楊先杰 ，毛承英，黃 霖，何廷全，周延潔

(1.廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西新發(fā)展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029；3.廣西大學，廣西 南寧 530004)

0 引言

近年來，隨著高速公路向山區(qū)的建設速度越來越快，挖方邊坡在高速公路建設中占比越來越大，然而，擾動邊坡產生的山體蠕動變形未能引起足夠的注意，山體蠕動變形可能會形成剝落、滾石、滑坡、坍塌等自然災害[1]。地層巖性、巖層與節(jié)理產狀、地質構造、水文地質條件等多個因素多可使邊坡產生蠕動變形[2]。為了觀測蠕動位移量，地質上使用三維激光雷達和鉆孔深層位移測斜，其中三維激光雷達對觀測位移量達到毫米級精度[3]，鉆孔深層測斜采取智能檢測技術，依據(jù)最小二乘法擬合原理對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時處理[4]，可對變形邊坡進行長期的不間斷的檢測和預警[4-5]。此2種方法存在局限性，三維激光雷達無法確定蠕動滑動面的空間位置，鉆孔深層測斜確定滑動面的位置需要長時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)加以整合才能確定。因此需要一種高效的、分辨率高的、環(huán)境友好型的、低成本的物探探測手段來查明蠕動斜坡的巖性、蠕動面的空間分布等地質信息，為蠕動斜坡的處理提供基礎地質信息[6]，微動探測技術應運而生。

微動探測方法是指利用微動中的面波來推斷地殼淺部的地層速度結構，上世紀50、60年代由Aki和Capon分別使用頻率-波數(shù)法( F-K 法)和空間自相關法( SPAC 法)從微動信號中獲得了面波信號[7]，自此建立了其理論基礎。其后，經過十多年的研究與實踐，日本北海道大學系統(tǒng)提出了“微動探測法”這一地球物理勘探方法的概念。國內的微動理論和應用研究始于上世紀90年代左右，李巧靈[8-9]等應用微動探測技術探測覆蓋層厚度和巖體裂隙發(fā)育帶，冉偉彥[10]、孫勇軍[11]等在地熱、礦產采空區(qū)、地殼結構等方面利用微動探測技術進行探測。

傳統(tǒng)物探方法如人工源多道瞬態(tài)面波法、地震反射法等主動源物探手段很難克服外界噪音干擾，對場地噪音要求較高，局限性較大。微動探測技術克服了其它地球物理方法在復雜場源中應用的局限性，受外界干擾較小，探測深度較大、分辨率高，不僅能夠節(jié)約勘探成本，對環(huán)境也毫無影響。近年來，微動探測技術逐漸被市場認可，在工程建設領域有比較廣泛的應用，例如滑坡地質災害勘察、淺埋隧道、巖溶路基、煤礦采空區(qū)和城市軌道交通等眾多領域的勘察均取得了豐富的工程應用成果，積累了豐富的實踐經驗，是一種很有前景的地球物理勘探新技術。

1 微動探測原理

1.1 微動探測原理[12]

地球表面無時無刻、任何地方都存在天然的微弱的震動，稱之為“微動”。微動是一種復雜振動，由面波和體波組成的，其中面波能量所占比重，達70%以上[13]。它的特點是振幅為10-4～10-2mm，其頻率為0.3～5.0 Hz。微動信號主要來源于兩個方面：一是相對高于1 Hz高頻信號源，這種信號源是由人類的活動產生的，包括人的行走、機械振動、車輛、船舶的往來等，這類微動信號通常被稱作常時微動；二是相對低于1 Hz的低頻信號源，這種信號源源于自然現(xiàn)象，包括風吹草動、浪起浪落、河水流動等，這類微動通常被稱作長波微動。微動信號攜帶有豐富的地球內部信息，它的頻譜特性反映了微動在時間和空間上的變化，這一點正是利用微動信號來研究地層速度結構的重要參數(shù)。微動探測深度的大小是根據(jù)臺陣的大小規(guī)模而定的，臺陣越大，探測深度也越大，最深可達上百米。

1.2 微動探測工作流程

利用專門的儀器采集到的微動信號，通過空間自相關法(SPAC)提取代表各地層的頻散曲線，頻散曲線能直接地反映地層的波阻抗界面即速度界面。把提取到的頻散曲線反演后可以得到地層的擬面波速度(Vx)剖面圖，進而進行地層分層，達到勘查目的。圖1為微動勘探工作流程。

1.3 頻散曲線提取方法[14]

頻散曲線的提取是微動勘探數(shù)據(jù)反演最為關鍵的部分，在眾多方法中空間自相關法(SPAC 法)應用最為廣泛，是提取頻散曲線最常用的方法，其計算步驟如下:

