微動(dòng)技術(shù)在大連地鐵巖溶勘察中的應(yīng)用

微動(dòng)技術(shù)在大連地鐵巖溶勘察中的應(yīng)用李耐賓;裴世建【期刊名稱】《《工程地球物理學(xué)報(bào)》》【年(卷)，期】2019(016)005【總頁(yè)數(shù)】6頁(yè)(P580-585)【關(guān)鍵詞】盾構(gòu);巖溶;微動(dòng);地震CT;綜合物探【作者】李耐賓;裴世建【作者單位】中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司勘察院天津300308【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】P631.41引言擬建大連地鐵5號(hào)線工程自梭魚(yú)灣站以北區(qū)域，地層巖性以可溶性白云巖、石灰?guī)r為主，局部有輝綠巖侵入。基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖溶現(xiàn)象較普遍，發(fā)育有溶蝕溝槽及溶洞。巖溶發(fā)育程度為微-中等發(fā)育，局部存在巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)，前期鉆探揭露溶洞埋深3.0~36.0m,最大洞徑約11.0m。前期勘察階段由于受勘探方法及鉆孔間距限制，遺留有較多的巖溶勘察空白區(qū)域，存在未揭露的溶洞，給地鐵施工帶來(lái)了極大的風(fēng)險(xiǎn)，如盾構(gòu)施工掘進(jìn)過(guò)程中可能發(fā)生盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)偏心、栽頭、陷落等事故；車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工可能發(fā)生樁體偏移、坍塌等事故。因此需要進(jìn)一步詳細(xì)查明地鐵沿線隧道洞身影響范圍的巖溶分布及發(fā)育規(guī)模、溶隙及破碎巖體范圍等情況，及時(shí)指導(dǎo)注漿加固處理，確保施工安全。巖溶勘察一般主要通過(guò)鉆探、坑探并結(jié)合物探方法進(jìn)行，采用的常規(guī)物探方法主要有電阻率法［1-3］、地質(zhì)雷達(dá)法［4］、淺層地震法［5］、瞬變電磁法［6］、跨孔CT［7-12］等。除跨孔CT方法外，以上物探方法在城市復(fù)雜環(huán)境中由于受到電磁干擾、接地條件、噪聲干擾的影響，難以獲取有效的數(shù)據(jù)，勘探效果不佳。城市環(huán)境條件下車(chē)流人流量大、環(huán)保要求高、地下管線眾多、勘察空間狹小，長(zhǎng)時(shí)間占道手續(xù)辦理困難，采用鉆探與跨孔CT聯(lián)合勘探耗時(shí)耗財(cái)，難以實(shí)現(xiàn)全覆蓋勘察。近年來(lái)微動(dòng)儀器設(shè)備技術(shù)、采集技術(shù)、軟件處理技術(shù)［13-18］突飛猛進(jìn)，在城市淺層不良地質(zhì)體（孤石、暗浜、人防空洞、巖溶等）勘察［19-23］工作中取得了較好的勘探效果。本次巖溶勘察工作思路為：采用微動(dòng)新技術(shù)對(duì)地鐵沿線隧道洞身范圍內(nèi)進(jìn)行探測(cè)，對(duì)微動(dòng)圈定的巖溶異常靶區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，并對(duì)揭露的巖溶區(qū)進(jìn)行跨孔地震CT掃描。通過(guò)對(duì)比微動(dòng)解譯巖溶異常、鉆探揭露巖溶及跨孔地震CT解譯巖溶異常的分布與規(guī)模情況，分析微動(dòng)探測(cè)技術(shù)在復(fù)雜城市環(huán)境下巖溶探測(cè)的準(zhǔn)確性、可靠性，以及替代跨孔地震CT進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、高效、無(wú)損、環(huán)保、快速勘察的可能性。2場(chǎng)地概況2.1區(qū)域地質(zhì)情況大連市區(qū)山地丘陵多，平原低地少，整個(gè)地形為北高南低，北寬南窄。地勢(shì)由中央軸部向東南和西北兩側(cè)的黃、渤海傾斜，面向黃海一側(cè)長(zhǎng)而緩。線路范圍場(chǎng)地地貌主要為沖海積階地、海漫灘、淺海、丘間谷地、剝蝕低丘陵地貌。據(jù)鉆探揭示，工程線路沿線上覆第四系全新統(tǒng)填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂、卵石，第四系上更新統(tǒng)黏土、粉質(zhì)黏土、碎石，下伏震旦系十三里臺(tái)組頁(yè)巖、石灰?guī)r，震旦系營(yíng)城子組石灰?guī)r，震旦系甘井子組白云巖，震旦系南關(guān)嶺組石灰?guī)r，震旦系長(zhǎng)嶺子組板巖，青白口系橋頭組板巖、石英巖，局部揭露碎裂巖、溶洞。場(chǎng)地地下水類(lèi)型主要為孔隙水與巖溶水，地下穩(wěn)定水位為3.0~8.5m，地下水受海水入侵及陸源地下水徑流綜合影響，水位變幅約為2.0~4.0m。2.2地球物理?xiàng)l件巖溶發(fā)育區(qū)相對(duì)周?chē)橘|(zhì)表現(xiàn)出的物性差異是開(kāi)展物探方法的前提條件。當(dāng)溶洞內(nèi)有黏土、碎石土或水充填時(shí)，其物性特征表現(xiàn)為相對(duì)低電阻率、低彈性波速；若無(wú)充填時(shí)，表現(xiàn)為相對(duì)高電阻率、高彈性波速；半充填狀態(tài)則介于二者之間。