汪文剛

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 地質(zhì)路基設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430063)

1 引 言

擬建的監(jiān)利至華容長(zhǎng)江公鐵兩用大橋位于長(zhǎng)江窯監(jiān)河段，岸南為湖南省華容市，岸北為湖北省監(jiān)利市，建成后將連通南北兩岸地市，作為江漢平原貨運(yùn)鐵路支線以及利華高速公路的過江通道，極大地促進(jìn)了兩岸經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及方便了兩岸人民出行?？紤]到長(zhǎng)江通航以及生態(tài)自然保護(hù)等問題，主橋初步設(shè)計(jì)為大跨度雙跨鋼桁梁斜拉橋，線位與橋位需結(jié)合地質(zhì)情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。在前期的選線工作中，提出了若干比較方案，在初測(cè)階段，需要查明各論證方案沿線的地質(zhì)情況，重點(diǎn)是覆蓋層厚度，其對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)以及施工造價(jià)影響很大。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料以及地調(diào)結(jié)果來看，該區(qū)域覆蓋層較厚，使用鉆探的成本高，周期長(zhǎng)，不適合大規(guī)模開展，而微動(dòng)譜比法具有經(jīng)濟(jì)快速的特點(diǎn)，且對(duì)覆蓋層反映良好，因此，該項(xiàng)目采用微動(dòng)譜比法對(duì)長(zhǎng)江兩岸線路進(jìn)行了初步勘探。

微動(dòng)譜比法(Microtremor Horizontal-vertical Spectral Ratio，簡(jiǎn)稱MHVSR)是最近幾年發(fā)展比較快的一種物探方法，在工程勘察中應(yīng)用于探測(cè)地下巖溶、活動(dòng)斷裂、基巖分界面等方面，都取得了較好的效果。微動(dòng)探測(cè)可視為地震勘探的一種，其震源包括了自然環(huán)境中的振動(dòng)(如地脈動(dòng)、潮汐等)以及人類活動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)(如車輛行駛、機(jī)器運(yùn)作等)[1,2]，屬于天然被動(dòng)源面波方法，因此微動(dòng)探測(cè)方法對(duì)環(huán)境要求較低，不受電磁和環(huán)境噪聲的影響，實(shí)施起來方便快捷[3,4]。微動(dòng)探測(cè)根據(jù)采集方式的不同，分為臺(tái)陣法和譜比法。臺(tái)陣法采用多個(gè)單分量檢波器以一定的布設(shè)方式(如三角形、六邊形、方形等)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后提取頻散曲線來反演地下速度剖面[5-8]，但是這種方式檢波器布設(shè)方式復(fù)雜。與之相比，譜比法是一種更為簡(jiǎn)單快捷的方法，它是采用單個(gè)或多個(gè)三分量檢波器，沿測(cè)線方向進(jìn)行布設(shè)，簡(jiǎn)單易行。譜比法最早由Nogoshi和 Igarashi提出[9]，后經(jīng) Nakamura推廣應(yīng)用到場(chǎng)地效應(yīng)評(píng)價(jià)[10,11]，其研究結(jié)果表明，三分量檢波器采集到的微動(dòng)信號(hào)，其水平分量和垂直分量的傅里葉譜之比(H/V)可以反映地層的橫波速度結(jié)構(gòu)。具體來說，H/V譜比曲線的峰值頻率與地層的卓越頻率非常接近[12,13]，而卓越頻率和地層分界面深度存在冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系[14]，據(jù)此，可根據(jù)H/V譜比曲線峰值頻率估算地層分界面深度。此外，對(duì)H/V譜比曲線反演還可以獲得地層的橫波速度剖面[15-19]，并且僅利用單臺(tái)三分量檢波器采集的數(shù)據(jù)即可計(jì)算出H/V譜比曲線，實(shí)施起來更加簡(jiǎn)單易行。

綜上所述，微動(dòng)譜比法具有抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)易采集、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，并可以提供卓越頻率、沉積層厚度、地層橫波速度等信息，可以在探測(cè)淺地表結(jié)構(gòu)上發(fā)揮作用。因此，本文結(jié)合擬建的監(jiān)利至華容長(zhǎng)江公鐵兩用大橋項(xiàng)目的前期勘察工作，應(yīng)用微動(dòng)譜比法對(duì)研究線路進(jìn)行淺地表地質(zhì)勘察，通過與鉆孔資料對(duì)比，證明了該方法的可靠性。此外，在項(xiàng)目初測(cè)階段，該種方法顯現(xiàn)出了明顯的經(jīng)濟(jì)性和快速性的特點(diǎn)，可大規(guī)模開展使用。

2 方法原理

在微動(dòng)譜比法中，“譜比”指的是微振動(dòng)信號(hào)的水平分量和垂直分量的傅里葉譜之比(即H/V)。微動(dòng)主要由體波和面波組成，地表記錄到的微動(dòng)水平分量和垂直分量的傅里葉譜可以表示為[2]：

