摘要 為探索微動(dòng)勘探技術(shù)在隧道工程風(fēng)化層勘察中的可行性，文章在分析微動(dòng)勘探技術(shù)原理及野外工作方法的基礎(chǔ)上，以某巖土體表現(xiàn)出明顯風(fēng)化特征的公路隧道工程為例，對(duì)實(shí)施微動(dòng)探測(cè)的基本條件進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)測(cè)線(xiàn)布置、探測(cè)儀器選用、臺(tái)陣布置及探測(cè)步驟展開(kāi)分析探討；對(duì)微動(dòng)勘探結(jié)果、鉆孔取芯結(jié)果及工程地質(zhì)勘察資料等進(jìn)行比較。結(jié)果表明，公路隧道隧址區(qū)風(fēng)化層微動(dòng)勘探結(jié)果、鉆孔驗(yàn)證結(jié)果與地勘資料完全吻合；微動(dòng)勘探無(wú)損檢測(cè)施測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)采集及處理快速，測(cè)值精度高，對(duì)于公路隧道工程地質(zhì)勘測(cè)十分適用。

關(guān)鍵詞 隧道；風(fēng)化層；地質(zhì)勘察；微動(dòng)勘探

中圖分類(lèi)號(hào) P631文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）23-0107-04

0 引言

公路隧道工程中淺層巖土體勘察是保證隧道掘進(jìn)施工安全的前提。淺層巖土體中的風(fēng)化層膠結(jié)性和完整性差，巖質(zhì)軟弱，缺乏必要的巖土體穩(wěn)定性能，同時(shí)也面臨嚴(yán)重的安全隱患。如果不注重掘進(jìn)施工支護(hù)或是所確定出的支護(hù)方案及措施缺乏合理性，必然造成圍巖大面積失穩(wěn)坍塌、突泥、冒頂。當(dāng)前，通常采用物探和鉆探結(jié)合工藝展開(kāi)風(fēng)化層探測(cè)，單一物探技術(shù)必然存在局限，很難取得理想的探測(cè)效果；常規(guī)探測(cè)方法同時(shí)受到勘探深度局限，無(wú)法大尺度展開(kāi)。

微動(dòng)探測(cè)技術(shù)近年來(lái)在河道治理、溶洞探測(cè)、采空區(qū)識(shí)別、地下孤石探明等方面得到較為成功的應(yīng)用，但在地層界線(xiàn)探測(cè)中仍處于嘗試階段。微動(dòng)勘探技術(shù)隸屬于地震理論，施測(cè)原理和過(guò)程與瞬態(tài)面波技術(shù)較為接近。瞬態(tài)面波在波阻抗存在且地球物理勘探條件具備的砂泥巖地層風(fēng)化層中已經(jīng)得到成功應(yīng)用，可為微動(dòng)探勘技術(shù)應(yīng)用提供借鑒。也就是說(shuō)，在地層界線(xiàn)勘探中應(yīng)用微動(dòng)勘探技術(shù)具有理論上的可行性。

基于此，該文依托公路隧道工程實(shí)際，對(duì)微動(dòng)勘探技術(shù)在隧址區(qū)軟弱巖土層界線(xiàn)探測(cè)中的應(yīng)用展開(kāi)分析探討，為公路隧道工程微動(dòng)勘探積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 微動(dòng)勘探技術(shù)原理

1.1 探測(cè)原理

地震引發(fā)的噪聲及地層脈動(dòng)均屬于微動(dòng)，微動(dòng)勘探技術(shù)通常對(duì)面波和體波組合而成的復(fù)雜振動(dòng)展開(kāi)探測(cè)^[1-4]。在地層結(jié)構(gòu)內(nèi)部原因及人類(lèi)活動(dòng)等外界因素的綜合影響下，地層結(jié)構(gòu)中必然面臨振頻在0～20 Hz的系統(tǒng)性振動(dòng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)此種類(lèi)型的微動(dòng)，必然可以間接掌握相應(yīng)區(qū)域地下巖土體的地球物理特征。

