李月蓮 宗全兵

(1.福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建福州 350001；2.福州地鐵集團(tuán)有限公司 福建福州 350001)

福州地鐵1號線一期工程，起于福州市區(qū)北部的新店象峰，終于火車南站，途經(jīng)晉安、鼓樓、臺江和倉山四個(gè)行政區(qū)，為主城區(qū)內(nèi)軌道交通南北向的主干線。工程沿線下伏基巖主要為燕山晚期侵入的花崗巖，局部為凝灰熔巖、輝綠巖、花崗斑巖，其上覆蓋厚度不等的殘積、坡積土；第四紀(jì)地層主要為河相、海相沉積層，交替沉積有淤泥、淤泥質(zhì)土、砂土、卵石層等。巖土工程勘察表明，在新店車輛基地出入場線、樹兜站-屏山站-東街口站區(qū)間、達(dá)道站-上藤站-三叉街站區(qū)間、屏山站、達(dá)道站等8個(gè)車站、12個(gè)區(qū)間均發(fā)現(xiàn)有孤石分布。2013年5月，在新店車輛基地出入場線區(qū)間、三叉街站-上藤站區(qū)間的盾構(gòu)施工過程中遇到未經(jīng)查明的孤石，造成盾構(gòu)機(jī)刀具損壞，施工停滯。

提前探明影響盾構(gòu)施工的孤石，并對其預(yù)處理成為保障福州地鐵1號線洞通的關(guān)鍵。對隨機(jī)分布的孤石，若采用鉆探手段，則鉆孔間距必須足夠小，若要進(jìn)一步考慮孤石部分侵入隧道的情況則需布置多排鉆孔，其工作量大、排查周期長、對交通影響大，需要政府部門下很大決心協(xié)調(diào)交通、市政以及各管線權(quán)屬部門。

研究表明[1-5]：淺層地震法、跨孔電阻率法、跨孔CT法、地微動(dòng)法是行之有效的孤石探測方法。基此，在綜合考慮探測方法對城市環(huán)境的影響、可實(shí)施性和經(jīng)濟(jì)性后，決定采用地微動(dòng)法對盾構(gòu)區(qū)間進(jìn)行孤石排查。

1 地微動(dòng)探測孤石原理及判別

受氣壓變化、海浪、人類交通活動(dòng)等因素的影響，在地球表面隨時(shí)都存在頻率0～20Hz、振幅約10-4～10-2mm的隨機(jī)振動(dòng)(稱為“地微動(dòng)”或常時(shí)微動(dòng))。地微動(dòng)是一種由體波(P波和S波)和面波構(gòu)成的復(fù)雜振動(dòng)，其中面波能量占振動(dòng)總能量的70%以上。地微動(dòng)雖不是來源于特定震源，但因在傳播過程中受巖土體的濾波和吸收作用，累積了反映場地巖土介質(zhì)特性的信息，具有在不同地點(diǎn)功率譜形狀不同，在同一地點(diǎn)的功率譜形狀相似的特點(diǎn)[6]。地微動(dòng)進(jìn)行勘探方法就是從采集的微動(dòng)數(shù)據(jù)中提取Rayleigh面波的頻散信息，并據(jù)此推斷地下介質(zhì)的速度結(jié)構(gòu)[7-8]。孤石與其周圍松散介質(zhì)相比，在密度、S波速度、S波波阻抗等方面存在顯著差異。從微動(dòng)探測方法上看，S波速度差異由視S波速度剖面反映，而波阻抗差異可由測點(diǎn)的H/V譜比給予反映。

福州地鐵1號線探測孤石，采用沿隧道軸線布置中心距為5m、半徑為2.5m的圓形微動(dòng)探測臺陣，每個(gè)臺陣由放置于正五邊形頂點(diǎn)和中心點(diǎn)的6個(gè)檢波器組成，如圖1所示。對采集的微動(dòng)信號作如下假設(shè)：①平面波假設(shè)；②水平層狀介質(zhì)假設(shè)；③垂直分量基本為Rayleigh波，且基階波占主要能量；④在一定時(shí)空范圍內(nèi)采集到的微動(dòng)信號具有統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性，可采用隨機(jī)平穩(wěn)過程理論進(jìn)行描述。

對每個(gè)臺陣采集到的地微動(dòng)信號，采用高分辨率頻率波數(shù)域(HRFK)法提取瑞雷波頻散曲線[9-10]，計(jì)算視S波速度，再經(jīng)插值光滑計(jì)算即可獲得沿隧道軸線的二維視S波速度剖面；同時(shí)，對各檢波器獲取的信號進(jìn)行用傅里葉變換，獲得水平分量和垂直分量的頻譜量值生成H/V曲線，并形成每個(gè)臺陣的Nakamura H/V譜比曲線[11-13]。視S波速度和H/V譜比計(jì)算流程如圖2～圖3所示。

