劉榮劍, 張玉池, 梁志宇, 田 燚

(1.桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,廣西 桂林 541006;2.中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,廣西 桂林 541004)

0 引言

微動(dòng)是一種廣泛存在于地球表面,沒有特定震源的微弱振動(dòng),主要由人類的日常活動(dòng)以及各種自然現(xiàn)象所產(chǎn)生。這種復(fù)雜的振動(dòng)產(chǎn)生的波由體波和面波組成,其中面波能量占微動(dòng)信號(hào)總能量的70%以上。由于這種面波的頻散特性,具有振幅、頻率隨時(shí)間、空間發(fā)生顯著變化的特點(diǎn),在一定時(shí)空范圍內(nèi),其信號(hào)的振幅和形態(tài)具有一定穩(wěn)定性,可用時(shí)問和空間上的穩(wěn)定隨機(jī)過程來描述[1]。微動(dòng)探測(cè)技術(shù),就是利用上述微弱振動(dòng)作為震源的一種地球物理勘探方法,該方法主要通過采集天然場(chǎng)源微動(dòng)信號(hào),通過數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)提取面波頻散信息,獲得波速度結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)勘探目的。這種方法具有環(huán)保、節(jié)能、綠色、快捷和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[2-4]。近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,微動(dòng)探測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速,數(shù)據(jù)采集和微動(dòng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)得到提高,在工程勘察、環(huán)境調(diào)查等領(lǐng)域取得了理想效果[5-8]。本文通過微動(dòng)探測(cè)技術(shù)在隧道勘察中的應(yīng)用,獲取了隧道軸線剖面地下介質(zhì)視 S 波速度分布情況,對(duì)隧道圍巖進(jìn)行了劃分,通過方法對(duì)比驗(yàn)證微動(dòng)探測(cè)的有效性和先進(jìn)性。

1 微動(dòng)探測(cè)技術(shù)原理與特點(diǎn)

1.1 基本原理

微動(dòng)探測(cè)技術(shù)是一種利用“微動(dòng)信號(hào)”來進(jìn)查明地下地質(zhì)情況的勘探方法。這些“微動(dòng)信號(hào)”主要來源于自然現(xiàn)象和人文活動(dòng)。通過臺(tái)陣接收這些微動(dòng)信號(hào),通過數(shù)據(jù)處理,提取其頻散曲線,并獲取面波速度。根據(jù)提取面波頻散曲線方法的不同,分為空間自相關(guān)法(SPAC法)、頻率-波數(shù)法(FK法)。在實(shí)際應(yīng)用中,空間自相關(guān)法所需接收點(diǎn)少、頻率寬,對(duì)于所提取的低頻部分面波信息有利,但較難分辨高階面波;而頻率-波數(shù)法臺(tái)陣布設(shè)靈活,所需接收點(diǎn)多,容易分辨高階面波,但分辨率較低,且當(dāng)目標(biāo)層較深時(shí),其工作量太大,臺(tái)陣布設(shè)比較困難[9]。本文主要采用空間自相關(guān)法提取面波頻散曲線。

空間自相關(guān)法是通過構(gòu)建圓心臺(tái)陣和圓周上臺(tái)陣的空間自相關(guān)函數(shù),過對(duì)其空間協(xié)方差函數(shù)做方位平均,得到第一類零階貝塞爾函數(shù)和其宗量,最后根據(jù)第一類零階貝塞爾函數(shù)的宗量可求得瑞雷波的相速度與頻率的關(guān)系,即可繪制出相速度-頻率曲線。

假定臺(tái)陣布設(shè)為圓形,在圓心處布置一個(gè)檢波器,其余檢波器等角度布置在圓周上。假定中心點(diǎn)C(0,0)與圓周上任一點(diǎn)X(r,θ),記錄的角頻率為ω的面波信號(hào)分別為μ(0,0,ω,t)與μ(r,θ,ω,t),其空間自相關(guān)函數(shù)為

(1)

式中:μ為面波信號(hào);r為接收點(diǎn)檢波器與中心點(diǎn)的距離;θ為方位角;ω為角頻率。

則空間自相關(guān)系數(shù)η(r,ω)為

(2)

積分得

(3)