根據(jù)工區(qū)介質(zhì)物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)（表1）結(jié)果，不管是何種充填狀態(tài)的溶洞或溶蝕發(fā)育區(qū)，其與周?chē)橘|(zhì)相比，均存在可探測(cè)的物性異常，具備開(kāi)展微動(dòng)探測(cè)及跨孔地震CT方法的前提條件。根據(jù)該測(cè)區(qū)詳勘報(bào)告統(tǒng)計(jì)，主要巖體的物性參數(shù)見(jiàn)表1。表1主要介質(zhì)物性參數(shù)Table1Thephysicalparametersofmainmedia巖性縱波速度VP/m-s-1橫波速度VS/m-s-1電阻率/Q-m填土400~800100~20050~300黏土800~1500100~30010~100中、粗砂500~800200~40050~150圓礫土800~1000300~600100~300石灰?guī)r2500~58001400~200100~3000白云巖2500~45001500~3500150~2000輝綠巖5200~60003200~3000200~5000板巖3600~50002100~2800100~16003物探方法3.1微動(dòng)微動(dòng)［13,14］是一種采用臺(tái)陣［8,15］觀測(cè)天然振動(dòng)信號(hào)的地球物探方法，工作原理如圖1所示。采用類(lèi)空間自相關(guān)法——SPAC法［11］從微動(dòng)臺(tái)陣記錄中提取瑞雷波頻散曲線，計(jì)算視S波速度Vx，再經(jīng)插值光滑計(jì)算獲得二維視S波速度剖面。微動(dòng)速度剖面能準(zhǔn)確、直觀地反映地層巖性變化及異常體形態(tài)、規(guī)模。3.2地震CT地震CT［5］是通過(guò)觀測(cè)地震波穿越地質(zhì)體時(shí)走時(shí)、能量（幅值）和波形等的變化，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理重建地質(zhì)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)速度圖像的跨孔物探方法（圖2）。地震CT方法因其分辨率高的特點(diǎn)，主要用于地下精細(xì)結(jié)構(gòu)和小尺度目標(biāo)體的探測(cè)。圖1微動(dòng)探測(cè)原理示意圖Fig.1Theschematicdiagramofmicrotemordetectiontheory圖2地震波CT工作示意圖Fig.2TheschematicdiagramofseismicwaveCTtechnologyprocesstheory4應(yīng)用效果分析選取陸域段梭魚(yú)灣一甘井子站區(qū)間典型微動(dòng)剖面成果進(jìn)行介紹。地面微動(dòng)測(cè)線沿盾構(gòu)左洞中心線布置，點(diǎn)距5m，采用圓形臺(tái)陣，每個(gè)觀測(cè)臺(tái)陣由放置于正五邊形頂點(diǎn)和中心點(diǎn)的6個(gè)2Hz低頻檢波器組成，臺(tái)陣半徑3.0m，每個(gè)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)15min。本次微動(dòng)采用逐點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)方式形成二維觀測(cè)剖面。根據(jù)地面微動(dòng)視S波速度剖面解譯成果布置1處驗(yàn)證鉆孔ZK-4,驗(yàn)證孔揭露溶蝕發(fā)育后，在距離ZK-4驗(yàn)證孔20m處，布設(shè)鉆孔ZK-5進(jìn)行跨孔地震波CT成像掃描。物探測(cè)線布置見(jiàn)圖3，微動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)布置見(jiàn)圖4。圖3物探測(cè)線布置示意圖Fig.3Theschematicdiagramofgeophysicalsurveylinelayout圖4微動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)布置示意圖Fig.4Theschematicdiagramofmicrotemorobservationsystemlayout4.1微動(dòng)成果從微動(dòng)視S波速度剖面（圖5）上看，地層層狀特征較為明顯，參照詳勘資料，地表以下35m深度范圍可分為2層：第1層，雜填土，組成較復(fù)雜，速度變化范圍較大，VS=200~500m/s，層厚約2.0~9.2m;第2層，VS>500m/s，較破碎白云巖，局部發(fā)育巖溶。整體上來(lái)看，該段白云巖地層視S波速度等值線分布起伏較大，橫向梯度變化較大且不連續(xù)，在WD-20測(cè)點(diǎn)位置相對(duì)于圍巖處出現(xiàn)了十分明顯的閉合狀低速異常區(qū)，根據(jù)本區(qū)域巖溶發(fā)育特征，推斷解釋為巖溶異常發(fā)育區(qū)，其埋深高度范圍為17.0-25.0m，發(fā)育寬度約為7.0m，位于隧道洞身結(jié)構(gòu)附近，發(fā)育規(guī)模較大，對(duì)盾構(gòu)施工影響嚴(yán)重，布設(shè)鉆孔ZK-4進(jìn)行驗(yàn)證。