1.2 繪制相速度頻散曲線(xiàn)

借助統(tǒng)計(jì)學(xué)原理及傅里葉變換將所獲取到的初始微動(dòng)信號(hào)重新輸入頻率域，這一流程內(nèi)，探測(cè)中心點(diǎn)位與圓周任意點(diǎn)之間用此種思路推求到空間自相關(guān)系數(shù)相對(duì)應(yīng)的頻率域按照以下公式^[5-8]表示：

式中，ρ（ω，r）——空間自相關(guān)系數(shù)頻率域；S_A（r，ω）——微動(dòng)信號(hào)臺(tái)陣采集中心點(diǎn)傅里葉變換函數(shù)值；S₀（ω）——微動(dòng)信號(hào)圓周任一點(diǎn)傅里葉變換函數(shù)值；S^*_A（r，ω）——微動(dòng)信號(hào)臺(tái)陣采集中心點(diǎn)共軛復(fù)數(shù)；S^*₀（ω）——微動(dòng)信號(hào)圓周任一點(diǎn)共軛復(fù)數(shù)；J₀——零階貝塞爾函數(shù)；c（ f ）——地震引發(fā)噪聲及地層脈動(dòng)等微動(dòng)方面面波對(duì)應(yīng)的相速度（m/s）；f——地層結(jié)構(gòu)中因各種原因引發(fā)的微動(dòng)頻率（Hz）；r——微動(dòng)勘探臺(tái)陣設(shè)計(jì)半徑（m）。

根據(jù)以上思路來(lái)看，依托貝塞爾函數(shù)全面展開(kāi)對(duì)地層結(jié)構(gòu)中微動(dòng)振頻的計(jì)算以推求不同頻率相速度，并據(jù)此應(yīng)用相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果繪制微動(dòng)信號(hào)頻散曲線(xiàn)；在此基礎(chǔ)上對(duì)相關(guān)資料信息進(jìn)行反演處理，同時(shí)借助波阻抗理論值和實(shí)測(cè)值之差計(jì)算橫波實(shí)際傳播速度。

1.3 微動(dòng)提取H/V譜

具體而言，在微動(dòng)勘探過(guò)程實(shí)施時(shí)，主要借助三分量拾振器對(duì)所可能涉及的微動(dòng)信號(hào)展開(kāi)實(shí)地量測(cè)與采集，相應(yīng)得出分量垂直值與水平值相應(yīng)頻譜的取值比；采用適用的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析技術(shù)展開(kāi)參數(shù)反演；為避免迭代發(fā)散，還應(yīng)在反演過(guò)程中采用最大似然估計(jì)^[3]。水平層狀介質(zhì)的微動(dòng)面波H/V譜定義如下：

式中，（H/V）_m（ω）——頻率為ω的微動(dòng)面波H/V譜；P_NS（ω）、P_EW（ω）——處于正交狀態(tài)的水平運(yùn)動(dòng)傅里葉功率譜；P_UD（ω）——處于正交狀態(tài)的垂直運(yùn)動(dòng)傅里葉功率譜。

頻率為ω的傅里葉功率譜按下式確定：

式中，P（ω）——頻率為ω的傅里葉功率譜；L——并不具備重疊屬性特征的資料段落對(duì)應(yīng)的數(shù)量；S_Xl（ω）——運(yùn)動(dòng)方向主要以X向?yàn)橹鞯牡趌個(gè)資料段展開(kāi)微動(dòng)處理時(shí)所對(duì)應(yīng)的傅里葉函數(shù)。

