＊王成龍 楊雪娟

（1.河北省地下水資源與生態(tài)環(huán)境安全技術(shù)創(chuàng)新中心 河北 050021 2.河北省水文工程地質(zhì)勘查院（河北省遙感中心） 河北 050021）

近年來我國已有許多城市路面發(fā)生了隱伏巖溶塌陷災(zāi)害現(xiàn)象，使地面上的建筑物及附屬物發(fā)生變形、倒塌，及道路坍陷等災(zāi)害，給人們的生產(chǎn)生活造成了很大的損失。準(zhǔn)確探查出道路隱伏巖溶的空間發(fā)育特征，已然勢(shì)在必行。巖溶一般發(fā)育在碳酸鹽巖地層中，空間分布特征不規(guī)律，鉆探勘查雖然可以準(zhǔn)確地揭露巖溶的存在，但卻很難（成本高、耗時(shí)長(zhǎng)等因素制約）反映出巖溶的空間分布狀況及形態(tài)特征，故不能完全依靠鉆探勘查。多個(gè)工程實(shí)例證明，采用地面物探掃面測(cè)量，針對(duì)物探異常區(qū)域進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，物探結(jié)合鉆探驗(yàn)證結(jié)果再重新進(jìn)行標(biāo)定解譯，是較為理想的勘探思路。物探包括多種工作方法，每種方法均有其適用性，探測(cè)巖溶發(fā)育的物探方法有很多，如高密度電法、探地雷達(dá)法、淺層地震反射波法、微動(dòng)勘探法、瞬變電磁法等。但是在城市道路上，面對(duì)地面硬化、地下金屬管道錯(cuò)綜復(fù)雜、人文及電磁干擾嚴(yán)重的環(huán)境里，微動(dòng)探測(cè)是這幾種物探方法中首選的方法。本文結(jié)合工程實(shí)例，運(yùn)用微動(dòng)探測(cè)技術(shù)對(duì)杭州市蕭山區(qū)某街道地下巖溶分布進(jìn)行勘察，查明了隱伏巖溶的分布情況，并利用鉆探驗(yàn)證了物探結(jié)果的可靠性。

1.項(xiàng)目區(qū)概況

項(xiàng)目區(qū)位于杭州某區(qū)，屬于沖海積平原及侵蝕丘陵地貌，路面地形起伏不大，項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)路面標(biāo)高在2～8m左右。杭州市位于我國東南沿海的錢塘江下游，地處長(zhǎng)江三角洲南翼，城區(qū)橫跨錢塘江兩岸。項(xiàng)目區(qū)區(qū)域內(nèi)內(nèi)陸河河網(wǎng)密集、水系繁多。該區(qū)域河道岸坡一般采用塊石及木樁護(hù)坡，局部平緩處岸坡為天然土質(zhì)護(hù)坡。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)巖溶主要發(fā)育在石炭系中統(tǒng)黃龍組（C2h）灰?guī)r的上部，上覆較厚的第四系松散層，巖溶類型屬覆蓋型巖溶，通過收集前期勘察資料顯示項(xiàng)目區(qū)屬巖溶強(qiáng)發(fā)育，溶洞頂板深度30.0～50.0m不等，洞高0.10～12.50m不等，形態(tài)不規(guī)則，溶洞內(nèi)多被黏性土或含碎石黏土等充填，部分溶洞無充填或很少填充。

2.地球物理前提

微動(dòng)探測(cè)分層不要求各層介質(zhì)間縱向上存在波阻抗差異，僅要求各層介質(zhì)之間存在橫波波速差異，由于橫波波速主要與介質(zhì)的松散與密實(shí)程度有關(guān)，因此微動(dòng)探測(cè)法對(duì)地層軟弱程度有較好的分辨能力，較適合軟巖及密實(shí)度差異較大地區(qū)的工程勘探。巖石波速不僅僅與巖石的成分有關(guān)系，還與其結(jié)構(gòu)、孔隙度、含水量、黏土含量等較多因素關(guān)系密切，橫波速度全風(fēng)化巖石＜強(qiáng)風(fēng)化巖石＜中風(fēng)化巖。通常溶洞發(fā)育區(qū)橫波波速具有以下特征：半填充溶洞＜粉質(zhì)黏土＜泥巖＜砂巖＜砂礫巖＜灰?guī)r，因此使用微動(dòng)探測(cè)隱伏巖溶具備地球物理前提條件。