把某時段的微動信號當作是穩(wěn)定的隨機過程的樣本函數(shù)X[t，ξ(γ，θ)]，設臺陣圓心A和圓周上測點B的空間自相關函數(shù)S(γ，θ) 為：

S(r，θ)=

(1)

式中:r、θ、ω分別為觀測半徑、波的入射角和角頻率；φ為方位角;g(ω，r，θ) 為空間協(xié)方差函數(shù);h(ω，φ)為頻率-方位密度。

取空間協(xié)方差函數(shù)g(ω，r，θ)的方位平均:

g(ω，r)=

(2)

式中:J0(rk) 、rk分別為第Ⅰ類零階貝塞爾函數(shù)與其宗量。定義ρ(ω，r) 為角頻率的空間自相關系數(shù)則可得式(3)， 由式(3)確定第Ⅰ類零階貝塞爾函數(shù)的宗量， 再由式(4)可確定Rayleigh波相波速c(f)，繪制相波速-頻率曲線，得到頻散曲線。

(3)

(4)

式中:h0(ω)為臺陣中心點頻率-方位密度;f為頻率。

2 微動探測工作方法

經過前人的研究和總結，不同的臺陣所測得的頻散曲線各有差異，它們都有各自適用的觀測場地。目前微動探測技術數(shù)據(jù)采集的臺陣布設方式主要有6種，分別是內嵌三角形、圓形、十字型、T 型、L 型和直線型等，見圖2。

圖2 微動探測臺陣布設方式

由于天然震源傳播方向的不確定性，其它臺陣很難捕捉到震源信息，而內嵌三角形拾振器分布方式指向多，構成長短不一的線段多，有利于適應不同波長的天然源面波的采集[15]。同等數(shù)量拾振器，內嵌三角形臺陣和圓形臺陣采集效果比其它臺陣探測結果好，能適應絕大多數(shù)場地的數(shù)據(jù)采集要求，也是目前所使用最多的臺陣布設方式，其結果的精度和探測深度跟陣列的邊長(半徑)和地質體的相速度有關。

經研究表明，相較于三角形和圓形臺陣，十字形、T字型、L 型和一字型陣列適用場地條件比較嚴苛。要取得比較理想和可靠的探測結果，十字形、T字型、L 型場源必須穩(wěn)定，也就是在空間和時間上波動變化不大，拾振器接收的微動信號不能為某一方向的信號。直線形陣列要求微動信號不能集中在個別方向且微動波場滿足各向同性條件。[15]

研究表明觀測臺陣還可以有更多的形式，也可以采取任意形式布置檢波器，但需要滿足3個條件：滿足探查深度范圍需要的波長、臺陣中各接收點連線的方向要盡可能的多、臺陣中各接收點之間的距離要方便計算。

3 微動探測技術在廣西某高速公路隧道蠕動變形斜坡勘察中的應用

3.1 項目概況

在建廣西某高速公路央達隧道地層分布為上覆第四系殘坡積層(Qel+dl)粉質黏土，厚度0.50～3.50 m；下伏三疊系中統(tǒng)蘭木組(T2l)砂巖夾泥巖，泥巖主要呈夾層或互層分布于砂巖層中，分強風化和中風化二層，巖體破碎-較破碎。巖層產狀306°/SW∠46°(傾向坡內)，2組節(jié)理產狀分別為J1：45°/NW∠25°(4～5 條/m)、 J2： 28°/SE∠83°(5～6 條/m)，其中J1傾向斜坡外側，對擬建隧道斜坡穩(wěn)定性極為不利。

該隧道在施工過程中發(fā)生了邊坡變形破壞，山體局部地表開裂，隧道塌方，拱頂、拱腰位置初支出現(xiàn)開裂、剝皮、掉塊等地質病害(圖3為隧道塌方與山體變形裂縫)。受此影響，隧道被迫停止掘進施工。為查明隧道斜坡蠕動變形面和其他不良地質情況，為斜坡的防治設計與施工提供地質依據(jù)，開展了微動探測。

(a) 隧道塌方

3.2 微動工作布置與數(shù)據(jù)采集

本次沿斜坡蠕動方向布置3條測線，線距50m，單條測線長度200 m，圖4為滑坡物探測線布置圖。

圖4 斜坡物探測線布置圖

開展工作前在測區(qū)試驗了不同臺陣探測效果，經過實地試驗，直線型排列采集到微動信號一致性較差，內嵌三角形采集到一致性較好的微動信號,內嵌三角形試驗采集的原始數(shù)據(jù)和提取的頻散曲線如圖5所示，因此本次工作采用內嵌三角形作為微動勘察的主要臺陣，沿測線方向逐點采集數(shù)據(jù)。每個臺陣(排列)采用10個節(jié)點(每個節(jié)點檢波器主頻為2 Hz)，三角形最大邊長20 m，測點距5 m，采樣間隔4 ms，觀測時間15～40 min。

