微动勘探技术在地铁勘察中的应用

摘要：文章介绍了微动勘探技术的基本原理和工作方法，通过实例分析微动勘探技术在地铁勘察中的应用效果。实践证明，地铁勘察采用微动勘探与现有地质资料相结合的方法，是行之有效且适宜的，能够快速准确地进行地层划分和不良地质探测。

关键词：地铁勘察；微动勘探技术；岩土工程勘察；频散曲线

U212.22A511623

0 引言

在城市建设高速发展的当下，地铁工程建设是不可或缺的一部分，而岩土工程勘察成果是地铁设计及施工的重要依据。岩土勘察最常见的方法就是钻探，但该方法存在着场地约束、噪音影响等局限性。随着近年来人们对环保的意识越来越重视，地铁勘察中对建筑物密集区很难实施钻探作业，微动勘探技术的出现，很好地解决了这方面的问题。微动是利用体波与面波所产生的一种复杂的振动，且主要的能量信号是面波产生的。通过布置拾震器来采集微动信号，并从中提取面波频散曲线，进行地层划分和不良地质探测，为工程勘察提供科学与技术的保障。

1 微动勘探的原理

微动勘探也称天然源面波勘探，其解决地质问题的本质就是利用面波的频散特征。地球表面无时无刻、任何地方都存在天然的微弱震动，称之为“微动”［1］。微动是一种复杂振动，由面波和体波组成，其中面波的能量占比重，达70%以上［2］。它的特点是信号频率低、波长大，其频率在0.3～5.0 Hz［3］。微动信号主要来源于两个方面：（1）相对gt;1 Hz高频信号源，这种信号源是由人类的活动产生的，包括人的行走、机械振动、车辆、船舶的往来等，这类微动信号通常被称作常时微动；（2）相对lt;1 Hz的低频信号源，这种信号源源于自然现象，包括风吹草动、浪起浪落、河水流动等，这类微动通常被称作长波微动。微动信号携带有丰富的地球内部信息，其频谱特性显示了微动在时间和空间上的信息，可用来研究地下横波速度结构在空间上的变化［4］，进而研究地层的分布和结构的特点。图1为微动勘探的工作流程。

1.1 数据采集

首先需要在勘探点位上布设“观测台阵”，常见的台阵有：三角形、一字形、L形、十字形及圆形等。嵌套式等边三角形台阵是最常用的台阵，此台阵的特点是能接收多个方向转来的震源，长短距离多，可实现多个不同波长的探测。一字型台阵适合空间狭小的场所，如过道走廊之类的。一般观测的台阵大小是根据所需勘测的深度来决定的，测试的深度与台阵的最大边长是3～10倍的关系，也与所测地层的地质条件及拾震器的频率相关。

1.2 数据处理

图2为微动数据处理系统的主要功能模块及处理流程图。处理流程分为三步：第一步为选择参数进行数据处理；第二步为面波频散曲线的提取及反演；第三步为反演频散曲线进行速度分层计算，形成地质推断解释并成图［2］。

2 微动勘探技术在南宁某地铁项目的应用

2.1 项目概况

项目位于南宁盆地内，属侵蚀堆积河谷阶地貌。场地内的岩土层主要包括第四系覆盖层（Q）和古近系地层（E），第四系覆盖层主要包括填土层、黏性土层、粉土层、砂土层、砾（卵）石层或含砾（卵）石黏性土、含黏性土砾（卵）石；古近系地层（E）包含粉砂质泥岩（坚硬土状），粉砂质泥岩（半岩半土状），泥质粉砂岩（密实砂状），泥质粉砂岩（半岩半土状）。项目场地内推测有罗村正断层F23、高棠正断层F24、陈村正断层F25，这些断层均无长期活动性，晚更新世以来不活动，对拟建工程新市区间的影响小。

该项目局部路段穿越密集建筑、墓园、灯具城、旧货市场、小区及地下管线复杂等钻探不利条件场地，受场地协调或建筑物、地下障碍物影响等限制，部分设计钻孔未能施钻，导致实施钻孔间距偏大或钻孔偏移量较大，缺少局部地层信息，从而给工程设计、施工带来一定的不确定性，存在一定的地质风险。为降低工程施工地质风险，完善沿线地层信息，根据场地条件，对上述无法实施钻探的区域开展微动探测工作，为详细勘察中缺失地层信息段提供物探补充成果。

2.2 地球物理条件及方法有效性试验

本次勘察区表层为第四系覆盖层（素填土、粉质黏土、粉土、卵石），其下为古近系（E）基岩。在开展物探工作之前，在3个代表性已知钻孔做了试验工作，总结出测区在勘察深度范围内各岩性的地球物理特征，并提出第四系覆盖层的面波视层波速约为160～360 m/s，基岩的面波视层波速多gt;450 m/s。根据测区岩层面波视层波速的分布情况分析，表层的第四系覆盖层与其下基岩的面波视层波速差异较明显，具备开展天然源面波测试的物理前提。

在开展微动探测工作前，分别在已完成钻孔MFZ3-HL-24、MFZ3-XS-45、MFZ3-FQ-36进行了层位界面划分有效性试验，以微动频散曲线层位判别特征推断的土岩分层界面对比钻孔揭露资料。研究结果表明，钻孔地层分界面与微动探测成果基本吻合，此时所使用的微动探测能够全面反映出土岩分界深度。同时，为了研究地下岩性地层界面划分精度，本次岩性地层界面精度评价主要利用相对均方误差来开展评价。均方相对误差σ表达式为：

