蔡祖華，劉宏岳，鄭金秋，林朝旭，黃佳坤，

殷 勇1,2,3，張紅梅1，林孝城1

1 引 言

近年來城市地下病害體問題日益突顯，道路塌陷事故時常發(fā)生，嚴重影響了城市交通安全和居民日常生活。2018年10月1日頒布實施的住建部行業(yè)標準《城市地下病害體綜合探測與風險評估技術(shù)標準》，總結(jié)推薦了近年探測城市地下病害體的地球物理方法。城市地下病害體勘探條件非常復雜，因為人類活動中的各種機械振動、城市中的強電磁波干擾、復雜的城市空間與地表條件及高精度要求等多重因素均影響著各種探測方法的開展，導致不同的探測方法要求的實施條件不同，如探地雷達要求避開強電磁干擾。而微動勘探技術(shù)不受強電磁的干擾，其震源為被動源，利用了自然界各種活動產(chǎn)生的震動(如：空氣流動、火山活動、板塊運動、潮汐活動等)和人類的各種活動(如：汽車、火車、機械活動等)。這些震動的頻率從零點幾赫茲到幾千赫茲不等，微動勘探利用所有這些震動能量產(chǎn)生的波來探明地下病害體。因此在復雜地表與特殊環(huán)境下，微動勘探技術(shù)是一種更加便捷有效的無損探測技術(shù)。

微動勘探的歷史比較久，早在20世紀50年代，日本學者Aki(1957年)使用空間自相關法(SPAC,Spatial Autocorrelation)首次從微動信號中提取出了面波頻散曲線；1969年，Capon提出了新的方法(HRFK,High Resolution Frequency Wavenumber Method),并成功地定位了核實驗場位置和地震震源位置。隨后，尤其在最近的20年中，由于硬件計算能力的不斷提升和軟件技術(shù)的發(fā)展，微動勘探分析方法在城市工程中的應用得到了很大的發(fā)展。為了提高微動勘探在地下城市病害體的解釋精度，本文將微動勘探技術(shù)中地層多個相關屬性(如：H/V譜比曲線、頻散曲線、相速度剖面等)進行綜合解釋，結(jié)果表明，多種相關屬性綜合解釋能夠有效避免單一屬性判別的誤判，該種微動技術(shù)分析方法能夠適應復雜的城市環(huán)境，在城市地下病害體工程中是一種有效的探測手段[1，6]。

2 微動勘探技術(shù)簡介

2.1 基本原理

微動探測方法是以平穩(wěn)隨機過程理論為依據(jù)，從微動信號中提取面波(瑞利波)的頻散曲線[7]，通過對頻散曲線進行反演，最終通過橫波速度的差異來解釋地下結(jié)構(gòu)。

微動具有如下基本特征：

1)地球表面無論何時何地都存在震動；

2)動源的空間分布、觸發(fā)時間及源的強度是隨機的；

3)在某一固定的位置，波的到來方向一般不確定；

4)頻率一般較低；

5)微動探測中攜帶有面波所固有的頻散信息。

2.2 微動勘探技術(shù)優(yōu)勢

1)不受城市市區(qū)場地空間與地表條件影響。

2)微動探測對環(huán)境無特殊要求。且利用通常概念的“噪音”作為測試信號，市區(qū)提供豐富的高頻信號源(經(jīng)過測點附近的重型載重車輛除外)。

3)微動勘探不需要人工激發(fā)的震源。

4)地層橫向的速度變化極其敏感，對探測病害體有方法本身的優(yōu)勢[8]。

5)微動探測與少量鉆孔結(jié)合，可以較準確地解釋地下結(jié)構(gòu)的二維剖面。

3 數(shù)據(jù)分析與處理方法

3.1 處理流程

微動勘探勘探方法的一般流程與主動源方法相似，即有三大步驟，數(shù)據(jù)采集(觀測臺陣)、數(shù)據(jù)處理(提取頻散曲線、H/V曲線)和成果解釋(頻散曲線反演)(見圖1和圖2)。