(a)原始數(shù)據(jù)

3.3 微動數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)信號處理采用頻率波數(shù)譜分析法，輸入面波記錄文件，選定面波數(shù)據(jù)窗口，經過傅立葉計算轉換，得到二維振幅譜圖象，在振幅譜圖中確定基階面波頻譜峰脊，根據(jù)得到的峰脊值便獲得面波頻散曲線。面波頻散曲線是地層進行速度結構分層的前提，對測線上拾取的頻散曲線按照物探樁號從小到大來進行層速度計算和反演，即可達到定量解釋的效果。 其中可得到(見圖6) 擬面波速度(Vx)剖面圖。

圖6 擬面波速度(Vx)剖面圖

3.4 微動探測結果分析

3.4.1地層波速分層分析

從微動探測結果看，場地在微動探測范圍內擬面波速度(Vx)多為150～2 000 m/s，整體上由淺至深逐漸增大，與之對應地層為覆蓋層、強風化層、中風化層。根據(jù)鉆孔揭露地層結果，覆蓋層擬面波速度(Vx)為150～360 m/s，厚度12.0～30.0m，其下為強風化砂巖夾泥巖，擬面波速度(Vx)多為430～830 m/s，其層底埋深1.5～3.0 m。深部為中風化砂巖，擬面波速度(Vx)多為830～2000 m/s。表1為地層巖性/結構面與擬面波速度(Vx)的關系。

表1 地層巖性/結構面與擬面波速度(Vx)關系Table 1 The relationship between formation lithology/ structural plane end quasi surface speed地層巖性/結構面層底埋深范圍/m層厚/mVx/(m·s-1)第四系覆蓋層1.5～3.01.5～3.0150～360強風化砂巖12.0～30.09.5 ～28.0430～830中風化砂巖——830～2 000強風化泥巖(夾層)3.5～7.0/12.5～13.50.8～1.4/1.0～2.1360～430節(jié)理裂隙發(fā)育帶——230～630蠕動變形面①15～22—430～830蠕動變形面②27～47—430～1 230

3.4.2軟弱夾層與節(jié)理裂隙發(fā)育帶分析

在Vx剖面中出現(xiàn)較多具有一定連通性的明顯的條帶狀、塊狀低波速異常，其總體分布趨勢呈向坡外側傾斜形態(tài)，根據(jù)該條測線上4個鉆孔揭露結果分析，該低波速異常帶推測為含泥軟弱層與節(jié)理裂隙發(fā)育帶，其中含泥軟弱夾層位于強風化層中，其擬面波速度(Vx)為360～430 m/s，推測的中風化巖層中節(jié)理裂隙發(fā)帶擬面波速度(Vx)為230～630 m/s。含泥軟弱夾層與裂隙帶厚度相對較小，在微動探測Vx剖面圖中反應明顯，其對薄層的分辨能力突出。圖7為鉆孔2-CX2擬面波速度(Vx)柱狀圖。

圖7 鉆孔2-CX2擬面波速度(Vx)柱狀圖

3.4.3蠕動變形面分析

根據(jù)地調、鉆孔和隧道開挖結果，測區(qū)存在2處蠕動變形面。Vx剖面圖中強、中風化界面整體表現(xiàn)為波速分界面，推測該位置存在蠕動變形面①，滑床主要為風化界面附近的中風化巖層中，滑體為黏土和強風化砂巖、泥巖夾層，大部分厚度在15～22 m，部分地段稍厚。Vx剖面在中風化層中出現(xiàn)較多具有一定連通性的條帶狀、塊狀低波速異常，擬面波速度(Vx)為430～830 m/s，推測對應為地層結構面、節(jié)理裂隙發(fā)育破碎帶，其總體分布趨勢也呈向坡外側傾斜形態(tài)，容易失穩(wěn)形成滑坡，因此推測為蠕動變形面②，滑床為中風化砂巖夾泥巖，滑體為黏土、強、中風化層，大部分厚度為27～47m，部分地段稍厚。鉆孔揭露地層、不良地質和隧道開挖情況跟微動探測結果基本一致。