(1)

其中，Ah和Av分別是垂直入射體波的水平分量和垂直分量的放大系數(shù)；Hb和Vb是基巖內(nèi)體波的水平分量和垂直分量的傅里葉譜；Hs和Vs是面波的水平分量和垂直分量的傅里葉譜。H/V譜比值可表示為：

(2)

其中，一般認(rèn)為Hb/Hb≈1，即基巖沒有放大作用。當(dāng)微動(dòng)中面波能量可以忽略時(shí)，微動(dòng)主要由松散沉積層的反射橫波組成，H/V近似為Ah的值；當(dāng)微動(dòng)中面波占主要成分時(shí)，此時(shí)H/V近似為Hs/Vs，即微動(dòng)的H/V近似為面波的水平分量和垂直分量的傅里葉譜之比。

Nogoshi和Igarashi通過對(duì)微動(dòng)H/V譜的研究，得出微動(dòng)的主要成分為Rayleigh波的結(jié)論[9]，而Rayleigh波在層狀介質(zhì)中具有頻散特性，且與地層的剪切波速VS密切相關(guān)。Nakamura的研究表明，微動(dòng)H/V譜比與地層垂直入射S波的放大因子相似[10,11]，即不同的微動(dòng)譜比可以反映不同的VS(單位：m/s)結(jié)構(gòu)剖面，具備速度反演的條件。常見的H/V譜比曲線有明顯的峰值頻率f0(單位：Hz)，Bonnefoy-Claudet通過大量的模擬實(shí)驗(yàn)表明該頻率與地層的厚度h(單位：m)以及VS波速有關(guān)[20]：

(3)

Seht和Wohlenberg發(fā)現(xiàn)地層厚度h和H/V譜比曲線的峰值頻率f0具有冪指數(shù)關(guān)系[14]，推導(dǎo)出經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

(4)

以上均可以作為判斷地層厚度以及VS波速的依據(jù)。

在反演方面，可通過不斷調(diào)整地層厚度h以及VS波速這兩個(gè)參數(shù)，其他參數(shù)保持不變，擬合模型與觀測(cè)的H/V譜比曲線。為研究方便起見，可以對(duì)H/V譜比值取對(duì)數(shù)，即反演目標(biāo)函數(shù)可以表達(dá)為[21]：

(5)

其中，E為誤差值;(H/V)m為實(shí)際觀測(cè)值;(H/V)r為理論計(jì)算值;N表示取H/V譜比曲線上的若干個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行反演。反演可利用全局優(yōu)化遺傳算法、模擬退火法、最小二乘法等進(jìn)行。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 區(qū)域地質(zhì)概況

橋址選線區(qū)域位于長(zhǎng)江窯監(jiān)河段，南側(cè)華容岸地處洞庭湖平原的北部，地勢(shì)西北低，東南高，堤內(nèi)河漫灘狹窄，堤外側(cè)由平原一級(jí)階地過渡至壟崗地貌，地形稍有起伏，地表植被發(fā)育，多以農(nóng)作物和灌木為主(圖1a)。北側(cè)監(jiān)利岸屬于江漢平原南緣，堤內(nèi)河漫灘寬緩，地形平坦開闊，堤外為一級(jí)階地地貌，地勢(shì)起伏相對(duì)較小，地表多農(nóng)田，水塘豐富，房屋密集分布(圖1b)。

圖1 橋位選址區(qū)域地形地貌Fig.1 Topography of bridge location selection area

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2015)與《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2006)(2009年版)，橋位選線區(qū)域?yàn)镮V類場(chǎng)地，地震動(dòng)峰值加速度為0.065 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

根據(jù)前期的地質(zhì)調(diào)查以及綜合考慮長(zhǎng)江生態(tài)保護(hù)、水源保護(hù)、城鎮(zhèn)規(guī)劃、河勢(shì)以及航道暢通等多種因素，橋位選址初步設(shè)計(jì)有馬家垸橋位、東山橋位、鄢鋪橋位三種方案(圖2)，線路江岸兩側(cè)各500 m為勘探區(qū)域，總計(jì)勘探長(zhǎng)度3 km。微動(dòng)譜比法采用中鐵第四勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的分布式多功能地震采集站①采集三分量微動(dòng)信號(hào)，以20臺(tái)采集站為一個(gè)排列沿設(shè)計(jì)線路布設(shè)，采集站布設(shè)間距為10 m，觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)為20 min，逐排列連續(xù)觀測(cè)完成全測(cè)線的數(shù)據(jù)采集。在布設(shè)采集站時(shí)，預(yù)先設(shè)計(jì)好每個(gè)采集站的點(diǎn)位，并利用GPS進(jìn)行放樣和定位，獲取每個(gè)采集站的實(shí)際精確位置，以便進(jìn)行帶地形的速度剖面反演。