1.4 野外施測(cè)過(guò)程

結(jié)合此前對(duì)探測(cè)技術(shù)原理的分析，探測(cè)目的是影響微動(dòng)勘探過(guò)程、方法及結(jié)果的主要方面，從操作層面看，可以展開(kāi)單點(diǎn)觀測(cè)，也可以直接進(jìn)行剖面觀測(cè)，施測(cè)原理、工作思路均大同小異。在展開(kāi)具體的施測(cè)和勘察時(shí)，單點(diǎn)觀測(cè)這種技術(shù)和方法更具有普遍適用性，也有利于將取得到的觀測(cè)資料串連為剖面數(shù)據(jù)。微動(dòng)單點(diǎn)勘探在具體操作和展開(kāi)時(shí)觀測(cè)臺(tái)陣布置形式如圖1所示。其中，按照施測(cè)目的和便于展開(kāi)方面的要求，順時(shí)針布置6臺(tái)儀器，分別為S1（在圓心處）、S2、S3、S4、S5、S6，其余均布置在圓周；圓心與周?chē)g的距離按照1.5～3 m控制。

在具體實(shí)施微動(dòng)勘探操作期間，不同儀器之間數(shù)據(jù)的采集、收集、傳輸和處理均必須保持高度一致。單點(diǎn)觀測(cè)工作方法下單次觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)應(yīng)控制在12～20 min以?xún)?nèi)。

2 工程概況

某公路隧道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為7.9 km，隧址區(qū)地下主要的地層為殘坡積層粉質(zhì)黏土，考慮此類(lèi)由黏土為主、歷經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間所形成的半成巖材質(zhì)軟弱，膠結(jié)性不良，同時(shí)具有較大孔隙比，遇水后快速失穩(wěn)，此種情況下遭到開(kāi)挖、振動(dòng)等擾動(dòng)后會(huì)相應(yīng)表現(xiàn)出崩潰、突泥、破碎等結(jié)果，對(duì)隧道施工安全及穩(wěn)定極為不利。為此，必須結(jié)合地勘技術(shù)，全面查明隧址區(qū)地質(zhì)條件及巖土體分化層分布，為隧道開(kāi)挖提供可靠依據(jù)。

應(yīng)用物探方法展開(kāi)隧址區(qū)地質(zhì)界面探測(cè)時(shí)要求一定的物性差異存在。風(fēng)化程度越高的巖土體破碎度及節(jié)理裂隙發(fā)育程度均越高，波阻抗差異也比微風(fēng)化、中風(fēng)化巖土體大。按照這一思路并結(jié)合前期勘察成果，得出該公路隧道隧址場(chǎng)區(qū)內(nèi)巖土體介質(zhì)物性取值情況，具體見(jiàn)表1。從這種實(shí)地勘測(cè)結(jié)果得到，對(duì)相應(yīng)待考察和探測(cè)的場(chǎng)地，巖土風(fēng)化層和土石兩個(gè)明顯分層間波阻抗值表現(xiàn)出十分懸殊的不同，物性迥然且明顯可分辨，十分適用于展開(kāi)微動(dòng)探測(cè)。

結(jié)合工程實(shí)際，采用前述提出的設(shè)置圓形臺(tái)陣以展開(kāi)隧道風(fēng)化巖土體微動(dòng)探測(cè)的思路進(jìn)行測(cè)試操作并收集數(shù)據(jù)，同時(shí)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和空間自相關(guān)提取頻散數(shù)據(jù)，最后綜合以上結(jié)果對(duì)速度參數(shù)展開(kāi)反推^[9-10]。

3 施測(cè)過(guò)程及結(jié)果

3.1 測(cè)線(xiàn)布置及觀測(cè)儀器

在展開(kāi)公路隧道風(fēng)化層勘察前，沿隧道左幅樁號(hào)ZK19+100～ZK19+760軸線(xiàn)布設(shè)1條縱向測(cè)線(xiàn)，標(biāo)為Ⅰ-Ⅰ線(xiàn)；在左幅樁號(hào)ZK19+670處布設(shè)1條與縱向測(cè)線(xiàn)垂直的橫測(cè)線(xiàn)，標(biāo)為Ⅱ-Ⅱ；在左幅樁號(hào)ZK19+395右側(cè)和ZK19+665右側(cè)布設(shè)2處驗(yàn)證孔，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

