新型微動探測技術在砂卵石復合地層盾構隧道中的應用

張 雯,張 磊,朱尚明

(1.水電水利規劃設計總院,北京 100120;2.長江生態環保集團有限公司,湖北 武漢 430014;3.中電建鐵路建設投資集團有限公司,北京 100070)

地鐵作為城市交通的關鍵組成部分,是城市生活的重要支撐設施。地質勘察在地鐵建設中起著至關重要的作用,因為它直接關系到施工的安全性、進度和質量。隨著城市的持續發展,軌道交通網的密度也在不斷增加,地質勘察的手段也在不斷進步。然而,地鐵施工區域的復雜性也在逐步提高,例如,在成都地鐵建設中,盾構施工常常會面臨一系列的挑戰:密集的建筑群、含有豐富水分的砂石混合地層、復雜的地下管線等。在這種情況下,傳統的地質勘察方法,如鉆探和物理勘察,存在顯而易見的缺點和局限性[1-2]。首先,這些方法的抗干擾能力較弱,可能導致數據失真,因為它們受到場地條件的多重限制,檢測精度不高,可能會創建地質信息的盲區,從而引發建筑施工的安全隱患,導致經濟上的額外損失。同時,在當前可持續發展觀念的大背景下,對城市基礎設施的環保要求也在不斷加強。許多傳統的地質勘探方法可能對居民的生活和社會安全產生嚴重影響,并帶來巨大的經濟損失,如建筑物的破壞、地下管線的破裂、噪音和粉塵等。隨著技術的發展,微動傳感技術在現代城市軌道交通建設中得到了逐步的應用[3-4]。本文以成都軌道交通18號線盾構工程為案例,對微動探測技術進行深入研究,重點探討數據質量控制、觀測系統設計以及識別不良地質體的適應性改進等方面,并將新型微動技術應用于成都砂石復合地層盾構工程的地質勘察,取得了滿意的探測效果,為城市軌道交通建設中新型環保地質勘查技術的推廣和應用提供有力支持。

1 微動基本概念及原理

微動(micromotion)是指在地球表面持續存在的各種頻率的微弱振動。微動信號的發生主要分為兩類:一類是人的活動,一類是自然變動。包含體波與面波成分的微動訊號,在時間與空間上呈現不規則的特性,展現出極強的隨機性,但這些信號在一定的時間尺度下,都能表現出某種規律性。微動信號在傳播中通過多重反射和折射作用逐漸積累下地層的原始特征信息[5],因此,觀測點下面的地層結構信息可以通過收集微動信號來進行分析。

微動信號包含了很多信息,這些信息與它的來源、傳播模式、地層結構密切相關。一般來說,微動信號具有如下特性:① 包含有大量地層信息;② 地球表面存在于任一時空之內;③ 源的振幅、觸發時間、空間分布都是隨機的;④ 某一定點在一定時間內觀察,它的傳播方向是平均的。

2 微動探測技術

從信號屬性的角度理解,微動探測可以被視為一種寬泛的彈性波測量方式,它是地震勘探方法的一種形式[6]。然而,兩者之間還存在著明顯的區別。傳統的地震勘探方法使用可控的人工震源,并在信號的相位域內進行處理,而微動勘探不依賴人工震源的力量。微動勘探利用各種外部干擾來完全提取振動信號,如果震源位置相對于觀測點較遠(滿足遠場近似),那么微動信號中的面波成分將會占據主導地位。因此,利用面波傳播屬性來研究地表地層結構的彈性波探測方法,就是微動探測方法的實質。

2.1 信號特征曲線提取

頻散是面波在非均勻介質中傳播時傳播速度與頻率之間的關系。在微動探測中,頻散是面波的重要特性,也是該技術的理論基礎。通過獲取觀測點的面波頻散曲線,可以推測地層結構。研究表明,在地震反應中,橫波(S波)速度對淺表地層屬性變化的敏感性高于縱波(P波),因此微動探測技術通過反演S波速度結構來重建地層結構,特別適用于淺層結構的探測,尤其在地震工程領域。

微動信號是由時間和空間上高度隨機的波源和不同振動機制組成的復雜彈性波集合。除了主要的面波之外,微動信號還包含體波、散射波、繞射波等成分。為了提取面波頻散曲線,需要滿足微動信號在時間和空間上的平穩隨機性條件?？梢岳每臻g自相關系數法(SPAC法)從混合波集合中提取出面波的頻散曲線。在已確定臺陣半徑的情況下,可以通過公式(1)推導出面波相速度v與頻率f之間的關系,從而得到頻散曲線。

