位于隧道洞身范围内卵石层、砂层中，（）位于隧道洞身范围内卵石层、泥岩中，横波速度相对围岩较低，属低速异常区，查阅前期钻孔资料，并未在该处布设地勘钻孔，属于资料空白区，建议盾构机掘进前在该处增加验证性钻孔。工程实际应用 工程需求分析 根据风险评估报告，盾构施工单位对项目安全提出了包括但不限于以下 点需求。）对盾构区间地层进行补充勘察，弥补因前期钻孔间距过大而无法把握地层展布细节特征的工程地质问题。）成都地铁 号线世纪城站南北端头，盾构进出站过程中，均涉及切割废旧大型地下混凝土结构（污水管）作业，需在盾构掘进前探明地下大型混凝土结构的围岩稳定性及对混凝土结构内部空间注浆填实效果。解决方案及效果对比 ）利用微动无缝成像弥补地勘钻孔间距过大问题。通过在设计隧道上方路面布设一定面积的微动观测台阵，用来采集台阵以下一定深度范围内能够反演地层结构的地震面波信息。通过在地面等间距布设多个观测台阵，并使相邻台阵出现重叠部分，如图 所示，能够完整反演出台阵下方连续的地层横波速度结构，从而达到探明地层结构的目的，并具有无缝成像效果，从而补充地勘钻孔之间的地质信息盲区。图 微动数据无缝探测方案 ）掘进前查清混凝土结构位置、围岩、注浆封堵效果，掘进通过后查清混凝土结构及围岩稳定性。为研究地质雷达和微动探测技术对地下混凝土结构的响应特征，建立了地层结构中包含混凝土结构的地质模型，通过正演模拟可知，地质雷达在上方无金属管线或金属结构的屏蔽作用下，能够探测到来自地下混凝土结构顶部的响应，但无法探测到混凝土结构底部的响应，不能获得混凝土结构的整体形态特征。而利用微动探测技术，能够较为准确地探明混凝土结构的埋深、大小及形态特征。在实际应用中，微动探测技术探明了混凝土结构位置、大小及形态，同时探明了混凝土结构围岩情况及混凝土结构内部注浆填实效果，而地质雷达扫描对此基本无响应，如图 所示。根据微动探测结果，盾构施工方制定并实施相应的盾构切割混凝土结构（污水管）掘进施工方案及掘进后的监测方案，在此过程中，通过微动探测技术发现了几处注浆不实情况，盾构施工方在盾构前根据方案进行了二次注浆填实处理，最终顺利完成了在盾构掘进过程中大型污水管的安全切割作业。施工技术（中英文）第 卷图 地下大型混凝土结构探测效果对比 结语 依托成都地铁 号线一期工程土建 标，在结合工程具体情况和国内外研究现状的基础上，采用了高精度微动数据采集方式、高分辨率数据处理及 反演算法，进行了地铁盾构区间微动勘测新技术研究，得出以下主要结论。）微动探测技术应用于城市地铁盾构施工，能够获得测区内的高精度横波（波）速度剖面，所得剖面地质信息丰富、细节揭示清楚，能够反映测区范围内复杂的地质情况，指导地铁盾构施工，降低不良地质体对工程的影响。）微动探测技术具有施工形式灵活、施工效率高、无需人工震源、抗干扰能力强的特点，在复杂地层的空洞、软弱带、软硬交界面勘察方面，具有较高勘察准确性和良好的适应性。）微动探测技术对地下建（构）筑物结构体响应灵敏，能够定位地下大型混凝土结构，评估地下大型混凝土结构管线在盾构前的注浆填实效果，避免盾构切割中大型管线过程中发生因填充不实导致的局部管空腔塌陷。参考文献：张新 基于随机源模型的新型微动探测技术在上软下硬地层盾构隧道中的应用研究 现代隧道技术，（）：，（）：田宝卿，丁志峰 微动探测方法研究进展与展望 地球物理学进展，（）：，（）：，：徐佩芬，李世豪，凌甦群，等 利用 法估算地壳 波速度结构 地球物理学报，（）：，（）：，（）：，（）：，：张碧星，鲁来玉 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