其中,J0(x)為第一類零階貝塞爾函數(shù);C(ω)是角頻率為ω的面波相速度。

即

C(ω) =ω/κ

(4)

κ為波數(shù);從式中可以看出,空間自相關(guān)系數(shù)是面波相速度和頻率的函數(shù),通過擬合計(jì)算的空間自相關(guān)系數(shù)η(r,ω),可以求得面波相速度。

1.2 微動(dòng)探測(cè)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

微動(dòng)探測(cè)技術(shù)之所以能夠在工程勘探中得到廣泛應(yīng)用,是因?yàn)槠浔旧硭哂械闹T多優(yōu)勢(shì),其主要特點(diǎn)包括:

(1)微動(dòng)探測(cè)無需人工場(chǎng)源。相對(duì)傳統(tǒng)地震勘探,微動(dòng)探測(cè)的震源主要來源于氣壓、風(fēng)速、海浪、潮汐變化等自然現(xiàn)象以及車輛行駛、機(jī)器運(yùn)行、日常生活、生產(chǎn)等人類活動(dòng),利用這些微動(dòng)信號(hào)提取面波信息,研究地下結(jié)構(gòu)。

(2)設(shè)備輕便、施工方便。微動(dòng)探測(cè)儀器相較于常規(guī)地震勘探儀器,輕便小巧,工作方便,單人即可攜帶使用。

(3)臺(tái)陣型式多樣,突破了地形限制。微動(dòng)探測(cè)的數(shù)據(jù)處理方法不受臺(tái)陣型式影響,突破了空間自相關(guān)法的臺(tái)陣型式的束縛,可以有不規(guī)則臺(tái)陣型式,不受場(chǎng)地空間與地表?xiàng)l件影響。

(4)對(duì)生態(tài)環(huán)境不造成破壞。相對(duì)其他勘探方法,微動(dòng)探測(cè)對(duì)周圍的生態(tài)環(huán)境幾乎不產(chǎn)生任何影響,比較適合對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求較高的區(qū)域。

(5)探測(cè)靈敏,分辨率高。對(duì)地下地層橫向速度變化非常敏感,由于速度小,分辨率高。

(6)探測(cè)結(jié)果精確。通過多個(gè)微動(dòng)勘探點(diǎn)與少量鉆孔相結(jié)合的方式來進(jìn)行勘探,可以使探測(cè)結(jié)果精確,從而使勘探質(zhì)量得到充分保障。

1.3 觀測(cè)臺(tái)陣選擇

根據(jù)場(chǎng)地條件,本次選用直線型、L型、T型及“十”字型臺(tái)陣實(shí)驗(yàn)見圖1,最大邊長(zhǎng)30 m,檢波器間距5 m,頻率2 Hz,采樣時(shí)間頻率4 ms,采樣長(zhǎng)度20 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖1 微動(dòng)臺(tái)陣示意圖

圖2 4種臺(tái)陣的頻散曲線

由圖2可見,4種臺(tái)陣提取的頻散曲線形態(tài)、數(shù)值很相近,反映的深度均超過100 m。T形臺(tái)陣、“十”字形臺(tái)陣的頻散曲線“之”字特征清晰,尤其是“十”字形臺(tái)陣的頻散曲線“之”字特征最為明顯、清晰,按理應(yīng)采用“十”字形臺(tái)陣進(jìn)行野外微動(dòng)數(shù)據(jù)采集,但在隧道勘察中,因受場(chǎng)地地形條件限制,采用直線形臺(tái)陣采集微動(dòng)數(shù)據(jù),同樣可以達(dá)到勘察目的。

2 面波速度與圍巖類別關(guān)系

在現(xiàn)有規(guī)范中[10],對(duì)于隧道圍巖的分類是按照彈性波縱波速度劃分的。根據(jù)縱波速度、橫波速度、面波波速的關(guān)系,可換成關(guān)于面波速度劃分圍巖的標(biāo)準(zhǔn)。其相關(guān)公式如式(5)和式(6):

(5)

(6)

式中:VP是圍巖的縱波速度(km/s);VS是圍巖的橫波速度(km/s);VR是圍巖的面波速度(km/s);μd為泊松比。

根據(jù)圍巖分類與縱波速度的關(guān)系,通過式(5)和式(6)計(jì)算,得到以面波速度劃分隧道圍巖分類的標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

