微動探測技術在盾構隧道超前地質預報中的應用

■王紹平

（福建省地質測繪院，福州 350011）

盾構法具有“高效、高質量、高效益”的優點，廣泛地用于城市軌道交通隧道施工，但是，盾構機在遇到孤石等不良地質時，易產生卡鉆、姿態失控等工程事故，因此，及時、有效地進行地質超前預報對盾構施工安全十分必要。 目前，超前地質預報的方法有限， 主要是因為受到盾構施工自身特點的限制，具體原因有：（1）由于盾構機頭占據了掌子面空間， 傳統隧道常用的超前地質預報方法無法實現；（2）盾構機為金屬機具，易導致地層電磁環境復雜，常用的電法探測效果不佳；（3）盾構機振動大，對傳統的地震波法影響大。 基于以上原因，本文嘗試將微動探測技術運用于盾構法的超前地質預報。 已有眾多的專家學者對微動探測技術進行研究和應用，取得了良好的效果[1-3]。 朱紅兵等[4]以福州濱海新城核心區為例，通過微動探測技術有效探測出研究區基巖埋深和地層結構，與區內搜集到的鉆孔資料吻合，效果顯著。 李兆祥等[5]以南京地區某地鐵線路區間為例， 通過布設雷達探測和微動探測綜合剖面，通過兩種方法相互驗證、相互補充，圈定出了地下空洞、松散地層等不良地質體。 何育才[6]針對某地鐵盾構區間的孤石， 聯合應用地質雷達探測技術與微動探測技術，準確、高效地探查出孤石的分布范圍及特征。 鐘立[7]結合城市地質條件，分析了常規物探方法存在的局限性，探究了微動勘探技術在城市地質工作中的應用。 楊代彬[8]通過微動勘探技術，對地鐵施工后道路路面進行快速檢測，快速查明了隧道上方因盾構施工造成的地下病害體（嚴重疏松、脫空與空洞），為后期治理提供了詳細的物探基礎資料。 廈門地區花崗巖巖面起伏大、差異風化嚴重，全～強風化中分布著無規則的孤石，易造成掌子面軟硬不均，盾構掘進存在較大的風險。 本文基于廈門某盾構隧道工程實例，嘗試采用微動探測技術探測孤石分布范圍。經鉆孔驗證，微動探測技術能夠用于盾構隧道超前地質預報，具有一定的實踐意義。

1 工程概況

擬選取的地鐵某盾構隧道位于主城區，全長1 215.5 m，沿城區主干道敷設，均為地下段，采用盾構法施工，單洞單線，盾構直徑約6.2 m，線間距約15 m，利用區間兩端的車站設置盾構始發（接收）井，無聯絡通道。 隧址區表層分布地層主要有素填土，從上而下依次為中粗砂、淤泥質土、全風化花崗巖、強風化花崗巖、中～微風化花崗巖，其中全～砂土狀強風化層厚約2.5～35.7 m，區間范圍內孤石分布密集，孤石綜合遇見率為48.6%，孤石極其發育。孤石主要為中～微風化花崗巖，其飽和抗壓強度在50.85～115.74 MPa，離散性較大。

圖1 工程平面位置

2 微動探測概況

2.1 地球物理特征

本區開展微動譜比法有較好的地球物理條件，測區內強風化和弱風化基巖的密度、速度、巖力學性質存在明顯差異，良好的物性分界為地球物理勘探提供了前提。 第四系覆蓋土層與基巖橫波速度和密度存在明顯差異。 由于地層差異的存在導致在不同測點位置出現不同的H/V 譜比曲線，通過對該曲線的反演即可獲得地下介質的速度分布情況，實現介質構造信息的探測；在實施過程中存在影響物探方法開展的不利條件，主要體現在：（1）在數據采集時不可避免地受到道路和周邊機械干擾的影響，使原始數據出現較為嚴重的飄移；（2）由于場地條件的限制，一定程度上限制了物理點的布置，導致其數據密度在空間上分布出現不均勻的情況。