圖1 速度剖面獲取流程Fig.1 Flow chart of velocity profile acquisition

圖2 H/V曲線獲取流程Fig.2 The H/V curve acquisition flow chart

3.2 數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)微動觀測臺陣信號反演場地速度結(jié)構(gòu)，包括兩個主要方面：一是從微動觀測記錄中提取頻散曲線；二是利用頻散曲線反演場地相速度結(jié)構(gòu)[9]。微動數(shù)據(jù)處理中，頻率波數(shù)法與H/V譜比法是主要的方法。

3.2.1 高分辨率頻率波數(shù)法(HRFK)

傳統(tǒng)F-K法(CVFK,Conventional Frequency Wavenumber Method)的具體實現(xiàn)的步驟為，首先將實測數(shù)據(jù)分為若干段，選擇有效的數(shù)據(jù)段；接著對各個方向上的信號進行二維傅里葉變換后得到頻散譜；然后將所有方向的頻散譜進行疊加，獲得所有的頻散總譜，最終提取出頻散曲線。而高分辨率頻率波數(shù)變換(HRFK)采用的是Capon(1969年)的算法，是一種基于廣義波束聚焦的自適應復空間加權(quán)算法，該算法廣泛應用于分析窄頻帶平穩(wěn)信號的頻率波數(shù)域分析。其功率譜P為：

(1)

其中,(xi,yi)為觀測x點坐標;kx,ky為波數(shù)矢量；φij(ω)為各個點之間信號相關性構(gòu)成的矩陣的逆矩陣的元素[9]。通過ω的選擇，HRFK使波數(shù)不同于優(yōu)勢信號的互功率譜能量最小化實現(xiàn)分辨率的提高[10]。

3.2.2 H/V譜比法

首先由Nogoshi和Igarashi提出，經(jīng)Nakamura推廣應用于場地響應評估[11]。H/V值使用單臺水平、垂直分量頻譜相比得到，利用面波H/V曲線使用了最大似然估計法進行反演，防止數(shù)據(jù)發(fā)散，得出測點下地層的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在水平層狀介質(zhì)中，頻率為ω的微動面波H/V譜比可定義為:

(2)

其中，PNS(ω)和PEW(ω)為水平運動傅里葉功率譜；PUD(ω)為垂直運動傅里葉功率譜[12]。

4 城市地下病害體探測工程應用

4.1 探測工程案例·馬路沉降坍陷

4.1.1 工程概況

本次工程物探工作采用無損的微動探測技術(shù)，在委托方指定的已發(fā)生地面沉降區(qū)域開展微動探測工作，以探明引起地面沉降不良地質(zhì)體的平面位置、埋深以及分布范圍，為盾構(gòu)法施工提供地質(zhì)依據(jù)。

本區(qū)間場地沿線勘探深度范圍內(nèi)地層主要為雜填土、黏土、淤泥、淤泥中細砂交互層、淤泥夾砂、(含泥)粉細砂、(含泥)中砂、(含細砂)粉質(zhì)黏土、(含泥) 粗中砂、卵石(砂質(zhì)填充)、強風化花崗巖(砂土狀)、中風化花崗巖。場地各土層在水平方向上的分布及性質(zhì)不均勻，在垂直方向土層軟硬相間，均勻性差。

4.1.2 微動探測成果解釋

本次探測總長度為48.0 m；各微動測點平面位置見圖3，通過數(shù)據(jù)處理，對比分析鉆孔資料，對本工程各微動剖面進行分析與解譯，最終獲得成果解釋圖。

以單點M5為例，如圖4可以看到異常區(qū)中M5點所得H/V曲線圖中高頻部分雜亂且多峰值；由此反應出此處淺層土層松散，結(jié)構(gòu)可能已經(jīng)遭到破壞。

圖4 M5臺陣測點H/V曲線Fig.4 The H/V curve of M5 arrayobservation points

L1段(圖5，圖6)測點的H/V曲線多為尖單峰形態(tài)，為突出異常，本次H/V成果圖用V/H成果圖代替。由圖5所示的V/H等值線圖可知，測點M4與M5在4.0～45.0 Hz頻率段出現(xiàn)多個量值較大區(qū)域，反映地表下方存在多個地層阻抗界面；由圖6所示的相速度等值線圖可知，測點M3至M6段在10.0～19.0 Hz與31.0～55.0 Hz(深度約3.9～16.9 m)發(fā)現(xiàn)2個明顯的低速軟弱層；軟弱層的存在易引起地面沉降。而根據(jù)現(xiàn)場踏勘可知，測點M4與M5附近區(qū)域已出現(xiàn)過沉降，并已注漿處理過，可從側(cè)面驗證此次結(jié)果正確。