此次勘察主要采用中國(guó)地震局地球物理勘探中心提供的微動(dòng)觀測(cè)儀，微動(dòng)信號(hào)觀測(cè)、數(shù)據(jù)采集主要采用CMG-3ESPC型寬頻帶地震計(jì)和REFTEK 72-08A型數(shù)據(jù)采集記錄器。其中，地震計(jì)采用速度型三分量記錄方式，頻帶30～50 Hz，使用48 mA電源，靈敏度達(dá)到2×1 000 V/（m/s）；動(dòng)態(tài)范圍在145 dB以上。數(shù)據(jù)采集記錄器采樣頻率為1 Hz、5 Hz、10 Hz、20 Hz、25 Hz、40 Hz、100 Hz、125 Hz、200 Hz、250 Hz、500 Hz、1 000 Hz；A/D轉(zhuǎn)換為24位，采用GPS自動(dòng)時(shí)間校正；可記錄通道為3道或6道。

單套微動(dòng)觀測(cè)儀包括地震計(jì)、GPS時(shí)鐘、信號(hào)采集器、直流電池、電纜等設(shè)備及部件，構(gòu)成情況見(jiàn)圖2。

3.2 臺(tái)陣布置

考慮具體布設(shè)方法中三重圓的抗干擾能力比其余方式均優(yōu)異，其各個(gè)臺(tái)站也主要布設(shè)在不同的方向和位置，故所對(duì)應(yīng)的施測(cè)范圍中必定相關(guān)性良好。因此，該公路隧道風(fēng)化層微動(dòng)勘察中采用三重圓形測(cè)試臺(tái)陣，微動(dòng)測(cè)量深度可以達(dá)到3～5R（R為觀測(cè)半徑）。臺(tái)陣布置情況見(jiàn)圖3，圖中數(shù)字表示臺(tái)站。該微動(dòng)臺(tái)陣主要包括10個(gè)測(cè)試頻率為2 Hz的檢波器，臺(tái)陣觀測(cè)半徑主要有R₁=12.5 m，R₂=20 m，R₃=50 m三個(gè)相應(yīng)的情境，其中，R₁為2、3、4臺(tái)站所處圓圈的內(nèi)徑，R₂為5、7、9臺(tái)站所處圓圈的內(nèi)徑，R₃為6、8、10臺(tái)站所處圓圈的內(nèi)徑。

3.3 探測(cè)步驟

安排人工使用合理工具將施測(cè)設(shè)備放置點(diǎn)所在區(qū)域及周?chē)蓴_信號(hào)收發(fā)的雜草和高大樹(shù)枝全部清除，粗平和碾壓設(shè)備放置區(qū)域的地面土體；此后，按照施測(cè)方案和儀器布設(shè)說(shuō)明展開(kāi)布置；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和施測(cè)要求進(jìn)行設(shè)備連接情況檢查，調(diào)檢相關(guān)性能，確保各項(xiàng)儀器能夠展開(kāi)同步、精確、高效地?cái)?shù)據(jù)采集。在以上施測(cè)過(guò)程全部結(jié)束后，必須將所獲取的各類(lèi)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行粗篩、預(yù)處理，結(jié)合微動(dòng)勘測(cè)技術(shù)原理和工程要求，推算功率譜，同時(shí)大致估計(jì)頻散曲線(xiàn)走勢(shì)及形狀，展開(kāi)地質(zhì)結(jié)果的反演，從而為得到精確勘探結(jié)果提供保證。