2.2 探測方法原理

微動譜比法，利用單一測點獲得的H/V 譜比（頻率域水平分量與垂直分量的能量比）與地層中瑞利波橢圓率一致的特征，實現對淺層地質構造的勘探。1994 年，Yamanaka 最早開始用瑞利波橢圓率估計KANTO 盆地的深部結構；2000 年，Arai 提出了一種用三分量檢波器接收到的震動信號的水平向與豎直向的（H/V）譜比反演地下土層S 波速度剖面的方法。 實際工作中，微動譜比法按照“數據采集—預處理—譜比曲線計算—速度反演”的流程進行（圖2）。 首先，采集如圖2（a）所示的三分量檢波器進行數據采集，獲得如圖2（b）所示的長周期的（數十分鐘）三分量數據；其次，在進行H/V 譜比計算之前需要剔除短時干擾（如過往車輛）的影響，需要有效識別出短時干擾，超過閾值的部分視為干擾被舍棄， 低于閾值的部分視為穩態信號被采用；再次，在采集的數據中篩選穩定的數據段計算HV 譜比曲線，如圖2（c）所示；最后，通過反演技術計算該曲線對應的地質模型，從而獲得該測點下的速度分布，如圖2（d）所示。

圖2 微動譜比法流程圖

2.3 儀器設備

本項目涉及的設備信息如下：微動譜比法采用通用三分量低頻檢波器進行數據采集，采用重慶地質儀器廠生產的2 Hz 三分量拾震器（速度型；電壓輸出靈敏度≥2 V·cm/s），儀器設備均在計量檢定周期之內，并通過自主編寫軟件進行數據解編與信息提取，采集設備如圖3 所示。

圖3 微動譜比法現場數據采集示意圖

2.4 數據采集

測點布置采用南方靈銳S86RTK 進行，其基于CORS 系統的網絡差分技術、 實時差分方法完成各個勘探點的測量放點，測量誤差控制在厘米級。 基于CORS 的網絡差分技術能很好地解決通過GPS點校正的控制點的誤差問題，能很好地擬合放樣點的平面精度和高程精度，其網絡差分精度可達厘米級，測量時間僅2～4 s。 測點定位完成后，將設備安置于測點處進行調平操作，保證水平穩定后開始數據采集，本次數據采集采用10 ms 采樣間隔，記錄時長15 min，局部干擾較大區域采集時長增大至20 min。當天數據進行室內解編，對數據質量進行評估，對不滿足質量要求的數據次日進行重新采集。

2.5 質量評價

項目中兩種設備的數據采集均采用重慶地質儀器廠生產的2 Hz 三分量拾震器進行采集， 數據格式一致，實測數據如圖4 所示，從圖中可以看出波形穩定，沒有較為明顯的強干擾出現，采集數據質量滿足《鐵路工程物理勘探規范》（TB10013－2010）和《淺層地震勘查技術規范》（DZ/T0170－1997）對數據質量的要求。

圖4 ZDK26+690～26+890 段視S 波速剖面圖

3 成果分析

孤石是存在于風化層中的不均勻地質體，其粒徑、形態、分布位置無規律可循，微動探測是對地質條件實施的整體探測。 本文主要通過微動譜比探測技術，對盾構隧道范圍內的土、石界面及孤石等特殊地質體的分布特征進行探查，并且通過鉆探驗證了其設備及方法的合理、可靠性。 H/V 曲線的峰值曲線多以單峰或者雙峰的形態呈現，峰值出現的頻率整體偏低，孤石發育段表現為明顯的高速異常區， 尤其在殘積土或風化層厚度較大時，其高速異常表征愈加明顯。 由表1 可見，通過微動探測技術結合鉆孔驗證，微動異常區域遇孤石比例為54.5%。

表1 異常區域遇孤石比例

通過分析，微動探測技術在孤石探查中可靠性較高，對于粒徑大于3 m 的孤石，與周圍土體存在明顯的物性差異時，微動探測曲線的效果較佳。

4 微動探測技術應用

4.1 試驗段

為了更準確地辨別孤石的視S 波速特征，選取具有代表性段落作為試驗段，通過H/V 等值線圖與詳勘結果進行對比，得到孤石在地層中的視S 波速特征。

如圖4 所示，Z161～Z183 段隧道頂板標高為－12.1～－12.9 m，底板標高為－18.3～－19.1 m，隧道圍巖主要為殘積砂質黏性土、全風化花崗巖，局部為散體狀強風化花崗巖。該段H/V 曲線多以雙峰或多峰形態呈現， 在2.9～3.3 HZ 范圍內基本存在一次峰值，在3.0～3.3 HZ 范圍內基本存在一次峰值。 結合詳勘資料，該段基巖埋深較大，該段基巖位于隧道洞身底板以下，Z161～Z171、Z185～Z191 段地下孤石發育。根據H/V 曲線，視S 波速度在Z161～Z170、Z184～Z193 段表現為高速，而殘積砂質黏性土、全風化花崗巖表現為低速。 因此，通過試驗可以得出，孤石的視S 波速度表現為高速，土層表現為低速。 高速異常區有：Z161～Z171、Z177～Z178、Z184～Z193、Z194～Z195、Z199～Z201。 針 對 異 常 點Z163、Z164、Z166、Z168、Z170、Z173、Z177、Z184、Z186、Z189、Z192、Z195、Z199 開 展 鉆 探 驗 證， 其 中，Z163、Z168 及Z186 附近詳勘已揭示孤石， 經驗證發現：Z164 在18.3～19.7 m 和20.8～21.6 m 揭示孤石，Z166 經爆破處理發現在18.3～23.1 揭示孤石，Z177 在18.6～19.8 m 揭示孤石，Z189 在17.9～18.7 m 揭示 孤石，Z170 及Z173 未 揭 示 到 孤 石，Z184、Z192、Z195 及Z199 未揭示到孤石。