圖5 L1測線V/H等值線Fig.5 The V/H contour map of L1 survey line

圖6 L1測線面波頻率-相速度等值線Fig.6 The contour map of surface wave frequencyandphase velocity of L1 survey line

綜上所述，根據(jù)速度成果剖面與H/V等值線圖顯示，沉降區(qū)域剖面下方淺部低速層厚度呈兩端薄中間厚，這與沉降監(jiān)測結(jié)果顯示的兩端沉降小中間沉降大的情況存在對應關系；勘察資料顯示結(jié)構(gòu)底板下方土層基本為中砂(砂層中局部夾薄層淤泥質(zhì)土)，也驗證該范圍中砂土體結(jié)構(gòu)較松散。

4.2 探測工程案例·某車站明挖區(qū)沉降

4.2.1 工程概況

某工程對車站凈空斷面進行測量，測量后發(fā)現(xiàn)東明挖區(qū)間出現(xiàn)局部標高整體下沉，最大下沉約23 cm，西明挖區(qū)間和車站并未出現(xiàn)下沉。東明挖區(qū)間與車站交界位置橫向裂縫一條。圖7的裂縫長度約8 m，寬度約2～3 mm，深度2～4 cm。

圖7 東明挖區(qū)與車站交界處裂縫照片F(xiàn)ig.7 The cracks at the junction of dongming excavation and station

東明挖區(qū)沉降區(qū)域上方目前已鋪設鐵軌，如圖8鐵軌高出鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底板約1 m，鐵軌下方與結(jié)構(gòu)底板之間已完成部分鋼筋綁扎，但未澆筑混凝土?？辈熨Y料顯示，東明挖區(qū)結(jié)構(gòu)底板持力層為中砂，局部存在薄層淤泥質(zhì)土。

圖8 現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.8 The scene photos

為了查明東明挖區(qū)沉降區(qū)域下方土層情況，采用物探方法進行探測，由于現(xiàn)場施工條件較差，環(huán)境復雜，存在各種干擾因素，導致電法類的物探方法無法開展工作(包括可以探測淺部土層結(jié)構(gòu)的探地雷達)；而采用的微動探測技術(shù)，以天然震動為震源，不受各種金屬干擾，可以靈活采用適應現(xiàn)場環(huán)境特點的臺陣類型，克服較差的施工條件，并且綜合使用面波相速度和H/V兩個參數(shù)進行成果分析，能夠達到較高的解釋精度。

本次現(xiàn)場微動臺陣布置每個臺陣含6個檢波器，分別在兩根鐵軌下方結(jié)構(gòu)底板上各安放3個檢波器(T1～T6為檢波器安放位置)。完成一個臺陣的測試后，臺陣整體往前移動6 m，繼續(xù)下一個臺陣的測試。

4.2.2 微動探測成果解釋

微動探測成果的解釋主要基于面波相速度和H/V兩個參數(shù)，面波相速度的高低直接反映土層的軟硬程度，H/V曲線的峰值反映土層中的阻抗界面，也是劃分土層分界面的依據(jù)之一[9]。

4.2.3 下行線XK29+572～XK29+770探測成果分析：

圖9為下行線XK29+572～XK29+770里程段的面波頻率相速度剖面圖，橫坐標為里程，縱坐標為頻率，高頻部分反映地下淺部的土層信息，低頻部分反映地下深部的土層信息，不同顏色代表不同相速度值，相速度值大小參照右側(cè)色標柱。圖中黑色曲線為速度值約為200m/s的等值線。圖中將頻率按探測深度為半波長的關系轉(zhuǎn)換為標高。

圖9 下行線XK29+572～XK29+770面波頻率-相速度剖面Fig.9 The cross section of XK29+572 ～ XK29+770 surfacewave frequency-phase velocity

