■葉軍云

(福建省龍巖市城市建設(shè)投資發(fā)展有限公司，龍巖 364000）

微動(dòng)探測(cè)技術(shù)在淺埋隧道地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

■葉軍云

(福建省龍巖市城市建設(shè)投資發(fā)展有限公司，龍巖 364000）

本文以龍巖華蓮西路淺埋隧道地質(zhì)構(gòu)造條件為工程背景，采用微動(dòng)探測(cè)技術(shù)推斷隧道洞身地質(zhì)和斷裂發(fā)育情況，為設(shè)計(jì)施工提供地質(zhì)指導(dǎo)。微動(dòng)探測(cè)結(jié)果顯示洞身內(nèi)各區(qū)段面波相速度值差異明顯，其中低速帶對(duì)應(yīng)的巖石破碎帶分布區(qū)域清晰。施工開挖結(jié)果顯示3處低速帶與區(qū)域內(nèi)的斷裂破碎帶對(duì)應(yīng)較好，證實(shí)微動(dòng)技術(shù)適宜對(duì)淺埋隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

微動(dòng)探測(cè) 淺埋隧道 斷裂 地質(zhì)預(yù)報(bào) 低速帶

1 引言

擬建隧道位于龍巖市新羅區(qū)西陂鎮(zhèn)的紅炭山地塊與陳陂村之間的山體中，隧道最大埋深74m，設(shè)計(jì)為雙向六車道雙線雙洞隧道。設(shè)計(jì)采用小凈距隧道方案，分為南北兩線，進(jìn)口南北幅凈距約為6.5m，出口南北幅凈距約為4.9m，北線隧道全長(zhǎng) 415m(樁號(hào) AK1+758～AK2+173）；南線隧道全長(zhǎng) 432.52m(樁號(hào) BK1+754.68～BK2+187.2），行車速度為40km/h。本隧道內(nèi)輪廓建筑界限為凈寬14.3m(其中外側(cè)人行道1.8m，內(nèi)側(cè)檢修道寬0.75m,車行道11.75m），凈高 5.0m。

隧址區(qū)位于閩西南坳陷帶之廣平-龍巖拗陷帶中段，據(jù)鉆探揭露及工程地質(zhì)測(cè)繪成果，隧址區(qū)分布有F1斷裂構(gòu)造，可見寬度約 10～15m，長(zhǎng)度大于 1000m，產(chǎn)狀 210°∠70-75°，擠壓條帶和透鏡體發(fā)育，巖石碎裂，帶內(nèi)有閃長(zhǎng)玢巖脈侵入，屬壓扭性斷層。該斷層走向沿隧道軸線分布，降低了隧道的圍巖級(jí)別。

為查明隧道內(nèi)不良地質(zhì) (主要為破碎帶）的發(fā)育情況，采用微動(dòng)探測(cè)技術(shù)對(duì)隧道洞身范圍進(jìn)行全線探測(cè)。

國(guó)內(nèi)中科院地質(zhì)與地球物理所的徐佩芬等對(duì)微動(dòng)探測(cè)技術(shù)開展了比較多的研究工作，成功應(yīng)用微動(dòng)方法探測(cè)地?zé)釘鄬覽1]，煤炭陷落柱等中深部勘探[2]，及巖土工程尺度的城市地鐵勘察。徐佩芬等在深圳地鐵7號(hào)線采用微動(dòng)方法得到二個(gè)共19個(gè)勘探點(diǎn)的速度剖面[3]，并對(duì)可能存在的花崗巖孤石進(jìn)行劃分，但未見鉆探驗(yàn)證資料。福建省建筑設(shè)計(jì)研究院的劉宏岳等將微動(dòng)探測(cè)技術(shù)成功運(yùn)用于福州市軌道交通1號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間的孤石探測(cè)中，經(jīng)過鉆孔和盾構(gòu)施工驗(yàn)證，取得了良好的效果，準(zhǔn)確的劃分基巖面，揭露巖脈范圍和孤石[4]。

隧道最大埋深74m，屬于淺埋隧道，本次使用微動(dòng)探測(cè)技術(shù)對(duì)隧道洞身不良地質(zhì)進(jìn)行探測(cè)，形成了面波相速度剖面，發(fā)現(xiàn)了3處低速帶，經(jīng)隧道全線開挖證實(shí)這3處低速帶與巖性分界或者破碎帶對(duì)應(yīng)較好，本次探測(cè)成果為隧道的設(shè)計(jì)、施工提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。

2 微動(dòng)探測(cè)技術(shù)方法簡(jiǎn)介

地球表面存在一種微弱波動(dòng)，它源于自然界和人類的各種活動(dòng)。自然界中的風(fēng)、潮汐、氣壓變化、火山活動(dòng)等都會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)；而人類活動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)包括車輛移動(dòng)、工廠機(jī)械運(yùn)行，甚至人的行走等。所有這些振動(dòng)的能量將以波的形式向遠(yuǎn)處傳播，其中含有各種體波，但能量傳播的主要形式是面波，因此微動(dòng)方法也可以稱為被動(dòng)源面波法。

