摘要 為探索微動勘探技術(shù)在隧道工程風(fēng)化層勘察中的可行性，文章在分析微動勘探技術(shù)原理及野外工作方法的基礎(chǔ)上，以某巖土體表現(xiàn)出明顯風(fēng)化特征的公路隧道工程為例，對實施微動探測的基本條件進(jìn)行分析，進(jìn)而對測線布置、探測儀器選用、臺陣布置及探測步驟展開分析探討；對微動勘探結(jié)果、鉆孔取芯結(jié)果及工程地質(zhì)勘察資料等進(jìn)行比較。結(jié)果表明，公路隧道隧址區(qū)風(fēng)化層微動勘探結(jié)果、鉆孔驗證結(jié)果與地勘資料完全吻合；微動勘探無損檢測施測過程簡便，數(shù)據(jù)采集及處理快速，測值精度高，對于公路隧道工程地質(zhì)勘測十分適用。

關(guān)鍵詞 隧道；風(fēng)化層；地質(zhì)勘察；微動勘探

中圖分類號 P631文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0107-04

0 引言

公路隧道工程中淺層巖土體勘察是保證隧道掘進(jìn)施工安全的前提。淺層巖土體中的風(fēng)化層膠結(jié)性和完整性差，巖質(zhì)軟弱，缺乏必要的巖土體穩(wěn)定性能，同時也面臨嚴(yán)重的安全隱患。如果不注重掘進(jìn)施工支護(hù)或是所確定出的支護(hù)方案及措施缺乏合理性，必然造成圍巖大面積失穩(wěn)坍塌、突泥、冒頂。當(dāng)前，通常采用物探和鉆探結(jié)合工藝展開風(fēng)化層探測，單一物探技術(shù)必然存在局限，很難取得理想的探測效果；常規(guī)探測方法同時受到勘探深度局限，無法大尺度展開。

微動探測技術(shù)近年來在河道治理、溶洞探測、采空區(qū)識別、地下孤石探明等方面得到較為成功的應(yīng)用，但在地層界線探測中仍處于嘗試階段。微動勘探技術(shù)隸屬于地震理論，施測原理和過程與瞬態(tài)面波技術(shù)較為接近。瞬態(tài)面波在波阻抗存在且地球物理勘探條件具備的砂泥巖地層風(fēng)化層中已經(jīng)得到成功應(yīng)用，可為微動探勘技術(shù)應(yīng)用提供借鑒。也就是說，在地層界線勘探中應(yīng)用微動勘探技術(shù)具有理論上的可行性。

基于此，該文依托公路隧道工程實際，對微動勘探技術(shù)在隧址區(qū)軟弱巖土層界線探測中的應(yīng)用展開分析探討，為公路隧道工程微動勘探積累實踐經(jīng)驗。

1 微動勘探技術(shù)原理

1.1 探測原理

地震引發(fā)的噪聲及地層脈動均屬于微動，微動勘探技術(shù)通常對面波和體波組合而成的復(fù)雜振動展開探測^[1-4]。在地層結(jié)構(gòu)內(nèi)部原因及人類活動等外界因素的綜合影響下，地層結(jié)構(gòu)中必然面臨振頻在0～20 Hz的系統(tǒng)性振動，通過監(jiān)測此種類型的微動，必然可以間接掌握相應(yīng)區(qū)域地下巖土體的地球物理特征。

1.2 繪制相速度頻散曲線

借助統(tǒng)計學(xué)原理及傅里葉變換將所獲取到的初始微動信號重新輸入頻率域，這一流程內(nèi)，探測中心點(diǎn)位與圓周任意點(diǎn)之間用此種思路推求到空間自相關(guān)系數(shù)相對應(yīng)的頻率域按照以下公式^[5-8]表示：

式中，ρ（ω，r）——空間自相關(guān)系數(shù)頻率域；S_A（r，ω）——微動信號臺陣采集中心點(diǎn)傅里葉變換函數(shù)值；S₀（ω）——微動信號圓周任一點(diǎn)傅里葉變換函數(shù)值；S^*_A（r，ω）——微動信號臺陣采集中心點(diǎn)共軛復(fù)數(shù)；S^*₀（ω）——微動信號圓周任一點(diǎn)共軛復(fù)數(shù)；J₀——零階貝塞爾函數(shù)；c（ f ）——地震引發(fā)噪聲及地層脈動等微動方面面波對應(yīng)的相速度（m/s）；f——地層結(jié)構(gòu)中因各種原因引發(fā)的微動頻率（Hz）；r——微動勘探臺陣設(shè)計半徑（m）。