(a)地微動(dòng)臺陣布置

(b)測數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場圖1 微動(dòng)圓形觀測臺陣

圖2 視S波速度計(jì)算流程

圖3 H/V譜比計(jì)算流程

微動(dòng)測試獲得的視S波速度剖面，能直觀顯示測試范圍內(nèi)地層的速度及其縱橫向變化，剖面上的異常高速體對應(yīng)著基巖面凸起或孤石，特別是在隧道范圍內(nèi)被低速圍巖“包裹”或“半包裹”的高速異常體往往給地鐵盾構(gòu)施工帶來安全風(fēng)險(xiǎn)，是盾構(gòu)施工過程需要特別注意的地方。

當(dāng)測點(diǎn)范圍內(nèi)有孤石存在時(shí)，可將該范圍內(nèi)的地層視為有軟硬不均夾層的場地，測點(diǎn)的H/V譜比曲線會(huì)呈現(xiàn)多波峰形態(tài)。福州地鐵1號線盾構(gòu)區(qū)間地微動(dòng)探測與鉆探結(jié)果對比分析表明[12]：在視S波速度判據(jù)基礎(chǔ)上輔以H/V譜比法判據(jù)，可有效提高孤石判別的準(zhǔn)確度。H/V曲線可進(jìn)一步歸納為尖單峰、緩單峰、雙峰、前臺階型、后臺階型、雜亂型6類，且不同類型的H/V曲線形態(tài)對應(yīng)不同的地層結(jié)構(gòu)(見表1)。根據(jù)孤石及其周圍介質(zhì)的地球物理特性差異及S波剖面和H/V曲線特征，可將存在孤石的測點(diǎn)分為以下4大類異常：

Ⅰ類異常：局部速度稍偏高或者偏高；或者無明顯速度偏高但H/V曲線中出現(xiàn)小峰值頻率對應(yīng)較好等情況。該類異常對應(yīng)的可能是巖土層分界面或者不均勻風(fēng)化，出現(xiàn)孤石的可能性極小。

Ⅱ類異常：局部速度稍偏高或者偏高，且H/V曲線中出現(xiàn)小峰值頻率對應(yīng)較好或者大峰值頻率對應(yīng)較差；或者無明顯速度偏高但H/V曲線中出現(xiàn)大峰值頻率對應(yīng)較好等情況。該類異常對應(yīng)的可能是阻抗比較大的巖土層分界面或者不均勻風(fēng)化，出現(xiàn)孤石的可能性較小。

Ⅲ類異常：速度明顯偏高；或者速度稍偏高或者偏高，且H/V曲線中出現(xiàn)大峰值頻率對應(yīng)較好等情況。該類異常對應(yīng)的可能是速度較高的巖土體或不均勻風(fēng)化，出現(xiàn)孤石的可能性較大。

Ⅳ類異常：速度明顯偏高且H/V曲線中出現(xiàn)大峰值頻率對應(yīng)較好。該類異常對應(yīng)的可能是速度較高的巖土體或不均勻風(fēng)化核，出現(xiàn)孤石的可能性極大。

表1 常見的H/V曲線形態(tài)及對應(yīng)的地層結(jié)構(gòu)

2 地微動(dòng)探測孤石的工程應(yīng)用

地鐵1號線新店車輛基地～象峰站出入段線盾構(gòu)區(qū)間，自湯斜佳園的1#盾構(gòu)工作井始發(fā)，向東偏北方向穿過湯斜溪、湯斜村，沿線主要經(jīng)過村民住宅及菜地。區(qū)間場地主要巖土層分布特征如下：①0耕植土；①1雜填土；①3淤泥質(zhì)填土；④粉質(zhì)粘土；⑤1淤泥質(zhì)粘土；⑥碎卵石；⑦粉(砂)質(zhì)粘土；⒀a(bǔ)殘積(砂質(zhì))粘性土；⒁全風(fēng)化巖；⒂散體狀強(qiáng)風(fēng)化巖；⒃碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化巖；⒄中等風(fēng)化巖。盾構(gòu)主要穿越⒀a(bǔ)殘積(砂)質(zhì)粘性土、⒁全風(fēng)化巖、⒂散體狀強(qiáng)風(fēng)化巖等地層。