微動(dòng)震源通常分為兩大類：自然現(xiàn)象和人類活動(dòng)，對(duì)應(yīng)震源的不同頻段。低頻段信號(hào)反映深部地層信息，而巖土工程尺度的探測(cè)主要使用高頻段的信號(hào)，其震源主要為測(cè)點(diǎn)附近數(shù)百米內(nèi)的交通、機(jī)器振動(dòng)。震源距離較近時(shí)，微動(dòng)波場(chǎng)包含體波和面波，震源距離較遠(yuǎn)時(shí)，面波占主要能量。

微動(dòng)是一種由體波(P波和S波）和面波(瑞利波和拉夫波）組成的復(fù)雜振動(dòng)，并且面波的能量占信號(hào)總能量的70%以上，大部分的能量以基階模式傳播。盡管微動(dòng)信號(hào)的振幅和形態(tài)隨時(shí)空變化而發(fā)生變化，但在一定時(shí)空范圍內(nèi)具有統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性，可用時(shí)間和空間上的平穩(wěn)隨機(jī)過程描述。微動(dòng)探測(cè)就是以平穩(wěn)隨機(jī)過程理論為依據(jù)，從微動(dòng)信號(hào)中提取面波(Rayleigh波）的頻散曲線，通過對(duì)頻散曲線的反演，獲得地下介質(zhì)的橫波速度結(jié)構(gòu)[5]。

2.1 微動(dòng)探測(cè)原理

微動(dòng)探測(cè)是一種基于微動(dòng)臺(tái)陣探測(cè)的地球物理探測(cè)方法。微動(dòng)探測(cè)工作原理如圖1所示，采用臺(tái)陣(圓形臺(tái)陣或者內(nèi)嵌三角形臺(tái)陣等）布置方式進(jìn)行信號(hào)采集，運(yùn)用空間自相關(guān)(SPAC）算法[6]或頻率波數(shù)域(F-K）算法[7]從各測(cè)點(diǎn)微動(dòng)臺(tái)陣記錄中提取瑞雷波頻散曲線，然后直接繪制面波相速度等值線圖，面波相速度等值線圖能客觀、直觀地反映地層巖性變化，是地質(zhì)解釋的基本依據(jù)。

本工程采用圓形觀測(cè)臺(tái)陣，每個(gè)圓形陣列由放置于正五邊形頂點(diǎn)和中心點(diǎn)的6個(gè)檢波器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，按5m測(cè)點(diǎn)間距逐點(diǎn)進(jìn)行，以形成二維剖面觀測(cè)，觀測(cè)陣列可基本覆蓋整個(gè)隧洞范圍。

2.2 數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的便攜式數(shù)字地震儀(型號(hào)為EPS-2），各拾震儀為無線連接方式，通過GPS授時(shí)功能實(shí)現(xiàn)各臺(tái)地震儀的同步信號(hào)采集。

實(shí)際施工時(shí)按照設(shè)計(jì)的觀測(cè)系統(tǒng)沿測(cè)線逐點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，單點(diǎn)每次觀測(cè)時(shí)間為10～20min。

隧道范圍的地表環(huán)境較復(fù)雜，包括竹林地、荊棘地、茅草地、養(yǎng)狗場(chǎng)、少部分水泥路面等；地形起伏較大，有平地、斜坡等；儀器與地面接觸條件較差，需使用鋤頭挖掉樹根、草根、竹根，以使儀器與地面有較好的耦合接觸。測(cè)試區(qū)域人為干擾較少，測(cè)試環(huán)境相對(duì)安靜。本次采集的數(shù)據(jù)信噪比相對(duì)較高，數(shù)據(jù)處理結(jié)果可靠性高。

3 微動(dòng)探測(cè)成果分析

本次探測(cè)沿南北線隧道軸線布置縱測(cè)線2條，臺(tái)陣測(cè)點(diǎn)數(shù)分別為北線83個(gè)，南線85個(gè)。下面以北隧道(測(cè)線編號(hào)LN）來說明微動(dòng)探測(cè)的成果。微動(dòng)探測(cè)成果主要為面波相速度平面圖如圖1所示。相速度剖面能客觀、直觀地反映地層巖性變化，是地質(zhì)解釋的基本依據(jù)。

圖2為L(zhǎng)N剖面面波相速度等值線圖，橫坐標(biāo)為里程樁號(hào)，本剖面83個(gè)微動(dòng)測(cè)點(diǎn)；縱坐標(biāo)為高程；圖中等值線為面波頻散速度值，各種速度值對(duì)照右邊標(biāo)注；圖中黑色雙實(shí)線范圍為隧道的洞身范圍。