4.2 ZDK26+290～26+490 段

如圖5 所示，Z81～Z98 段隧道頂板標高－10.1～－11.3m，底板標高－16.3～－17.5m，隧道圍巖主要為殘積砂質黏性土與全風化花崗巖。 高速異常區有：Z82～Z89、Z99～Z110、Z111～Z112、Z113～Z121。 針對異常點Z84、Z86、Z87、Z95、Z100、Z103、Z104、Z111、Z115 開展鉆探驗證，其中，Z84、Z86 及Z87 附近詳勘已揭示孤石，經驗證發現：Z95 在9.4～9.8 揭示孤石，Z100 和Z115 分別在18.1～20.3 m 和19.3～20.8 m揭示孤石，Z103、Z104 和Z111 未揭示到孤石。

圖5 ZDK26+290～26+490 段視S 波速剖面圖

4.3 ZDK26+490～26+690 段

如圖6 所示，Z121～Z141 段隧道頂板標高－11.3～－12.1 m，底板標高－17.0～－18.3 m，隧道圍巖主要為殘積砂質黏性土、 全風化花崗巖，局部為散體狀強風化花崗巖。 高速異常區有：Z82～Z89、Z90～Z92、Z99～Z110、Z111～Z112、Z113～Z121。針對異常點Z124、Z126、Z127、Z129、Z132、Z136、Z138、Z143、Z145、Z146、Z149、Z151、Z158 開 展 鉆探驗證，其中，Z124、Z126 及Z127 附近詳勘已揭示孤石， 經驗證發現：Z129 在16.2～19.7 m 揭示孤 石，Z132 在17.4～18.3 m 揭 示 孤 石，Z145 和Z146 分 別 在10.2～10.7 m 和11.6～12.0 m 均 揭示孤石，Z136、Z138、Z143、Z149、Z151、Z158 未揭示到孤石。

圖6 ZDK26+490～26+690 段視S 波速剖面圖

4.4 ZDK26+890～27+105 段

如圖7 所示，Z201～Z224 段隧道頂板標高－12.9～－13.7 m，底板標高－19.1～－19.9m，隧道圍巖主要為殘積砂質黏性土、全風化花崗巖，局部為散體狀強風化花崗巖。 高速異常區有：Z201～Z202、Z203～Z214、Z215～Z218、Z219～Z224。 針對異常點Z202、Z211、Z213、Z216、Z220、Z222、Z224、Z239、Z242 開展鉆探驗證，經驗證發現：Z202 在11.4～11.6 m 和10.6～12.8 m 揭 示 到 孤 石，Z216 在18.0～19.3 揭 示孤石，Z239 與Z242 分別在18.7～21.0 m 與18.3～21.0 m 揭示孤石，Z211、Z213、Z220、Z222 及Z224未揭示到孤石。

圖7 ZDK26+890～27+105 段視S 波速剖面圖

5 結論

本文結合廈門某地鐵盾構隧道，嘗試將微動探測技術用于超前地質預報，并經過鉆孔驗證，得出如下結論：（1）針對盾構隧道孤石分布無規律的特征，采用微動探測技術，充分查明了孤石的發育特征，并通過鉆孔進行了驗證，為采取施工措施奠定了基礎；（2）采用微動探測技術用于盾構隧道超前地質預報，異常區域通過鉆孔驗證見孤石比例約為54.5%，微動探測技術得到的孤石分布區域較實際大；（3）微動探測成果中H/V 曲線的峰值曲線多以單峰或者雙峰的形態呈現，峰值出現的頻率整體偏低，孤石發育段表現為明顯的高速異常區，尤其在殘積土或風化層厚度較大時，其高速異常表征愈加明顯；（4）微動探測技術可用于盾構隧道的超前地質預報，但是建議采用鉆孔的方法進行驗證，以明確孤石等不利條件在H/V 曲線的表現形態。