圖10為下行線XK29+572～XK29+770面波深度-相速度剖面圖，從圖10中可以看出：

圖10 下行線XK29+572～XK29+770面波深度-相速度剖面Fig.10 The lower line XK29+572 ～ XK29+770 Surface wave depth-phase velocity profile

1)面波相速度為200 m/s的等值線形態(tài)基本為兩端淺中間深，這與沉降監(jiān)測結(jié)果顯示的兩端沉降小中間沉降大(沉降最大的位置為XK29+675附近)的情況存在對應關系；

2)XK29+675為中心的區(qū)域附近低速層厚度相對較大，往大里程和小里程方向低速層厚度變小，勘察資料顯示東明挖區(qū)結(jié)構(gòu)底板持力層為中砂，推斷該范圍中砂土體結(jié)構(gòu)較松散；

3)剖面局部較深的區(qū)域存在高速異常為未知障礙物或者地質(zhì)體，推斷與沉降不存在直接關系。

圖11為Z9臺陣測點的H/V曲線圖，橫坐標為頻率，高頻部分反映地下淺部的土層信息，低頻部分反映地下深部的土層信息，縱坐標為H/V的量值，一般頻率較低的最大峰值對應基巖面，頻率較高的其他峰值對應基巖面以上土層中的其他阻抗界面。從圖11中可以看出：

圖11 Z9臺陣測點H/V曲線Fig.11 The H/V curve of measuring points of Z9 array

1)頻率1.22 Hz處的峰值對應基巖面；

2)頻率30～80 Hz范圍內(nèi)存在多個峰值且峰值雜亂，表明這個深度范圍內(nèi)土層極不均勻，結(jié)合勘察資料推斷結(jié)構(gòu)底板下方中砂土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，上覆土層的平均速度按200 m/s估算，對應埋深范圍在1～3 m左右。本剖面中其余臺陣測點的H/V曲線均存在類似情況。

圖12為下行線XK29+572～XK29+770段H/V等值線圖，橫坐標為距離，縱坐標為頻率，高頻反映淺部信息，低頻反映深部信息，不同顏色代表不同的H/V量值，量值大小參考右側(cè)色標柱，H/V曲線的峰值反映土層中的阻抗界面。圖中黑色實線到100 Hz的頻率范圍內(nèi)均存在多個峰值，且峰值雜亂的情況，上覆土層的平均速度按200 m/s估算，對應埋深范圍在1～3 m，推斷本剖面下方均存在中砂土體結(jié)構(gòu)遭到破壞的情況。

圖12 下行線XK29+572～XK29+770段H/V等值線Fig.12 The H/V contour map of lower line XK29+572 ～ XK29+770

綜上兩個工程案例可以得到，從微動探測方法上看，S波速度差異可以由計算的視S波速度剖面反映。波阻抗差異可以由測點的H/V曲線定性反映出來。由于病害體的大小不等，單一的速度參數(shù)推斷病害體范圍會有一定的誤判；增加H/V參數(shù)可以提高病害體判別的準確度。

根據(jù)以上病害體的地球物理特征及S波剖面和H/V曲線的解釋原則，可以將測試結(jié)果的大致分為兩大類來分析，見表1。

表1 測試成果分類Table 1 Classification of test yesults

續(xù)表1

因此對于病害體判斷而言，應關注H/V曲線的峰值頻率f0和幅值A0，通過H/V曲線結(jié)合頻散曲線反演計算分層速度結(jié)構(gòu)，同時特別關注H/V類型中雙峰型、多峰型、后臺階型及前臺階型的微動測點。

5 結(jié) 論

本文把微動勘探技術(shù)應用于城市病害體檢測中得出以下結(jié)論：

1)微動勘探技術(shù)在針對城市場地條件復雜，場地狹小，要求精度高等特點，從野外觀測方式到室內(nèi)資料處理整個過程，均提供了較好的解決方案。

2)利用微動多參數(shù)屬性，綜合分析對地層進行劃分，可提高資料的解釋精度和準確度。并給出了S波剖面和H/V曲線的對應病害體的地球物理特征基本解釋原則。

3)本文僅闡述了微動技術(shù)對地面沉降與馬路塌陷方面的應用。隨著微動技術(shù)在城市病害體中的進一步應用，在城市病害體的檢測中會發(fā)揮越來越重要的角色。