3.5 不同勘察方法驗證

本次勘探除利用微動探測手段外，還開展了鉆探、高密度電法和鉆孔深層位移測斜等方法對蠕動變形斜坡進行勘探。

3.5.1鉆孔驗證

本條測線共布置了4個鉆孔，鉆孔揭露覆蓋層厚度在1.5～3.0 m之間，強風化層層低埋深為 12.5～30.0 m ，微動探測推測的巖性和風化界面跟鉆孔揭露的巖性和風化界面厚度一致；鉆孔2-ZK1、2-CX2、2-CX3在強風化層中均揭露到2層含泥軟弱夾層，Vx剖面圖中也有明顯的條帶狀低波速異常，與鉆孔揭露深度一致；鉆孔2-CX2、2-CX3、2-CX4揭露的蠕動變形面①深度為12.6～26 m，揭露的蠕動變形面②的深度為22～48 m，微動在鉆孔揭露蠕動變形面深度處存在明顯的塊狀低波速節(jié)理裂隙發(fā)育帶，推測為蠕動變形面。

3.5.2高密度電法結果驗證

高密度電法在強風化層和淺部中風化層形成的低阻異常帶在剖面中貫通性好，異常邊界視電阻率值變化梯度較大，且異常帶向坡外側傾斜(圖8為高密度電法視電阻率反演圖)。根據(jù)地調、鉆孔和隧道開挖結果，推測自淺至深共孕育有2個潛在滑動面(蠕動變形面①和蠕動變形面②)。蠕動變形面①主要發(fā)育在強風化層與強、中風化交界面附近，滑床為強風化、中風化層砂巖夾泥巖，滑體為黏土和強風化砂巖夾泥巖，大部分厚度方15～22m，部分地段稍厚；蠕動變形面②主要發(fā)育在中風化層中的結構面、裂隙破碎帶或軟弱夾層，滑床為中風化砂巖夾泥巖，滑體為黏土、強、中風化層砂巖夾泥巖，大部分厚度為27～45 m，部分地段稍厚。相對于高密度電法在探測風化界面、地層結構面、節(jié)理裂隙發(fā)育帶或夾泥軟弱層等方面，微動探測效果要優(yōu)于高密度電法，分辨率相對較高。

圖8 高密度電法視電阻率反演圖

3.5.3深層位移測斜結果驗證

根據(jù)鉆孔2-CX2 自動化深層位移測斜曲線顯示，孔深24.5 m(高程917.07 m)和42.0 m(高程899.57 m)都發(fā)生了明顯偏轉，拐點位置滑面峰值累積分別位移了58.78、13.54 mm(圖9鉆孔深層位移測斜曲線圖)。根據(jù)鉆孔2-CX3 自動化深層位移測斜曲線顯示，孔深22 m和(高程888.55 m)和44 m(高程866.55 m)也發(fā)生了明顯偏轉，拐點位置滑面峰值累積分別位移了9.0、5.0 mm(圖9鉆孔深層位移測斜曲線圖)。在微動反演剖面物探樁號250～310段埋深21～25 m和40～45 m，有明顯低波速異常分界面，2種手段推測蠕動變形面結果一致，說明牽引段蠕動變形面①、②位置是可靠的。

(a) 鉆孔2-CX2 (b) 鉆孔2-CX3

3.6 滑坡成因分析

隧道出口端邊坡巖層產狀傾向坡內，對邊坡穩(wěn)定性有利，但節(jié)理45°/NW∠25°對邊坡是不利的，且坡面中部地形較陡，邊坡巖體總體較破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、局部含泥質軟弱夾層，對邊坡穩(wěn)定性不利。隧道施工左洞ZK142+140位置發(fā)生了小型塌方，洞頂形成了空腔產生了一定卸荷，且ZK142+140 位置為中風化、強風化界限，推測上覆蓋層與強風化沿該空腔產生了一定變形，進一步發(fā)展階梯狀蠕滑、拉裂和內部剪切破壞，穩(wěn)定性降低，造成了邊坡發(fā)生整體滑移趨勢。

4 結束語

本次蠕動斜坡勘察主要使用微動探測方法，其探測結果與隧道開挖揭露地質情況、鉆探、高密度電法和深層位移測斜探測結果基本吻合。從探測效果來看，相對于高密度電法，微動探測對地層軟硬、破碎程度、地質結構面和軟弱夾層的分辨率能力更為突出，為斜坡病害處治提供了更加精細的地質資料?？傊犹綔y技術應用在蠕動變形斜坡勘察中能取得較好效果，它具有探測深度大，抗干擾能力強，地形影響小，對巖土分層、結構面分辨精度高，對不良地質體反應靈敏等特點，具有很好的應用前景。