縱觀整個(gè)速度剖面：(1）靠近進(jìn)出口兩端，隧道洞身范圍內(nèi)速度值較低，結(jié)合鉆孔資料，進(jìn)口端洞身將穿越粉質(zhì)粘土、含角礫粉質(zhì)粘土、殘積粘性土、砂土狀和碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)粉砂巖和碎裂巖等；出口端洞身將穿越含角礫粉質(zhì)粘土、砂土狀和碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)粉砂巖和碎裂巖等。(3）中間區(qū)域洞身主要穿越基巖，但基巖速度有明顯的差異，速度高表示完整巖石，速度相對(duì)較低表示破碎的巖石。面波相速度變化明顯，連續(xù)性差，表明隧道洞身范圍內(nèi)受區(qū)域構(gòu)造斷裂的影響，基巖的完整性差別較大。

圖1 相速度剖面獲取流程圖

圖2 LN剖面面波相速度等值線圖

圖3 LN剖面成果解釋圖

圖3為L(zhǎng)N剖面的微動(dòng)探測(cè)解釋成果圖，根據(jù)面波相速度剖面結(jié)合隧道兩側(cè)的鉆孔劃分基巖面，圖中黑色雙實(shí)線為隧道洞身范圍線，黑色虛線為微動(dòng)探測(cè)成果解釋的基巖面，其中隧洞穿越基巖段發(fā)現(xiàn)3處低速帶，推斷為3處破碎帶。表1為L(zhǎng)N剖面(北線隧道）的解釋成果，根據(jù)相速度按里程進(jìn)行解釋。

表1 LN剖面分段解釋成果表

4 施工開挖驗(yàn)證說明

隧道施工采用三臺(tái)階七步開挖法，機(jī)械開挖為主，本隧道為小凈距隧道，且圍巖變化頻繁，為了確保施工安全，避免爆破帶來的安全隱患，故選擇機(jī)械開挖。開挖設(shè)備均為CAT320D挖掘機(jī)。

目前華蓮西路隧道雙洞已全部洞通，施工單位對(duì)隧洞掌子面和圍巖情況進(jìn)行了詳細(xì)記錄。從開挖情況對(duì)比，微動(dòng)成果剖面對(duì)隧道的斷裂分析位置判斷準(zhǔn)確，按里程統(tǒng)計(jì)，巖土層的分界面、巖石的完整性(破碎、完整）及對(duì)應(yīng)的里程位置整體準(zhǔn)確率在90%以上。面波相速度大小與巖土層的密實(shí)程度密切相關(guān)，詳細(xì)如下：

Vr=140～300m/s，粉質(zhì)粘土、含角礫粉質(zhì)粘土、殘積粘性土和砂土狀強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)粉砂巖，采用人工用洋鎬、電鎬和CAT320D挖掘機(jī)斗開挖，每進(jìn)尺(0.5m）開挖時(shí)間：1.5～2h，無特殊措施。

Vr=350～550m/s，碎裂巖和碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化；采用CAT320D挖掘機(jī)帶破碎錘釬桿開挖，風(fēng)鎬配合修整，無特殊措施。每進(jìn)尺(0.5m）開挖時(shí)間：2～3.5h。

Vr=550～650m/s，碎裂巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化等，且中風(fēng)化較破碎。開挖方式：CAT320D挖掘機(jī)帶破碎錘釬桿開挖，風(fēng)鎬配合修整；每進(jìn)尺(0.5m）開挖時(shí)間：2.5～5h；特殊措施：局部強(qiáng)度較大時(shí)，需用履帶式潛孔鉆先進(jìn)行鉆孔，為破碎錘釬桿提供切入點(diǎn)。

Vr=700～1050m/s，基巖較完整，強(qiáng)度高，開挖方式：CAT320D挖掘機(jī)帶破碎錘釬桿開挖，風(fēng)鎬配合修整，每進(jìn)尺(0.5m）開挖時(shí)間：5～40h；特殊措施：圍巖強(qiáng)度高需用履帶式潛孔鉆先進(jìn)行鉆孔，為破碎錘釬桿提供切入點(diǎn)。連續(xù)作業(yè)造成高溫容易發(fā)生釬桿斷裂現(xiàn)象，需用噴水降溫。

表2為L(zhǎng)N剖面開挖驗(yàn)證結(jié)果。

表2 LN剖面開挖驗(yàn)證成果表

5 結(jié)論

微動(dòng)探測(cè)有效的利用環(huán)境噪聲，并從中獲取面波的頻散特性以推斷地下速度結(jié)構(gòu)，不受場(chǎng)地條件限制，是一種無損、經(jīng)濟(jì)、高效的地球物理探測(cè)手段。微動(dòng)探測(cè)與少量鉆孔結(jié)合，可以得到較精確的地下構(gòu)造的二維剖面，面波頻散速度等值線圖能直觀顯示巖土層的縱、橫向變化，對(duì)地質(zhì)異常有明顯反映。

華蓮西路隧道采用微動(dòng)探測(cè)技術(shù)，在地表進(jìn)行測(cè)試，得到隧道洞身范圍內(nèi)的地質(zhì)異常區(qū)段，成果可靠，與實(shí)際開挖結(jié)果對(duì)應(yīng)良好，準(zhǔn)確率在90%以上。采用微動(dòng)技術(shù)對(duì)淺埋隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是適宜的，對(duì)隧道的施工有指導(dǎo)作用，可為類似工程提供參考與借鑒。

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