3.4 微動(dòng)勘探數(shù)據(jù)處理

為保證各類(lèi)有用信息均得到充分利用，在探測(cè)數(shù)據(jù)處理期間更注重屬性參數(shù)處理，據(jù)此提升結(jié)果的解釋精度。

首先，展開(kāi)探測(cè)數(shù)據(jù)解釋和編譯，也就是根據(jù)所獲取的總信號(hào)信息，篩選并初步提取各相應(yīng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的系列信號(hào)束；在依據(jù)測(cè)試原理構(gòu)建觀測(cè)系統(tǒng)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)數(shù)據(jù)容量將測(cè)試信號(hào)切分成相應(yīng)區(qū)段，剔除其中干擾強(qiáng)、噪聲大的數(shù)據(jù)。采用統(tǒng)計(jì)學(xué)技術(shù)提取自相關(guān)系數(shù)曲線(xiàn)以及測(cè)試結(jié)果面波相速度頻散曲線(xiàn)；傳統(tǒng)思路所依托的面波探測(cè)在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中更傾向于借助半波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)頻率相關(guān)參數(shù)屬性和取值向深度參數(shù)屬性和取值的轉(zhuǎn)變。根據(jù)以上處理過(guò)程結(jié)束后所取得的頻率—深度模型展開(kāi)頻散曲線(xiàn)頻率參數(shù)以及深度參數(shù)的數(shù)值轉(zhuǎn)換^[11-13]，有效提升勘測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)工程實(shí)際地質(zhì)條件的解釋力度。最后，根據(jù)所繪制出的測(cè)點(diǎn)曲線(xiàn)和等值線(xiàn)圖件，結(jié)合地質(zhì)鉆探、測(cè)繪等結(jié)果，展開(kāi)待測(cè)剖面綜合解釋分析，以得出合理可靠的隧址區(qū)巖土體地質(zhì)條件解釋結(jié)果。

3.5 勘探結(jié)果分析

3.5.1 微動(dòng)勘探結(jié)果

結(jié)合反演結(jié)果中波速取值，將該公路隧道隧址區(qū)巖土層由上至下分成覆蓋層（波速在250～500 m/s之間）、強(qiáng)風(fēng)化半成巖層（波速在500～750 m/s之間）、中風(fēng)化半成巖層（波速≥750 m/s）。根據(jù)探測(cè)結(jié)果，該隧道左幅樁號(hào)ZK19+100～ZK19+760段橫波速度具有較好的成層性，巖性界面也存在明顯的波動(dòng)與起伏，根據(jù)勘測(cè)結(jié)果解譯分成4個(gè)速度層；左幅樁號(hào)ZK19+665左側(cè)100 m～樁號(hào)ZK19+665右側(cè)100 m段橫波波速也具有良好成層性，巖性界面起伏特征明顯，解譯分成4個(gè)速度層，見(jiàn)表2。根據(jù)表中結(jié)果，微動(dòng)勘探地層結(jié)果與工程地質(zhì)資料基本吻合。

3.5.2 鉆孔驗(yàn)證

在該隧道隧址區(qū)風(fēng)化層微動(dòng)勘探的同時(shí)，設(shè)置兩個(gè)鉆孔BZK1和BZK2展開(kāi)微動(dòng)勘探結(jié)果驗(yàn)證。鉆孔探測(cè)結(jié)果與微動(dòng)勘探結(jié)果、工程地質(zhì)勘查資料均吻合，說(shuō)明微動(dòng)勘探技術(shù)對(duì)于地質(zhì)界面探測(cè)十分適用，測(cè)值分辨率及可靠性均有保證。