(1)

式中:C(f)為臺陣測得的空間自相關系數;J0為零階貝塞爾曲線;v(f)為頻率的面波對應的相速度;r為臺陣半徑。

2.2 淺地表結構重建

利用臺陣觀測資料,通過 SPAC 方法將面波頻散曲線從微動臺陣記錄資料中提取出來。我們對橫波(S波)速度Vs進行了反演,得到了S波速度的二維剖面,S波速度剖面是地質解釋的依據之一,是對地層巖性變化的客觀直觀反映。具體步驟:① 在地面設置地震儀進行臺陣觀測;② 在觀測點獲取微動原始信號,獲取空間自相關系數;③ 利用觀測得到的資料求取頻散曲線;④ 由頻散曲線反演并推導出臺陣下方淺地表地層構造[7-8]。根據圖1所示,獲得S波速度剖面。

圖1 微動法獲得S波速度剖面流程

3 新型微動觀測系統設計

根據微動理論,實際的空間自相關曲線只有在無限多的臺陣圓周節點上才能與理論曲線(零階貝塞爾曲線)完全一致。然而,在實際工程項目中,由于成本和施工效率的限制,無法將無限多個節點排列在圓周上。因此,在臺陣設計中選擇最佳節點數成為關鍵步驟,需要進行多個最優化分析。

在前期調查研究基礎上確定SPAC曲線的精確度、硬件成本投入和施工效率這3個關鍵變量。根據工程需求進行多元最優化分析。首先,我們比較SPAC曲線所得的不同圓型臺陣節點數。從圖2中可以清楚地看出,圓周內的節點數對SPAC曲線有顯著影響。當圓周上只有3個節點,即4個節點的臺陣時,所得到的SPAC曲線相關性較低,整體形態與標準的零階貝塞爾曲線有較大差異。4節點臺陣的穩定性和抗干擾能力較差,難以在復雜環境和瞬時非穩態噪音較多的情況下獲得高精度的SPAC曲線。隨著圓周上節點數量的增加, 7、8、9節點臺陣的SPAC曲線,無論是整體形態的精確度還是曲線的圓滑程度均表現出更高的精確度。這驗證了SPAC曲線的精確度隨著臺陣節點數目增加而不斷提高。

圖2 不同節點數臺陣SPAC曲線對比

在實際工程項目中,除了數據準確性外,造價投入和建設效益也是同樣重要的考慮因素。盡管增加更多的臺陣節點可以提高數據的準確性,但同時也意味著更高的成本投入和較低的建設效率。因此,在進行最優化分析時,需要綜合考慮這2個變量的影響。通過圖3節點數量與成本投入之間的函數關系以及施工效率的分析,當臺陣節點從4個增加到9個時, SPAC曲線的整體精確度呈現持續改善的趨勢。這可以大致分為2個區間:在節點數量從4～7之間,精確度明顯提高;而在超過7個節點后,精確度的提升相對較小。從施工效率方面來看,增加臺陣節點數量會增加布點所需的時間,導致施工效率降低。此外,內接多邊形所形成的形狀也會受到節點數量的影響。例如,對于4個節點和6個節點的臺陣,如果它們位于圓周上,分別形成3和5個結點,形成的內接多邊形不會有對角線從圓心穿過。這可能在儀器布設上帶來一些不便,因此施工效率和布點精度也會提高。

圖3 多節點最優分析曲線

綜合考慮了數據準確性、成本投入和施工效率后分析認為,7個節點的臺陣是較為理想的選擇。在保證SPAC曲線獲取準確性的前提下,在成本和施工效率的綜合考慮下,7個節點的臺陣是一個較為合適的選擇。

4 工程應用實例

4.1 工程概況

以成都地鐵 18 號線盾構工程某區段為例,探測區間總長 1.6 km,目標探測深度為 0～30 m。本項目盾構要穿越高富水砂卵石泥巖復合地層,其自穩性較差。上部為沙卵石占多數的地層,既有隨意分布的卵石,又有大量的砂石和水,滲水性較高;既有滲透力差、阻水能力強的下層泥巖層,也有橫向分布不均的多條弱帶,存在地質不良類型的可能。主要有如下影響:

(1) 地層空洞:S波速度、密度明顯小于圍巖,形成空洞的原因主要為人類工程活動因素(如盾構超方、管片封閉不嚴、地下管網滲漏等),地層空洞早期形成的尺寸往往較小,無法被各種地勘手段監測。