圖2 橋位選址方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of bridge location selection scheme

數(shù)據(jù)采集完成后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，使用反地震觸發(fā)STA/LTA算法剔除瞬變信號(hào)，保留穩(wěn)定的微動(dòng)數(shù)據(jù)(圖3a)，以固定時(shí)窗為單位分別計(jì)算水平和垂直方向的傅里葉譜，其中水平方向傅里葉譜為兩個(gè)相互垂直的水平方向傅里葉譜的均方根值，然后對(duì)傅里葉譜進(jìn)行平滑，計(jì)算水平與垂直方向傅里葉譜的比值，生成H/V譜比曲線(圖3b)。

圖3 微動(dòng)波形記錄與譜比曲線Fig.3 Microtremor wave record and H/V spectral ratio curve

圖3為部分實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)以及某道的譜比曲線，通過拾取H/V譜比曲線的峰值頻率來確定初始模型的地層厚度以及速度大小，采用全局尋優(yōu)最小二乘法和遺傳算法混合反演，得到各測(cè)線的橫波速度剖面(圖4)，以上數(shù)據(jù)處理以及反演均通過中鐵第四勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的城市淺層智能成像系統(tǒng)軟件進(jìn)行。

圖4 反演與解釋結(jié)果Fig.4 Inversion and interpretation results

3.3 成果解釋與鉆孔驗(yàn)證

從反演的橫波速度剖面來看，地層淺部層狀特征較為明顯，第四系地層覆蓋較厚，大約為60～70 m，部分區(qū)域達(dá)到100 m左右。深部二長(zhǎng)花崗巖地層存在不均勻風(fēng)化，較為破碎?？辈旆秶鷥?nèi)未見明顯的斷裂、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造，可能的隱伏構(gòu)造在深厚的覆蓋層之下對(duì)工程的影響較小。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，以400 m/s左右的橫波速度劃分土石分界面，從解釋結(jié)果來看，兩岸土石分界面延續(xù)性良好。馬家垸橋位方案呈現(xiàn)近江岸覆蓋層厚，遠(yuǎn)江岸覆蓋層薄的特點(diǎn)；東山橋位方案北岸覆蓋層厚，在距江岸140 m左右突然變薄，并一直延伸到南岸，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，南岸局部有基巖出露，為小墨山隆起，與實(shí)際情況相吻合；鄢鋪橋位方案整體覆蓋層變化較為平緩，在南岸200～500 m淺地表覆蓋層速度較高，經(jīng)調(diào)查，此區(qū)域?yàn)槿斯ぬ钔?，淺地表含大量碎石、磚渣、生活垃圾等，造成覆蓋層速度偏高，也可能是由于采集數(shù)據(jù)時(shí)附近鉆機(jī)施工造成。

在此次勘察階段中，鄢鋪橋位方案南岸430 m處設(shè)有鉆機(jī)一臺(tái)，根據(jù)鉆探結(jié)果，主要可分為淺地表的粉砂、粉砂質(zhì)黏土以及深部的全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖，其分界面深度為69.40 m，與微動(dòng)譜比法解釋結(jié)果一致。此外，在鄢鋪橋位方案北岸測(cè)線-220 m處布設(shè)有鉆機(jī)一臺(tái)，鉆探結(jié)果表明淺部仍為粉質(zhì)黏土、粉砂、礫砂地層，深部為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖，分界面深度為65.6 m，通過與測(cè)線原點(diǎn)處的土石分界面對(duì)比，兩者相差不大，滿足地層起伏誤差。在其他方案測(cè)線上也布有若干鉆機(jī)，后期待鉆探結(jié)果出來后可進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用微動(dòng)譜比法對(duì)監(jiān)利至華容公鐵大橋橋址選擇方案的沿線地質(zhì)勘察結(jié)果表明：微動(dòng)譜比法反演的橫波速度剖面可以直觀地反映地下的地質(zhì)情況，易于確定覆蓋層厚度，發(fā)現(xiàn)斷層等地質(zhì)構(gòu)造等。通過與鉆探資料的對(duì)比分析得出：微動(dòng)譜比法反演結(jié)果具有較好的穩(wěn)定性和可靠性，與鉆探解釋成果相一致，且分辨率較高，能夠精細(xì)地反映地下空間巖性的變化情況，可為橋位選線提供地質(zhì)依據(jù)。

微動(dòng)譜比法利用天然噪聲信號(hào)，具有較強(qiáng)的抗環(huán)境干擾能力，可適用于多種復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，其采集設(shè)備輕巧便攜，布設(shè)方式簡(jiǎn)單，采集流程自動(dòng)化程度高，因此該方法具有經(jīng)濟(jì)、高效、快速、無損、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在工程勘察中可推廣應(yīng)用，特別是在概查、普查階段，該方法可以快速得出較為可靠的結(jié)果，且節(jié)省人力物力成本。