根據(jù)以上思路來看，依托貝塞爾函數(shù)全面展開對地層結(jié)構(gòu)中微動振頻的計算以推求不同頻率相速度，并據(jù)此應(yīng)用相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果繪制微動信號頻散曲線；在此基礎(chǔ)上對相關(guān)資料信息進(jìn)行反演處理，同時借助波阻抗理論值和實測值之差計算橫波實際傳播速度。

1.3 微動提取H/V譜

具體而言，在微動勘探過程實施時，主要借助三分量拾振器對所可能涉及的微動信號展開實地量測與采集，相應(yīng)得出分量垂直值與水平值相應(yīng)頻譜的取值比；采用適用的統(tǒng)計學(xué)分析技術(shù)展開參數(shù)反演；為避免迭代發(fā)散，還應(yīng)在反演過程中采用最大似然估計^[3]。水平層狀介質(zhì)的微動面波H/V譜定義如下：

式中，（H/V）_m（ω）——頻率為ω的微動面波H/V譜；P_NS（ω）、P_EW（ω）——處于正交狀態(tài)的水平運(yùn)動傅里葉功率譜；P_UD（ω）——處于正交狀態(tài)的垂直運(yùn)動傅里葉功率譜。

頻率為ω的傅里葉功率譜按下式確定：

式中，P（ω）——頻率為ω的傅里葉功率譜；L——并不具備重疊屬性特征的資料段落對應(yīng)的數(shù)量；S_Xl（ω）——運(yùn)動方向主要以X向為主的第l個資料段展開微動處理時所對應(yīng)的傅里葉函數(shù)。

1.4 野外施測過程

結(jié)合此前對探測技術(shù)原理的分析，探測目的是影響微動勘探過程、方法及結(jié)果的主要方面，從操作層面看，可以展開單點(diǎn)觀測，也可以直接進(jìn)行剖面觀測，施測原理、工作思路均大同小異。在展開具體的施測和勘察時，單點(diǎn)觀測這種技術(shù)和方法更具有普遍適用性，也有利于將取得到的觀測資料串連為剖面數(shù)據(jù)。微動單點(diǎn)勘探在具體操作和展開時觀測臺陣布置形式如圖1所示。其中，按照施測目的和便于展開方面的要求，順時針布置6臺儀器，分別為S1（在圓心處）、S2、S3、S4、S5、S6，其余均布置在圓周；圓心與周圍之間的距離按照1.5～3 m控制。

在具體實施微動勘探操作期間，不同儀器之間數(shù)據(jù)的采集、收集、傳輸和處理均必須保持高度一致。單點(diǎn)觀測工作方法下單次觀測時長應(yīng)控制在12～20 min以內(nèi)。

2 工程概況

某公路隧道設(shè)計長度為7.9 km，隧址區(qū)地下主要的地層為殘坡積層粉質(zhì)黏土，考慮此類由黏土為主、歷經(jīng)較長時間所形成的半成巖材質(zhì)軟弱，膠結(jié)性不良，同時具有較大孔隙比，遇水后快速失穩(wěn)，此種情況下遭到開挖、振動等擾動后會相應(yīng)表現(xiàn)出崩潰、突泥、破碎等結(jié)果，對隧道施工安全及穩(wěn)定極為不利。為此，必須結(jié)合地勘技術(shù)，全面查明隧址區(qū)地質(zhì)條件及巖土體分化層分布，為隧道開挖提供可靠依據(jù)。

應(yīng)用物探方法展開隧址區(qū)地質(zhì)界面探測時要求一定的物性差異存在。風(fēng)化程度越高的巖土體破碎度及節(jié)理裂隙發(fā)育程度均越高，波阻抗差異也比微風(fēng)化、中風(fēng)化巖土體大。按照這一思路并結(jié)合前期勘察成果，得出該公路隧道隧址場區(qū)內(nèi)巖土體介質(zhì)物性取值情況，具體見表1。從這種實地勘測結(jié)果得到，對相應(yīng)待考察和探測的場地，巖土風(fēng)化層和土石兩個明顯分層間波阻抗值表現(xiàn)出十分懸殊的不同，物性迥然且明顯可分辨，十分適用于展開微動探測。