長江流域水庫群調度不僅技術要求高，而且協調各方利益的管理難度大。長江大型水庫建設和管理主體多，分別有流域機構、各級地方政府及水利部門、發電公司或者電網公司、河流開發公司等，如果沒有有效的管理體制和機制，水庫各自為政，必然會出現上下游水庫之間爭水，導致一些水庫蓄不滿水，或者蓄水時間集中在汛后1～2個月內，給長江流域整體利益帶來較大的不利影響。所以，要實現流域統一和協調的水庫群蓄水方案，必須建立起必要的管理體制，協調防洪、抗旱和生態調度與發電、航運、供水、灌溉等興利調度之間的關系。

(2) 高富水砂卵石復合地層:由于砂卵石地層結構相對疏松,含卵石較多,顆粒較大,相對來說單個卵石硬度較高,耐壓能力較強。這就造成了在盾構開鑿過程中,在盾構前方大量推擠卵石的同時,卵石的破碎效率低下,降低盾構開鑿速度,對土體干擾增大。卵石中間夾雜著大量的沙土,會從卵石縫隙中逐漸流到盾構中,造成土體過度挖掘,形成地層的險要空洞。

(3) 漂石:砂卵石地層中分布著分散不均、隨機性較大的漂石,如花崗巖、砂巖、石英砂巖等。

(4) 砂層透鏡體:根據以往成都同巖段鉆孔資料分析發現,砂層鏡面主要分布在中砂-粉細砂層之間,研究區域內砂層鏡面分布隨機、深淺不一。從以往對鉆孔砂層鏡面分布的統計結果來看,易導致盾構超挖、涌水涌沙、掘進面上塌陷、地層變形和地表沉降等現象,除個別區段外,砂層鏡面分布較為平均。

4.2 微動觀測系統設計

此次微動探測的觀測系統采用正六邊形圓形臺陣,其觀測半徑為 3 m。每個圓形臺陣由 6 臺置于六邊形頂點的地動儀和 1 臺位于圓心的地動儀組成。我們定義正六邊形頂點至圓心的距離為觀測半徑R。在探測的第一階段,我們將以圖4所示的 10 m開外的距離,逐點測量,形成一個二維剖面。

圖4 微動正六邊形臺陣觀測系統

4.3 儀器選擇

本次實施的微動測試采用了收集微動數據的 7 臺 EPS-2 便攜式微功耗寬波段地震儀(如圖5所示)。該設備內部集成了三重地震感應器,北斗+GPS模塊靈敏度高,電子指南針,體態感應器,ZIGBEE模塊,藍牙模塊,可充電鋰電池。連續工作 30 d以上,無需外接電源。對各觀測點數據進行獨立采集,測點間通過地震儀接收GPS 衛星信號,微動數據采樣率 500 Hz,自動實現同步和時間校正。

圖5 EPS-2便攜式微功耗寬波段地震儀

4.4 數據采集及處理

為了保證原始數據的質量,檢測臺陣會沿著盾構區之間的方向布置,需要按照以下要求進行數據采集:① 保證地震記錄器在保持穩定 GPS 信號的同時,電量和存儲卡容量充足,保證儀器完成時間校準和水平放置,才能進行數據采集。② 各點數據采集時間必須保證不少于 20 min,必須嚴格按照觀測系統中的地震記錄器陣列擺放。當有重大干擾源通過時,數據采集時間需要適當延長。③ 現場工程師為了進行數據采集,需要時刻監測信號燈的實時情況,保證地震記錄器處于工作狀態。④ 每日數據采集結束后,對當日采集數據進行一次核對,次日對數據質量不達標的點進行一次復查。⑤利用軟件對現場數據進行時域開窗,根據信號頻譜確定時窗寬度,選擇信號主周期 20～50 倍范圍。求信號振幅均值(STA)和全數據段在各時間窗口的平均值(LTA),通過STA/LTA 比值來衡量各時間窗口信號段相對見頂的程度。當訊號的比率超過 3 點時,通常會被認為需要在此視窗內刪除資料的短時間干擾。圖6為微動原始信號部分點位波形實測情況,圖中空白窗顯示的是干擾信號,需要排除。