表1 隧道圍巖分類

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

隧道位于興安縣華江瑤族鄉(xiāng)旅游公路的K1+245～K1+790處,處于NE向白崖嶺逆斷層與油榨平正斷層之間。該隧道區(qū)地形起伏較大,屬低山地貌,植被較發(fā)育;覆蓋層主要為種植土和碎石,下伏基巖主要為奧陶系升平組砂巖,根據(jù)巖石風(fēng)化程度分為全—微風(fēng)化層。

物探測(cè)線沿著隧道中軸線布置,微動(dòng)探測(cè)選用“一”字型臺(tái)陣型式,頻率2 Hz,采樣率4 ms,采樣時(shí)間長(zhǎng)度20 min,最大邊長(zhǎng)100～150m,視現(xiàn)場(chǎng)情況而定,點(diǎn)距20～40 m。

3.2 成果分析

獲得微動(dòng)探測(cè)數(shù)據(jù)后,通過SWS PTRYScan軟件波源分離處理,提取頻散曲線,獲取場(chǎng)地卓越周期,通過反演獲得各層的厚度和面波速度,用CCSWSMAP軟件繪制面波等速線擬斷面圖。該隧道軸線的微動(dòng)探測(cè)的面波視速度等速線斷面圖見圖3,隧道軸線微動(dòng)探測(cè)解釋剖面見圖4。

圖3 隧道軸線微動(dòng)探測(cè)面波視速度等值線斷面圖

圖4 隧道軸線微動(dòng)探測(cè)解釋剖面圖

3.2.1 地層結(jié)構(gòu)

根據(jù)探測(cè)可知,場(chǎng)地主要分兩層:覆蓋層和基巖。覆蓋層主要為碎石土和坡積裙松散堆積層,厚度不均勻,一般在2～8 m范圍內(nèi),局部達(dá)15 m,其面波速度VR小于200 m/s;基巖為砂巖,其面波波速VR在200～2700 m/s之間,巖石風(fēng)化不均勻,其中,隧道進(jìn)口處面波速度VR在700～1200 m/s之間,巖性主要為強(qiáng)風(fēng)化砂巖;隧道出口處面波速度VR在200～700 m/s之間,巖性主要為全—強(qiáng)風(fēng)化砂巖。

3.2.2 隧道圍巖級(jí)別

根據(jù)微動(dòng)探測(cè)結(jié)果,隧道的圍巖級(jí)別劃分為Ⅲ～Ⅴ級(jí)。其中Ⅲ類分布在K1+491～K1+504和K1+629～K1+666段,Ⅳ類圍巖分布在K1+272～K1+491、K1+544～K1+590、K1+606～K1+629和K1+666～K1+745段,Ⅴ類圍巖分布在K1+245～K1+272、K1+590～K1+606和K1+741～K1+790段。

3.2.3 不良地質(zhì)

由圖3可見,在隧道軸線360 m處,速度等值線呈“U”字型,即存在明顯的低速異常,推測(cè)此處為F1破碎帶。該破碎帶處于隧道的K1+573～K1+614段,傾向隧道入口。

3.3 驗(yàn)證

通過鉆孔資料以及隧道施工驗(yàn)證,微動(dòng)探測(cè)分析成果與實(shí)際情況比較吻合。

4 結(jié)論

(1)微動(dòng)探測(cè)方法在劃分隧道的地層結(jié)構(gòu)有較理想效果,能適應(yīng)山地地形起伏的探測(cè)環(huán)境。

(2)微動(dòng)探測(cè)方法提取的頻散曲線具有明顯的分層特性,利用面波速度能很好地劃分地質(zhì)界面和基巖風(fēng)化程度分界面,從而劃分隧道圍巖的等級(jí),為進(jìn)一步施工提供地質(zhì)資料。

(3)微動(dòng)這種“無源”探測(cè)方法,在實(shí)際工作中,方便快捷,經(jīng)濟(jì)環(huán)保,突破場(chǎng)地地形限制,具有勘探深度大、地質(zhì)界面深度準(zhǔn)確等特點(diǎn)。