結(jié)合工程實際，采用前述提出的設(shè)置圓形臺陣以展開隧道風(fēng)化巖土體微動探測的思路進(jìn)行測試操作并收集數(shù)據(jù)，同時應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)方法和空間自相關(guān)提取頻散數(shù)據(jù)，最后綜合以上結(jié)果對速度參數(shù)展開反推^[9-10]。

3 施測過程及結(jié)果

3.1 測線布置及觀測儀器

在展開公路隧道風(fēng)化層勘察前，沿隧道左幅樁號ZK19+100～ZK19+760軸線布設(shè)1條縱向測線，標(biāo)為Ⅰ-Ⅰ線；在左幅樁號ZK19+670處布設(shè)1條與縱向測線垂直的橫測線，標(biāo)為Ⅱ-Ⅱ；在左幅樁號ZK19+395右側(cè)和ZK19+665右側(cè)布設(shè)2處驗證孔，對測試結(jié)果進(jìn)行驗證。

此次勘察主要采用中國地震局地球物理勘探中心提供的微動觀測儀，微動信號觀測、數(shù)據(jù)采集主要采用CMG-3ESPC型寬頻帶地震計和REFTEK 72-08A型數(shù)據(jù)采集記錄器。其中，地震計采用速度型三分量記錄方式，頻帶30～50 Hz，使用48 mA電源，靈敏度達(dá)到2×1 000 V/（m/s）；動態(tài)范圍在145 dB以上。數(shù)據(jù)采集記錄器采樣頻率為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轉(zhuǎn)換為24位，采用GPS自動時間校正；可記錄通道為3道或6道。

單套微動觀測儀包括地震計、GPS時鐘、信號采集器、直流電池、電纜等設(shè)備及部件，構(gòu)成情況見圖2。

3.2 臺陣布置

考慮具體布設(shè)方法中三重圓的抗干擾能力比其余方式均優(yōu)異，其各個臺站也主要布設(shè)在不同的方向和位置，故所對應(yīng)的施測范圍中必定相關(guān)性良好。因此，該公路隧道風(fēng)化層微動勘察中采用三重圓形測試臺陣，微動測量深度可以達(dá)到3～5R（R為觀測半徑）。臺陣布置情況見圖3，圖中數(shù)字表示臺站。該微動臺陣主要包括10個測試頻率為2 Hz的檢波器，臺陣觀測半徑主要有R₁=12.5 m，R₂=20 m，R₃=50 m三個相應(yīng)的情境，其中，R₁為2、3、4臺站所處圓圈的內(nèi)徑，R₂為5、7、9臺站所處圓圈的內(nèi)徑，R₃為6、8、10臺站所處圓圈的內(nèi)徑。

3.3 探測步驟

安排人工使用合理工具將施測設(shè)備放置點(diǎn)所在區(qū)域及周圍干擾信號收發(fā)的雜草和高大樹枝全部清除，粗平和碾壓設(shè)備放置區(qū)域的地面土體；此后，按照施測方案和儀器布設(shè)說明展開布置；結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境和施測要求進(jìn)行設(shè)備連接情況檢查，調(diào)檢相關(guān)性能，確保各項儀器能夠展開同步、精確、高效地數(shù)據(jù)采集。在以上施測過程全部結(jié)束后，必須將所獲取的各類初始數(shù)據(jù)進(jìn)行粗篩、預(yù)處理，結(jié)合微動勘測技術(shù)原理和工程要求，推算功率譜，同時大致估計頻散曲線走勢及形狀，展開地質(zhì)結(jié)果的反演，從而為得到精確勘探結(jié)果提供保證。