4.2鉆探驗(yàn)證根據(jù)地面微動(dòng)成果，在WD-20號(hào)點(diǎn)位布置布設(shè)鉆孔ZK-4進(jìn)行揭露，設(shè)計(jì)鉆孔深度30.0m，鉆探揭示在17.0-21.5m位置處巖芯極其破碎，溶蝕發(fā)育強(qiáng)烈，與地面微動(dòng)解譯成果相吻合。ZK-4號(hào)鉆探巖芯見(jiàn)圖6。圖5典型微動(dòng)視S波速度剖面Fig.5TheprofileofmicrotemorapparentS-wavevelocity圖6ZK-4號(hào)鉆孑L15-25m巖芯照片F(xiàn)ig.6ThecorephotosofZK-4boreholebetween15-25m圖7ZK-4和ZK-5跨孔地震CT剖面Fig.7TheprofileofZK-4andZK-5cross-hloeseismicCT4.3地震CT成果在ZK-4號(hào)鉆孔和ZK-5號(hào)鉆孔間開(kāi)展跨孔地震CT巖溶探測(cè)，通過(guò)高精度孔間物探方法對(duì)地面微動(dòng)成果進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)證?，F(xiàn)場(chǎng)采用ZK-5號(hào)鉆孔發(fā)射，ZK-4號(hào)鉆孔接收，收、發(fā)點(diǎn)距均為1m，跨孔地震CT成果見(jiàn)圖7。在地震CT剖面中，靠近ZK-4號(hào)鉆孔位置，深度18.5-22.0m存在明顯的低速圈閉異常區(qū)，寬度約4.0m,與微動(dòng)解釋的巖溶異常區(qū)的空間位置、規(guī)?；疽恢?，進(jìn)一步驗(yàn)證了在復(fù)雜城市環(huán)境條件下地面微動(dòng)成果是準(zhǔn)確、可靠的。5結(jié)論本文采用微動(dòng)新技術(shù)對(duì)大連地鐵5號(hào)線沿線的巖溶分布及發(fā)育情況進(jìn)行了探測(cè)與研究，結(jié)果表明：在復(fù)雜的城市干擾環(huán)境下，微動(dòng)二維視S波速度剖面能直觀、準(zhǔn)確地顯示地層巖性縱、橫向變化，易于發(fā)現(xiàn)高、低速異常體的分布形態(tài)和特征，很好地揭示了巖溶發(fā)育深度、寬度等信息。通過(guò)與鉆探揭露巖芯、跨孔地震CT解譯情況的對(duì)比分析，得出：微動(dòng)探測(cè)的地層巖性(土層、巖石等)變化具有較高的分辨率，易于識(shí)別土層及強(qiáng)、中風(fēng)化巖層的分界線，能夠?yàn)槎軜?gòu)刀盤(pán)的參數(shù)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料；微動(dòng)與跨孔地震CT解譯的巖溶發(fā)育規(guī)模精度基本一致。微動(dòng)技術(shù)的震源為天然振動(dòng)信號(hào)，采用隨機(jī)平穩(wěn)進(jìn)行處理，具有較強(qiáng)的抗干擾能力；采集臺(tái)陣半徑3m,可以探測(cè)地下30m左右的深度，基本滿足地鐵施工范圍探查要求，且可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)建構(gòu)筑物情況，靈活選用五邊形臺(tái)陣、三角形臺(tái)陣及“L”形臺(tái)陣進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；單點(diǎn)采集時(shí)間約15min；相比于跨孔CT需要鉆孔配合，微動(dòng)技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、高效、無(wú)損、環(huán)保、快速的優(yōu)點(diǎn)。城市軌道交通線路一般位于市區(qū)地面之下，建構(gòu)筑物密集、管線眾多、交通繁忙，難以實(shí)現(xiàn)鉆探與跨孔地震CT聯(lián)合勘探的滿覆蓋勘察模式。綜上研究結(jié)果表明，在復(fù)雜城市環(huán)境干擾條件下，微動(dòng)新技術(shù)可以替代跨孔地震CT用于城市軌道交通巖溶勘察，值得將其推廣應(yīng)用于城市軌道交通其他不良地質(zhì)體勘察工作中。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】李增明,賈國(guó)章.高密度電阻率法在巖溶探測(cè)上的應(yīng)用[J].新疆有色金屬,2010(5):15-18.嚴(yán)學(xué)春，何帥.沈小慶，等.高密度電阻率法在貴州東部山區(qū)找水中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2017,14(5):558-564.章雪松，鐘宙燦漲展，等.探地雷達(dá)與高密度電阻率法在采礦空洞探測(cè)中的綜合應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2017,14(5):606-611.傅淑芳，朱仁益.地球物理反演問(wèn)題[M].北京:地震出版社,1998:148-215.江巍,魏樺,彭緒洲，等.淺層地震折射在某垃圾填埋場(chǎng)地勘探中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2018,15(2):236-240.［6］ 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