2013年5月，福州地鐵1號線新店車輛基地出段線盾構(gòu)推進(jìn)過程中突遇孤石，導(dǎo)致盾構(gòu)停機(jī)，施工停滯。資料分析表明，新店車輛基地出入段線CDK1+550-CDK1+460、CDK1+203-CDK1+ 105、RDK1+700-RDK1+500約400m長度極可能出現(xiàn)影響盾構(gòu)施工的孤石。為進(jìn)一步指導(dǎo)盾構(gòu)施工，決定采用地微動(dòng)法對孤石分布情況進(jìn)行試驗(yàn)性排查。

調(diào)查采用SWS-6工程地震儀結(jié)合重慶地質(zhì)儀器廠的CDJ-S2C-2三分量檢波器，完成80個(gè)圓形臺陣勘探點(diǎn)的地微動(dòng)數(shù)據(jù)采集，得到了3條探測深度25m～40m的視S波剖面及對應(yīng)的H/V曲線成果。其中，象峰至新店車輛基地入段線(RDK1+ 700-RDK1+500)的S波速度剖面如圖4所示。探測結(jié)果表明，出段線測試段未見Ⅰ類以上異常；入段線測試段內(nèi)存在17處異常測點(diǎn)，其中Ⅰ類以上異常11處，詳見表2。

在后續(xù)的盾構(gòu)推進(jìn)中，施工單位根據(jù)測試結(jié)果及時(shí)對盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，加強(qiáng)了盾構(gòu)機(jī)的刀具配置，最終順利通過了上述測試地段。對盾構(gòu)施工揭示的情況與地微動(dòng)探測結(jié)果對比表明：微動(dòng)探測能反映出孤石的分布，在入段線里程RDK1+628.83-RDK1+598.83段現(xiàn)場實(shí)際掘進(jìn)過程中陸續(xù)碰到孤石，與微動(dòng)探測揭示的異常點(diǎn)RC14-RC21位置吻合；測點(diǎn)RC5推進(jìn)記錄無孤石出現(xiàn)，但其后的RC6-RC7、RC8-RC9等位置也有孤石出現(xiàn)。

圖4 象峰至新店車輛基地(RDK1+700-RDK1+500)視S波速度剖面圖

表2 象峰到新店車輛基地(RDK1+700-RDK1+500)地微動(dòng)探測結(jié)果

在新店車輛基地出入段線探測孤石取得成功后，又先后對出入段線余下的區(qū)段、秀山站-羅漢山站區(qū)間、樹兜站-屏山站-東街口站區(qū)間、茶亭站-達(dá)道站-上藤站區(qū)間、排下站-城門站區(qū)間、三角埕站-臚雷站區(qū)間等可能具有孤石分布的盾構(gòu)區(qū)段采用地微動(dòng)法進(jìn)行探測。1號線全線共完成測線長度8302.9m，微動(dòng)臺陣探測點(diǎn)1608個(gè)，并提出驗(yàn)證鉆孔96個(gè)，實(shí)際完成驗(yàn)證鉆孔78個(gè)，其中揭露孤石16個(gè)，揭露基巖凸起16個(gè)，起到排除孤石作用的24個(gè)，其它情況22個(gè)；結(jié)合驗(yàn)證鉆探結(jié)果，劃定盾構(gòu)施工危險(xiǎn)區(qū)2258 m，警示區(qū)998.4m，安全區(qū)5046.5m，探測成果如表3所示。對于查明的孤石均提前進(jìn)行預(yù)處理；至2016年5月，福州地鐵1號線全線洞通，施工過程中未遇未查明的孤石及基巖突起。

表3 福州地鐵1號線一期第二階段地微動(dòng)探查成果匯總

3 結(jié)論

福州地鐵1號線在國內(nèi)率先大規(guī)模采用地微動(dòng)法探測孤石，其大量鉆探驗(yàn)證孔及盾構(gòu)施工驗(yàn)證的結(jié)果表明：

⑴地微動(dòng)方法在初步探查孤石與基巖凸起方面均有比較理想的效果，能適應(yīng)城市軌道交通勘察工作的現(xiàn)場條件。

⑵采用半徑2.5m地微動(dòng)小臺陣探測，深度能達(dá)到30-50m，可滿足城市軌道交通工程盾構(gòu)區(qū)間孤石探測深度要求。

⑶采用地微動(dòng)探測結(jié)合鉆探驗(yàn)證，將探測區(qū)間區(qū)劃分為盾構(gòu)施工安全區(qū)、警示區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)，在工程實(shí)踐上是可行的。