3.4 微動勘探數(shù)據(jù)處理

為保證各類有用信息均得到充分利用，在探測數(shù)據(jù)處理期間更注重屬性參數(shù)處理，據(jù)此提升結(jié)果的解釋精度。

首先，展開探測數(shù)據(jù)解釋和編譯，也就是根據(jù)所獲取的總信號信息，篩選并初步提取各相應(yīng)點(diǎn)對應(yīng)的系列信號束；在依據(jù)測試原理構(gòu)建觀測系統(tǒng)的過程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)數(shù)據(jù)容量將測試信號切分成相應(yīng)區(qū)段，剔除其中干擾強(qiáng)、噪聲大的數(shù)據(jù)。采用統(tǒng)計學(xué)技術(shù)提取自相關(guān)系數(shù)曲線以及測試結(jié)果面波相速度頻散曲線；傳統(tǒng)思路所依托的面波探測在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中更傾向于借助半波長實現(xiàn)頻率相關(guān)參數(shù)屬性和取值向深度參數(shù)屬性和取值的轉(zhuǎn)變。根據(jù)以上處理過程結(jié)束后所取得的頻率—深度模型展開頻散曲線頻率參數(shù)以及深度參數(shù)的數(shù)值轉(zhuǎn)換^[11-13]，有效提升勘測數(shù)據(jù)對工程實際地質(zhì)條件的解釋力度。最后，根據(jù)所繪制出的測點(diǎn)曲線和等值線圖件，結(jié)合地質(zhì)鉆探、測繪等結(jié)果，展開待測剖面綜合解釋分析，以得出合理可靠的隧址區(qū)巖土體地質(zhì)條件解釋結(jié)果。

3.5 勘探結(jié)果分析

3.5.1 微動勘探結(jié)果

結(jié)合反演結(jié)果中波速取值，將該公路隧道隧址區(qū)巖土層由上至下分成覆蓋層（波速在250～500 m/s之間）、強(qiáng)風(fēng)化半成巖層（波速在500～750 m/s之間）、中風(fēng)化半成巖層（波速≥750 m/s）。根據(jù)探測結(jié)果，該隧道左幅樁號ZK19+100～ZK19+760段橫波速度具有較好的成層性，巖性界面也存在明顯的波動與起伏，根據(jù)勘測結(jié)果解譯分成4個速度層；左幅樁號ZK19+665左側(cè)100 m～樁號ZK19+665右側(cè)100 m段橫波波速也具有良好成層性，巖性界面起伏特征明顯，解譯分成4個速度層，見表2。根據(jù)表中結(jié)果，微動勘探地層結(jié)果與工程地質(zhì)資料基本吻合。

3.5.2 鉆孔驗證

在該隧道隧址區(qū)風(fēng)化層微動勘探的同時，設(shè)置兩個鉆孔BZK1和BZK2展開微動勘探結(jié)果驗證。鉆孔探測結(jié)果與微動勘探結(jié)果、工程地質(zhì)勘查資料均吻合，說明微動勘探技術(shù)對于地質(zhì)界面探測十分適用，測值分辨率及可靠性均有保證。

4 結(jié)論

工程應(yīng)用結(jié)果表明，微動勘探技術(shù)應(yīng)用于公路隧道工程隧址區(qū)風(fēng)化層巖土體勘察中，取得了較為理想的勘測結(jié)果，有效克服了地球物理勘探等技術(shù)施測過程復(fù)雜、對技術(shù)人員要求高等劣勢。此類地質(zhì)情況及分布結(jié)構(gòu)勘探技術(shù)所涉及參數(shù)多，相應(yīng)的參數(shù)關(guān)系梳理及數(shù)據(jù)處理能力較優(yōu)，同時可以展開巖土地層結(jié)構(gòu)的合理劃分，較好保證勘測結(jié)果的取值精確程度。該隧道隧址處巖土體測區(qū)橫波速度分層特性明顯，有利于地質(zhì)界面及基巖風(fēng)化分界面準(zhǔn)確劃分，足以表明該文所采用的勘探技術(shù)具有其余探測技術(shù)所不具備的施測深度大、對具體地層模糊地質(zhì)界面能進(jìn)行精準(zhǔn)探測、能準(zhǔn)確清晰辨認(rèn)出具體巖土層分布形態(tài)和起伏形態(tài)等優(yōu)勢，能夠取得事半功倍的效果，提升勘探測值精度。

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收稿日期：2023-10-22

作者簡介：李文彪（1975—），男，工學(xué)碩士，高級工程師，注冊土木工程師（巖土），從事公路、水運(yùn)工程的巖土勘察設(shè)計等工作。