4 結(jié)論

工程應(yīng)用結(jié)果表明，微動(dòng)勘探技術(shù)應(yīng)用于公路隧道工程隧址區(qū)風(fēng)化層巖土體勘察中，取得了較為理想的勘測(cè)結(jié)果，有效克服了地球物理勘探等技術(shù)施測(cè)過(guò)程復(fù)雜、對(duì)技術(shù)人員要求高等劣勢(shì)。此類(lèi)地質(zhì)情況及分布結(jié)構(gòu)勘探技術(shù)所涉及參數(shù)多，相應(yīng)的參數(shù)關(guān)系梳理及數(shù)據(jù)處理能力較優(yōu)，同時(shí)可以展開(kāi)巖土地層結(jié)構(gòu)的合理劃分，較好保證勘測(cè)結(jié)果的取值精確程度。該隧道隧址處巖土體測(cè)區(qū)橫波速度分層特性明顯，有利于地質(zhì)界面及基巖風(fēng)化分界面準(zhǔn)確劃分，足以表明該文所采用的勘探技術(shù)具有其余探測(cè)技術(shù)所不具備的施測(cè)深度大、對(duì)具體地層模糊地質(zhì)界面能進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)、能準(zhǔn)確清晰辨認(rèn)出具體巖土層分布形態(tài)和起伏形態(tài)等優(yōu)勢(shì)，能夠取得事半功倍的效果，提升勘探測(cè)值精度。

參考文獻(xiàn)

[1]田寶卿， 丁志峰. 微動(dòng)探測(cè)方法研究進(jìn)展與展望[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展， 2021（3）： 1306-1316.

[2]劉志清， 趙振國(guó)， 李添才， 等. 山區(qū)公路微動(dòng)探測(cè)方法應(yīng)用試驗(yàn)研究[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展， 2023（2）： 823-831.

[3]王成龍， 楊雪娟. 微動(dòng)探測(cè)技術(shù)在城市道路隱伏巖溶勘察中的應(yīng)用[J]. 當(dāng)代化工研究， 2023（18）： 101-103.

[4]蔣向軍. 微動(dòng)與高密度電法在城市巖溶地質(zhì)勘察中的應(yīng)用[J]. 鐵道建筑技術(shù)， 2023（2）： 195-199.

[5]何育才. 地質(zhì)雷達(dá)和微動(dòng)探測(cè)技術(shù)在地鐵隧道區(qū)間孤石探測(cè)中的聯(lián)合運(yùn)用研究[J]. 低碳世界， 2022（12）： 130-132.

[6]馮坤偉， 梁培峰. 微動(dòng)勘探技術(shù)在隧道深厚風(fēng)化層勘察中的應(yīng)用[J]. 公路交通技術(shù)， 2021（2）： 95-100.

[7]王博生， 黃勇博. 工程物探技術(shù)在高速公路工程勘查中的應(yīng)用研究[J]. 工程技術(shù)研究， 2019（7）： 76-77.

[8]郭利君. 微動(dòng)勘探技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)金屬通報(bào)， 2020（5）： 172-173.

[9]殷勇， 吳明和. 微動(dòng)勘探技術(shù)在建筑巖土工程勘察中應(yīng)用研究[J]. 福建建筑， 2018（10）： 63-68.

[10]耿淑瑩. 微動(dòng)勘探技術(shù)在城市地質(zhì)及地?zé)峥辈熘械膽?yīng)用[J]. 勘察科學(xué)技術(shù)， 2022（5）： 47-51.

[11]賈玉馥， 韓衛(wèi)平. 論公路隧道工程的地質(zhì)勘探技術(shù)[J]. 中國(guó)建設(shè)信息， 2010（15）： 88-89.

[12]高芳芳. 復(fù)雜地質(zhì)條件下公路隧道工程地質(zhì)勘探技術(shù)分析[J]. 四川水泥， 2020（6）： 30.

[13]李明. 微動(dòng)法在隧道工程勘察項(xiàng)目中的應(yīng)用[J]. 河南科技， 2021（35）： 86-88.

收稿日期：2023-10-22

作者簡(jiǎn)介：李文彪（1975—），男，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，注冊(cè)土木工程師（巖土），從事公路、水運(yùn)工程的巖土勘察設(shè)計(jì)等工作。