馮坤偉，梁培峰

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴陽 550009)

淺層巖土風(fēng)化分層是隧道工程勘察中一項(xiàng)重要工作，其結(jié)果直接影響隧道后期掘進(jìn)施工的安全性與經(jīng)濟(jì)性。淺層風(fēng)化層結(jié)構(gòu)疏松，極易在邊坡地區(qū)形成大量的原生與次生結(jié)構(gòu)面，這類巖土體完整性差、膠結(jié)差、巖質(zhì)極軟、孔隙比大、易飽水且失水干裂、圍巖自穩(wěn)性極差，施工安全隱患大。若隧道掘進(jìn)面處于風(fēng)化層上，支護(hù)不及時(shí)、支護(hù)強(qiáng)度不足時(shí)，圍巖極易發(fā)生突發(fā)性大面積坍塌、管涌、流土、流沙、涌水、突泥、冒頂?shù)任：ΑＲ虼?，在施工前需先查明不同風(fēng)化層厚度，才能采用相應(yīng)的掘進(jìn)及支護(hù)方式。

風(fēng)化層分界面的探測(cè)多采用鉆探和物探相結(jié)合的方法。常用的物探方法有地質(zhì)雷達(dá)、激電法和瞬態(tài)面波法等。為克服單一物探方法的局限性，一般綜合采用淺層地震法、瞬態(tài)面波法、大地電磁法和高密度電法等綜合解釋地質(zhì)結(jié)構(gòu)分層。盡管如此，在砂泥巖地層中，由于砂泥巖電阻率與地表覆蓋層接近，且砂泥巖地層含水率較高，導(dǎo)致不同界面的電性參數(shù)差異不大，采用常規(guī)電法與電磁法往往探測(cè)效果不理想，而主動(dòng)源地震法勘探深度有限，上述方法不宜開展大尺度的地質(zhì)界面探測(cè)工作，而鉆探法成本高，周期長(zhǎng)，且無法探明整個(gè)區(qū)域地質(zhì)情況。

近年來，微動(dòng)儀器設(shè)備技術(shù)、采集技術(shù)、軟件處理技術(shù)[1-4]突飛猛進(jìn)，在城市地下孤石、古河道暗浜、人防設(shè)施、溶洞、煤礦采空區(qū)等勘察[5-8]工作中取得了較好的勘探效果。目前將微動(dòng)技術(shù)應(yīng)用在地層界線的探測(cè)則較少，徐興倩等[9]利用微動(dòng)勘察法確定的滑坡潛在滑動(dòng)面起伏形態(tài)清晰可見，探測(cè)結(jié)果與鉆孔資料相吻合；張若晗等[10]將微動(dòng)技術(shù)譜比法應(yīng)用在土石界面探測(cè)中，取得了良好的效果。由于微動(dòng)技術(shù)基于地震理論，類似于瞬態(tài)面波技術(shù)，且在砂泥巖地層風(fēng)化層存在波阻抗，具備地球物理探測(cè)條件，主動(dòng)源瞬態(tài)面波技術(shù)應(yīng)用在風(fēng)化層探測(cè)中已有成功的應(yīng)用[11]，因此將其應(yīng)用在地層界線探測(cè)中理論與實(shí)踐均具有可行性。本文借助于工程勘察實(shí)例，采用微動(dòng)新技術(shù)對(duì)隧道軸線及其附近范圍內(nèi)進(jìn)行探測(cè)，結(jié)合少量鉆孔進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，最終得到隧道區(qū)內(nèi)的地層分界線，為類似工程應(yīng)用該方法提供參考。

1 地質(zhì)條件及工作方法

本項(xiàng)目為云南省境內(nèi)某高速公路王家寨隧道，全長(zhǎng)8 km。場(chǎng)區(qū)覆蓋層為殘坡積層(Qel+dl)粉質(zhì)粘土，下伏基巖為上第三系(N1)砂巖夾粘土巖(半成巖)、印支期(γ51(b))二長(zhǎng)花崗巖、古生代變質(zhì)地層瀾滄群的石英片巖、變粒巖。由于半成巖砂巖具膠結(jié)差，巖質(zhì)極軟、孔隙比大、飽和度高、失水干裂、水穩(wěn)性差，受擾動(dòng)易發(fā)生潰砂、流土、突泥涌砂破壞等特點(diǎn)，需要查明隧道穿過區(qū)域內(nèi)巖體風(fēng)化層分布情況，為隧道設(shè)計(jì)施工提供工程地質(zhì)資料。