3.工作方法

探測(cè)巖溶常規(guī)的物探方法有高密度電法、探地雷達(dá)法、淺層地震反射波法、瞬變電磁法等。但是在城市強(qiáng)干擾背景下探測(cè)幾十米深度內(nèi)的巖溶發(fā)育，地面硬化及地下金屬管道對(duì)高密度電法影響較大、探地雷達(dá)法在幾十米深度上分辨率較低甚至接受不到有用的反射信號(hào)、城區(qū)交通工具產(chǎn)生的振動(dòng)干擾對(duì)淺層地震勘探產(chǎn)生的噪音干擾較大、城區(qū)內(nèi)電磁信號(hào)又嚴(yán)重干擾瞬變電磁法對(duì)有用信號(hào)的提取，經(jīng)對(duì)比分析，選擇目前國內(nèi)新興且先進(jìn)的微動(dòng)探測(cè)技術(shù)是相對(duì)適宜的方法選擇。

(1)微動(dòng)探測(cè)技術(shù)原理

微動(dòng)探測(cè)法又稱天然源面波法，是從自然界背景地震波動(dòng)噪音（地脈動(dòng)）中通過自相關(guān)方法提取瑞雷波頻散曲線，從而推斷地層信息，與主動(dòng)源面波法相比，天然源面波法對(duì)場(chǎng)地條件要求低，而探測(cè)深度大。常用的觀測(cè)裝置有四種，三角嵌套、圓形裝置、L型裝置及一字型裝置。

(2)工作參數(shù)

由于場(chǎng)地條件限制，工作接收器需要按照一字型方式布置，接收器按照設(shè)計(jì)數(shù)字順序布設(shè)，測(cè)點(diǎn)記錄為裝置中心，所有檢波器與大線連接后，在監(jiān)測(cè)端觀察儀器是否正常采集數(shù)據(jù)，待儀器正常測(cè)量開始計(jì)時(shí)，根據(jù)探測(cè)要求決定采集時(shí)間，一般情況觀測(cè)約30min，個(gè)別點(diǎn)需觀測(cè)到一個(gè)小時(shí)。一個(gè)測(cè)點(diǎn)采集完成以后，關(guān)閉接收器，移位進(jìn)行下一個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量。天然源面波（微動(dòng)）勘探使用設(shè)備為WZG-24C寬頻地震儀，觀測(cè)頻率為0.01Hz至4000Hz，采集耦合頻率為0.1～15Hz，使用檢波器為2Hz低頻檢波器，每測(cè)點(diǎn)共觀測(cè)30min，根據(jù)場(chǎng)地環(huán)境特征個(gè)別測(cè)點(diǎn)延長(zhǎng)至60min。主要采用一字型觀測(cè)系統(tǒng)，觀測(cè)邊長(zhǎng)均為20～100m。

(3)數(shù)據(jù)處理

微動(dòng)探測(cè)數(shù)據(jù)處理首先從采集到的時(shí)序數(shù)據(jù)中拾取瑞雷波，獲得其相速度頻散曲線，再對(duì)頻散曲線進(jìn)行反演獲得橫波速度結(jié)構(gòu)，最后結(jié)合已知地質(zhì)資料做出地質(zhì)解釋。如圖1所示，本次實(shí)例中，我們采用了剖面臺(tái)陣方式來進(jìn)行微動(dòng)探測(cè)數(shù)據(jù)觀測(cè)，這種方式是在地面上設(shè)置一系列測(cè)點(diǎn)，通過觀測(cè)不同位置的數(shù)據(jù)來獲取地下結(jié)構(gòu)的信息。我們從每個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)中提取了瑞雷波頻散曲線，然后繪制了相速度等值線圖。為了獲得更加精確的地下結(jié)構(gòu)信息，我們進(jìn)行了插值和圓滑等處理步驟，計(jì)算出了二維視橫波速度剖面，這個(gè)剖面可以直觀地反映地層的變化情況，為地質(zhì)解釋提供了基礎(chǔ)。

圖1 微動(dòng)剖面探測(cè)數(shù)據(jù)處理流程圖

利用微動(dòng)數(shù)據(jù)中提取的瑞雷波頻散曲線進(jìn)行反演，以推測(cè)地下視橫波速度結(jié)構(gòu)的變化特征，并解譯出相應(yīng)的地層結(jié)構(gòu)信息。這種方法結(jié)合了瑞雷波的特性和半波法的原理，通過分析瑞雷波在地下介質(zhì)中的傳播速度，可以推斷出地下不同深度處的波速變化情況。通過對(duì)探測(cè)目標(biāo)剖面的微動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和解釋，可以獲取地下結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息。這種方法在地質(zhì)勘探和地下資源開發(fā)中具有廣泛的應(yīng)用，為研究者和工程師提供了有價(jià)值的地質(zhì)信息，幫助他們更好地理解和解釋地下地質(zhì)條件。計(jì)算視橫波速度半波法經(jīng)驗(yàn)公式如下。