σ=±1N∑Ni（Hi-Hi′）2（1）

式中：N——参与计算的地层岩性界面个数，钻孔地层界面高程Hi，推测地层界面高程深度为Hi′。

表1为微动探测岩面埋深均方相对误差统计表，均方相对误差值在合理范围，证明该方法是有效的，能满足勘察要求。图3为已知钻孔MFZ3-HL-24处微动探测结果与钻孔揭露地层对比图，图3（a）面波频散曲线分层明显，推测的基岩面与钻探揭露的基本一致。

2.3 微动勘探实施

本项目使用的是WD智能天然源面波数据采集系统［5］，这一系统改变了传统的方法，在信号数据采集的同时，也可以直观地显示面波频散曲线数据合并生成的变化过程，只需要等频散曲线收敛趋于稳定后，就可完成该测点的数据采集工作，这个过程一般为10～30 min。本系统具有适应性强、易于操作等优点，能非常快速、准确地判断软硬土层的变化，为提供地层的横波速度和进行地质分层提供了技术保障。

在确保数据质量可靠的前提下，本次采集台阵根据实际场地条件，灵活使用了“三角型、十字型、一字型”等台阵方式，接收道数为10道，最大边长为8～18 m。采样间隔为5 m/s或者10 m/s，采样时间根据采用数据得到勘察深度时终止（本次微动勘探要求的勘察深度约为60 m）。见图4～7。

在数据采集过程中，主要采取以下措施来保证现场采集数据的质量：（1）开工前后分别检查各拾震器的一致性；（2）在遇到表层为水泥地面时，把检波器锥子拆掉，用生石膏进行耦合，保证检波器牢固安装，与地面耦合好；（3）为了减少人类活动震动对数据采集的干扰，测试范围尽量减少人员车辆活动，以提高所采集数据的信噪比［5］；（4）为使天然源面波的勘探具有较大的深度，尽量扩大圆圈的直径，尽可能多采集低频的地震波；（5）各拾震器均采用RTK精准定位。

2.4 成果分析

结合地质资料，综合分析面波数据，获得测区各岩层的分布情况如下：（1）覆盖层面波波速多为172～395 m/s，其厚度为8.11～14.84 m，包含素填土、粉质黏土、粉砂、圆砾等，频散曲线多有拐点，频散点较密集，面波视速度整体上随深度增大而增大，局部夹低波速层；（2）基岩层即粉砂质泥岩，面波波速多为450～690 m/s，基岩面埋深为8.11～14.8 m，面波频散曲线极值比较单一，频散点密度一般，面波视速度随深度增大而增大。频散曲线局部出现拐点，斜率发生变化，推测为拐点处存在分界面，上下层岩体波阻抗存在差异。浅部基岩波速相对低，厚度为7.1～16.5 m，推测岩体破碎，其下基岩波速相对高，推测岩体相对完整，局部夹低波速软弱薄层。横向上出现局部相对低波速异常，推测为风化强烈，裂隙密集发育，岩体破碎。见图8和后页图9。

2.5 资料可靠性分析

本项目在正式开工前，通过在已知钻孔进行微动有效性试验，微动试验结果与钻探资料吻合较好。在正式工作过程中，外业数据采集、数据处理解释严格执行相关规范标准，数据质量可靠，频散曲线收敛性较好，其深度-波速变化特征与相邻钻探揭露地层相符合。综合分析认为，本次微动勘探资料可靠性较高。

3 结语

（1）本文针对南宁某地铁勘察项目局部路段因受场地约束、环境影响等无法开展钻探工作，地质资料缺少的问题，采用微动勘探与现有地质资料相结合的方法，取得了较好的勘探效果，对勘探范围内基岩面埋深、起伏形态及风化程度，裂隙密集发育破碎带、软弱夹层等提供了有效判别依据。

（2）单点微动勘探可通过分析频散曲线疏密、拐点、斜率等特征进行单点垂向分层，其成果类似于单个钻孔资料；多点联测形成连续剖面，可推断解释连续地质剖面图。一般应采用剖面探测，特殊情况下可单点探测。

（3）实践证明，在城市复杂环境下，微动勘探适用性强、经济有效，除地铁勘察项目外，可以推广应用到各类工程勘察项目中。

参考文献：

［1］李传金，徐佩芬，凌甦群.微动勘探法圆形阵列台站数量和分布方式研究［J］.科学技术与工程，2016，16（7）：27-30，46.

［2］刘云祯，梅汝吾，叶 佩，等.WD智能天然源面波数据采集处理系统及其应用试验［J］.物探与化探，2016，40（5）：1 007-1 010.

［3］贾慧涛，廖圣柱，盛 勇，等.微动勘探技术在城市地质工作中的应用［J］.安徽地质，2020，30（1）：35-38，80.

［4］李洪丽.利用微动方法研究吉林市浅层二维剪切波速度结构［J］.物探化探计算技术，2020，42（5）：563-568.

［5］陈 实，李延清，李同贺，等.天然源面波技术在乌鲁木齐城市地质调查中的应用［J］.物探与化探，2019，43（6）：1 389-1 398.