1.1 區(qū)域地質(zhì)條件

項(xiàng)目區(qū)域?qū)贋憸娼迶鄮А?chǎng)區(qū)發(fā)育有斷層F1及斷層F1-1，均為非活動(dòng)性斷層。F1在地表與路線大角度交于ZK24+880(K24+840)里程處，該斷層屬于勐庫—雙江斷裂的次級(jí)斷裂，為逆斷層，斷層面傾向320°，傾角60°，斷層兩盤巖性均為三疊紀(jì)侵入巖相(γ51(b))二長(zhǎng)花崗巖。進(jìn)口段位于斷層下盤，N1巖層產(chǎn)狀為50°∠18°。F1-1地表與路線大角度交匯于ZK23+840(K23+840)處，與斜井相交于XJK0+583處，為F1斷層的次生斷層，該斷層走向北北東向，斷層面傾向120°，傾角70°，斷層上盤巖性為第三系半成巖，巖層綜合產(chǎn)狀120°∠4°～8°；斷層下盤巖性均為三疊紀(jì)侵入巖相二長(zhǎng)花崗巖。

1.2 地球物理?xiàng)l件

地質(zhì)界面探測(cè)需滿足物性差異，這是開展物探方法的前提條件。土石分界面是指松散沉積層(土)和堅(jiān)硬基巖(石)之間的界面，界面兩側(cè)存在顯著的波阻抗差異。強(qiáng)風(fēng)化層因節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，較中風(fēng)化、微風(fēng)化地層存在波阻抗差異。根據(jù)工區(qū)前期勘察成果，得到了場(chǎng)區(qū)內(nèi)介質(zhì)物性參數(shù)，見表1。由表1可知，土石界面及強(qiáng)風(fēng)化層界面具有波阻抗差異，存在可分辨的物性異常，具備開展微動(dòng)探測(cè)的條件。

表1 場(chǎng)區(qū)內(nèi)介質(zhì)物性參數(shù)

1.3 微動(dòng)法原理

微動(dòng)，也稱為地脈動(dòng)或地震噪音，是地面的微弱振動(dòng)，微動(dòng)技術(shù)屬于地震勘探方法門類，是一種由體波和面波組成的復(fù)雜振動(dòng)，并且面波能量占總能量的 70% 以上[12]。由于地震、人類活動(dòng)等因素，在地球體內(nèi)隨時(shí)都存在頻率在0～20 Hz的隨機(jī)振動(dòng)。微動(dòng)雖不是特定激發(fā)的震源，但在傳播過程中也攜帶了地下巖土體的地球物理特性。

微動(dòng)勘探屬于地震勘探中被動(dòng)源面波法，主要采用臺(tái)陣方法，本文采用的數(shù)據(jù)處理方法為空間自相關(guān)法(SPAC)。臺(tái)陣常用的有圓形、三角“ +”字形 和線性排布[13-15]，根據(jù)場(chǎng)地特性合理選擇。從微動(dòng)信號(hào)中提取面波頻散曲線，空間自相關(guān)法架設(shè)微動(dòng)信號(hào)在時(shí)間和空間上均為平穩(wěn)隨機(jī)過程，基階面波能量在各頻率成分中占比最大。對(duì)采集的微動(dòng)隨機(jī)信號(hào)首先做傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻率域，則微動(dòng)臺(tái)陣中心調(diào)查點(diǎn)和圓周上任意一點(diǎn)的空間自相關(guān)系數(shù)頻率域內(nèi)可表示為:

ρ(ω,r)=

(1)

2 探測(cè)結(jié)果分析

2.1 測(cè)線布置

本文以王家寨隧道為例，論證微動(dòng)技術(shù)在土石界面和風(fēng)化層探測(cè)中的應(yīng)用效果。地面微動(dòng)測(cè)線沿隧道左幅軸線ZK22+200～ZK22+860段布置1條縱測(cè)線Ⅰ～Ⅰ′，在ZK22+770附近布置1條垂直縱測(cè)線的橫測(cè)線Ⅱ～Ⅱ′。同時(shí)在ZK22+495右10 m和ZK22+765兩處布置了2個(gè)鉆孔驗(yàn)證，具體測(cè)線布置及鉆孔布置見圖1。