圖6 數據開窗去噪部分點位微動原始信號波形

5 微動探測

采集到的微動原始數據通過處理后可獲得橫波(S波)速度剖面,對微動視S波速度剖面進行如下地質解釋。

5.1 世紀城站北段綜合地勘成果

圖7為錦城廣場～世紀城站區間左線(ZDK15+90至ZDK15+360段)微動解釋成果圖,圖中黑實線代表隧道洞體的邊線。

圖7 世紀城站北段左線(ZDK15+90至ZDK15+360段)綜合地勘成果

從微動的成果看,該段盾構掘進隧道設計范圍地層結構較為復雜,ZDK15+90至ZDK15+270段基本在泥巖層掘進,而泥巖層質地偏軟。在里程ZDK15+270至ZDK15+340段處橫波速度橫向變化明顯,為泥巖-卵石層復合地層,地層穩定性變差,危險系數較高,建議掘進過程中加強對該段的動態監控。

圖8為錦城廣場～世紀城區間右線(YDK15+50至YDK15+350段)微動解釋成果圖,圖中黑實線代表隧道洞體的邊線。

圖8 世紀城站北段右線(YDK15+50至YDK15+350段)綜合地勘成果

與同里程的左線區段相比,這一區段盾構掘進通道區間的橫波速度分布更為復雜,主要體現在以下兩點:

(1) 泥巖層不再呈現隧道平行方向均勻水平分布的情形,在YDK15+50至YDK15+90段、YDK15+245至YDK15+290段存在低速異常區、YDK15+300至YDK15+340段存在低速異常區,可能預測了強風化泥巖層。該段巖層穩定性極差,在防止崩塌、沉降等地質災害發生的建設過程中,應引起我們的高度重視,利用微動探測技術確定了該屬性巖層的分布范圍。

(2) 探測影響范圍內存在高速異常體,異常體中軸埋深約 8 m,其速度明顯高于圍巖,橫向連續性較好,厚度約1.5～1.8 m,且對成果剖面漸變趨勢有一定影響,經與甲方技術部多次論證后,在解釋工作期間進行了研究。認為該處對地下 DN1600 污水管結構的響應幾率較高,如圖9所示,建議做好該管線對施工影響的總體評價后再進行施工。

圖9 污水管與隧道縱斷面示意

在YDK15+150至YDK15+250段,盾構在穿越泥巖層和速度相對較低的卵石層、砂層時自下傾斜向上掘進,建議做好出渣量預算后再開始掘進,施工時要加強這一環節的監控。YDK15+250至YDK15+350段為穩定性較差的卵石層、砂層,盾構掘進時也需做好施工前參數論證及施工過程監控。

此外,還需注意的是,(YDK15+150)所處的隧道,由于存在全風化或強風化泥巖,其掘進通道中的泥巖層橫波速度低于圍巖,在詳細勘查階段查閱了甲方提供的打孔數據后,發現該位置沒有經過地勘打孔,造成數據不全,盾構機掘進前,建議在該地增設驗證鉆孔,以備掘進之需。

5.2 微動探測成果

通過微動探測技術,獲得了能夠準確反映測區內復雜地質情況的豐富地質信息和清晰細節的測區橫波(S 波)速度剖面,主要包括以下幾個方面:

(1)確定了復合地層巖性縱、橫向分布情況,較前期地質勘查所得的連井剖面更能反映真實地層復雜的結構特征;

(2)探明了盾構施工范圍內若干個穩定性極差的巖性軟弱帶及過渡帶等異常地質體;

(3)查明了施工范圍地層中存在的異常人工構筑物(DN1600污水管)的位置。

5.3 鉆孔驗證信息

根據微動探測成果,對于異常地段進行了補充鉆探,鉆孔結果證實實際巖土特征與微動探測特征基本一致,如表1所示。

表1 YDK15+65.50處鉆孔揭示巖土特征

6 結論

1) 在城市地鐵盾構施工中運用微動探測技術,是通過獲取高精度S波速度剖面,進而揭示高精度地層細節、提供豐富的地質信息,以指導地鐵盾構施工工作,降低不良地質對工程造成的影響。

2) 本文中的微動探測方案在砂卵石復合地層中的風化軟弱帶的識別和高速異常體的識別方面表現出較高的準確率和較好的適應性,表明其在探明隧道內特殊地質體方面有著良好的應用效果。

3) 微動探測技術抗干擾能力優異,無需人工震源,具有形式靈活、施工效率高等優勢,且屬于無損探測,不會對城市道路和基礎設施造成任何破壞,同時也不會產生灰塵和噪音,對城市交通和居民生活沒有帶來任何影響,這一新型環保地勘技術具有良好的推廣應用價值。