該方法可用于地層剖面上地層巖性的相對(duì)變化而無需反演橫波波速。

式中，νs為視橫波速度；νr為瑞雷波相速度，ti=1/fi為周期，深度一般為半波長(zhǎng)的長(zhǎng)度。

通過計(jì)算視橫波速度和利用相速度頻散曲線，我們可以得到視橫波速度隨深度變化的大致趨勢(shì)。然后，為了得到更平滑的曲線，可以使用光滑算法，例如滑動(dòng)平均或高斯濾波，這些算法可以減少數(shù)據(jù)中的噪聲，使得結(jié)果更加可靠。然而，需要明確的是，視橫波速度并不等同于真實(shí)的橫波速度，它是一種近似值，可以間接反映出實(shí)際橫波速度的變化趨勢(shì)。因此，在進(jìn)行深度-速度剖面圖的分析時(shí)，需要注意到這個(gè)近似性質(zhì)，因此通過視橫波速度-深度剖面成果圖推斷解譯地層結(jié)構(gòu)信息。

本實(shí)例中使用的處理軟件為驕佳Geogiga9.15面波高級(jí)版進(jìn)行處理，分析方法為空間自相關(guān)SPAC法，如圖2所示，假定天然源面波在時(shí)間與空間上是隨機(jī)平穩(wěn)的，對(duì)于每一個(gè)特定的頻率，相速度可通過擬合空間自相關(guān)系數(shù)與第一類零階貝賽爾函數(shù)得到。

圖2 SPAC法生成的頻散圖

提取頻散曲線信息后，將頻散曲線進(jìn)行反演即可得到H-V剖面成果。反演算法采用的是遺傳算法（Genetic Algorithm，簡(jiǎn)稱GA）。單測(cè)點(diǎn)的相速度、視橫波速度及反演層參數(shù)后即可使用相關(guān)的GIS類軟件進(jìn)行剖面成圖分析。

4.成果解譯

沿道路方向及垂直道路方向網(wǎng)格式布置測(cè)線9條，下面以其中1條測(cè)線為例進(jìn)行敘述。

如圖3，剖面縱向上視橫波波速變化特征較明顯，總體為低-高二層結(jié)構(gòu)，視橫波波速變化范圍為100～400m/s。結(jié)合鉆孔資料，具體分層如下：0～47m為淺部低速區(qū)，視橫波波速小于250m/s，為粉質(zhì)黏土反映。47m以下視橫波波速顯著增大，為含礫砂巖及灰?guī)r綜合反映。結(jié)合對(duì)比鉆孔溶洞特征資料，將深度47m以下視橫波波速Vs＜250m/s的區(qū)域圈定為低速異常區(qū)，共5處，分別命名為WT-1、WT-2、WT-3、WT-4及WT-5。具體特征解釋如下：WT-1異常中心位置位于剖面38m處，異常影響寬度約20m，埋深約47.9m，異常影響厚度約26m。推測(cè)為黏土填充溶洞發(fā)育區(qū)，附近無預(yù)設(shè)計(jì)基樁。WT-2異常中心位置位于剖面152m處，異常影響寬度約50m，埋深約52m，異常影響厚度約24m。推測(cè)為黏土填充溶洞發(fā)育區(qū)。附近存在NE6、NE7及FZ37右三個(gè)基樁，推測(cè)溶洞發(fā)育情況與地勘揭露鉆孔基本吻合。該處溶洞發(fā)育范圍寬度及厚度均較大，設(shè)計(jì)和施工時(shí)加強(qiáng)注意。WT-3異常中心位置位于剖面268m處，異常影響寬度約38m，埋深約53m，異常影響厚度約21m。推測(cè)為黏土填充溶洞發(fā)育區(qū)。附近存在NE10基樁，推測(cè)溶洞發(fā)育情況與地勘揭露鉆孔基本吻合。該處溶洞發(fā)育范圍寬度及厚度均較大，設(shè)計(jì)和施工時(shí)加強(qiáng)注意。WT-4異常中心位置位于剖面320m處，異常影響寬度約18m，埋深約53m，異常影響厚度約10m，推測(cè)為黏土填充溶洞發(fā)育區(qū)。附近存在NE12基樁，設(shè)計(jì)和施工時(shí)加強(qiáng)注意。WT-5異常中心位置位于剖面350m處，異常影響寬度約28m，埋深約51m，異常影響厚度約32m。推測(cè)為黏土填充溶洞發(fā)育區(qū)。附近存在NE12及NE13基樁，該處溶洞發(fā)育范圍寬度及厚度均較大，設(shè)計(jì)和施工時(shí)加強(qiáng)注意。

圖3 微動(dòng)剖面探測(cè)解譯成果圖

5.結(jié)論

本文通過工程實(shí)例論述了采用微動(dòng)探測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確的推測(cè)出巖溶的位置、深度和規(guī)模，基本查明了巖溶的空間分布形態(tài)特性，并在物探異常處進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證，物探與鉆探結(jié)果吻合度很高，結(jié)論表明應(yīng)用目前新興的微動(dòng)探測(cè)技術(shù)對(duì)城區(qū)環(huán)境下進(jìn)行溶洞勘察是行之有效的。