圖1 物探測(cè)線及鉆孔布置

微動(dòng)測(cè)試采用三重圓形臺(tái)陣，微動(dòng)測(cè)量深度大約3R～5R，三重圓抗干擾能力最強(qiáng)，臺(tái)站在不同的方位上，計(jì)算空間自相關(guān)性最好。微動(dòng)臺(tái)陣采用10個(gè)2 Hz低頻檢波器組成，臺(tái)陣半徑為R1=12.5 m、R2=20 m、R3=50 m。三重圓排列方式為：3個(gè)半徑分別為R1(2，3，4臺(tái)站所在的圓)、R2(5，7，9采集站所在圓)、R3(6，8，10所在圓)，其測(cè)量點(diǎn)在1號(hào)臺(tái)站所在位置，臺(tái)陣布置形式見圖2。每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間20 min。本次微動(dòng)采用逐點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)方式形成二維觀測(cè)剖面，點(diǎn)距20 m?？v測(cè)線共34個(gè)測(cè)點(diǎn)，橫測(cè)線共11個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖2 微動(dòng)臺(tái)陣布置

2.2 探測(cè)步驟

1) 布設(shè)微動(dòng)臺(tái)陣前，先清理檢波器埋設(shè)點(diǎn)附近雜草，鏟平和壓實(shí)地面；

2) 檢波器安放應(yīng)與底層耦合良好，并保證檢波器豎直放置，調(diào)試儀器一致性以保證同步采集數(shù)據(jù)；

3) 當(dāng)儀器進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，采集至少30 min的微動(dòng)信號(hào)，從穩(wěn)定后的信號(hào)中提取完整的微動(dòng)波形記錄，以便后期微動(dòng)數(shù)據(jù)處理階段使用；

4) 數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、計(jì)算功率譜、空間自相關(guān)法提取頻散曲線、模型生成及反演擬合；

5) 根據(jù)反演結(jié)果再結(jié)合2處鉆孔信息，進(jìn)行地質(zhì)界面分層。

2.3 探測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)反演結(jié)果，該區(qū)域從上到下可主要分為3層：覆蓋層(250 m/s～500 m/s)、強(qiáng)風(fēng)化半成巖(500 m/s～750 m/s)、中風(fēng)化半成巖(≥750 m/s)?？v測(cè)線探測(cè)結(jié)果見圖3，橫測(cè)線探測(cè)結(jié)果見圖4。

從圖3可知，ZK22+200～ZK22+860段橫波速度(Vs)剖面圖顯示，速度成層性較好，巖性界面起伏較大，結(jié)合地質(zhì)情況解譯主要分4層，見表2。

由圖4可知，ZK22+765左100 m～ZK22+765右100 m段橫波速度剖面圖顯示，速度成層性較好，巖性界面起伏不大，結(jié)合地質(zhì)情況解譯主要分4個(gè)速度界面，見表3。

以BZK1、BZK22個(gè)鉆孔資料作為驗(yàn)證，從圖3、圖4可以看出，微動(dòng)勘察的地層劃分與工程地質(zhì)資料較為吻合。通過工程地質(zhì)勘察資料和探測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析可知，微動(dòng)法是一種地質(zhì)界面探測(cè)的有效手段，具有較高的分辨率和可靠性。

圖3 縱測(cè)線微動(dòng)視橫波速度

表2 縱測(cè)線速度分布

表3 橫測(cè)線速度分布

圖4 橫測(cè)線微動(dòng)視橫波速度

3 結(jié)論

1) 微動(dòng)勘探方法在初步探查土石界面與巖性界面方面均有比較理想的效果，能適應(yīng)山地地形起伏的探測(cè)環(huán)境。

2) 測(cè)區(qū)內(nèi)橫波速度具有較明顯的分層特性，能很好地劃分地質(zhì)界面和基巖風(fēng)化程度分界面，結(jié)合隧址區(qū)鉆孔就能對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)地質(zhì)界面有較高精度的劃分，微動(dòng)勘探法具有勘探深度大、地質(zhì)界面深度準(zhǔn)確、起伏形態(tài)清晰等特點(diǎn)。

3) 在采用微動(dòng)勘探進(jìn)行地質(zhì)界面探測(cè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)前期地調(diào)情況，初步了解地形及探測(cè)深度，選擇合適的臺(tái)陣布置方式和半徑，才能最大程度滿足勘探深度和精度。

4) 在進(jìn)行成果解譯時(shí)應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件、地層巖性特點(diǎn)和鉆孔資料，找出劃分該地地質(zhì)界面的速度分界面，這樣才能確保分層解譯的準(zhǔn)確性。