微动法在隧道工程勘察项目中的应用

李明

摘要：微动法也被称为微动探测技术，具有诸多优势，如节能、绿色、环保、省时及抗干扰能力强等。微动探测技术适用于交通比较繁忙、人口较为密集的环境，在隧道工程勘察项目中应用也十分广泛。通过微动探测技术可以比较快速、准确地探查到隧道可能会遇到的各种地质问题，以保证施工的顺利开展。本研究主要以隧道开挖工程为例，介绍微动法的基本概念，探究其工作原理和方法，并重点分析该技术在具体应用中的相关要点。

关键词：微动法；隧道工程；勘察项目

中图分类号：U231.1文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）35-0086-03

Application of Micro-Movement Method in Tunnel Engineering Survey Project

LI Ming（East China Survey and Design Institute（Fujian）Co.， Ltd.，Fuzhou Fujian 350001）

Abstract： The micro-motion method is also called micro-motion detection technology，which has many advantages， such as energy saving， green， environmental protection， time saving， and strong anti-interference ability. Micromotion detection technology is more suitable for the environment with relatively busy traffic and relatively dense population. This technology is widely used in tunnel engineering survey projects. Through the micro-motion detection technology， various geological problems of the tunnel can be detected relatively quickly and accurately， which can en？ sure the smooth development of the construction work. This article mainly takes the tunnel excavation project as a case. Firstly， it introduces the basic concept of the micro-motion method， then explores the working principle and method technology， and finally analyzes the key points of the technology in specific applications.

Keywords： micro-motion method；tunnel engineering；survey project

微动探测技术可以对天然场源中的微动信号进行数据提取。提取的数据内容来自Rayleigh波频散信息，可通过反演这些信息数据获得一些介质横波速度结构，并对周围介质和地质体中的波速差异进行详细分析，从而解决隧道工程勘察项目问题。微动探测技术相较于地质雷达、波速差异及电阻率法等物探技术来说，具有诸多优势，如不受场地环境限制，也不受电磁干扰、噪声、高低速夹层及低阻高导层（如沿海地区海水浸入层）屏蔽作用的影响。微动探测技术比较适用于闹市区电磁和场地复杂的环境，是一种探测范围比较广、抗干扰能力比较强、具备一定环保性及适用范围比较广的新型物探技术。这一技术因其良好的应用前景，受到了工程界的广泛关注。

1微动法的基本概念

微动具体指的是地球表层无时无刻都存在的天然微弱振动，这种微动主要来自风速、气压、海浪及潮汐自然变化等。在车辆行驶、机器运行等人类活动中，也会产生这种微动。自然环境带来的这种微动被称为长波微动，频率小于1 Hz，是一种低频信号源；人为因素造成的微动被称为常时微动，频率约1 Hz，属于高频信号源。微动主要是由体波（P波和S波）与面波（Rayleigh波和Love波）组成的复杂运动，其中面波的能源约占总能量的70%[1]。

面波中的Rayleigh波有着十分明显的速度特征。这种特征表现为衰减特性，可以带来很多来自地层的信息，使得微动探测技术的应用得以实现。面波Rayleigh波速度和横波S波速度较为接近，两者的比值为0.87～0.95[2]。随着Rayleigh波振幅深度指数的不断衰减，在一个波长内，速度相当于半个波长内各地层横波相速度的加权平均数。不同于体波，在不均匀介质中，Rayleigh波的传播会出现一定程度的频散现象，其中造成Rayleigh波频散的主要原因为横波速度[3]。

2工作原理和方法

2.1工作原理

微动探测技术应用，开展的前提是不同年代沉积地层之间存在波速差异。地层波速一般和岩石的密度以及岩石的弹性有著十分密切的关系，新生界、中生界和古生界的波速差异十分明显，形成了由低到高可以识别的物性界面。这种方法一般以地球表面存在的微小波动作为主要的观测对象，这种波动比较小，主要由自然界中的海浪、气压变化以及人类生产产生，成分比较复杂，主要有体波、面波等，其中面波占据了较大比例[4]。

2.2工作方法

2.2.1空间自相关法。主要从野外工作方法和数据处理方法两方面进行阐述。

①野外工作方法。微动探测技术中，一般利用一些比较特殊的阵形接收来自自然的面波，如菱形阵和圆阵，需使用拾震器满足其要求。不同的拾震器一般分布在圆周上，以便接收来自各个方向的波度。拾震器越多，勘探精度越高。因此，在实际的施工过程中需要尽可能多使用拾震器。

②数据处理方法。在野外接收数据时，需要先在时间域内进行滤波处理，并结合实际情况求出不同频率的空间自相关系数。求出系数后，需要求出面波频率成分和空间坐标函数。这从侧面说明这些信息不仅和频率有关，还和拾震器的位置有着密切关系。从具体形态来看，实测空间自相关曲线和零阶贝塞尔函数曲线相似，能够求出比较正确的校正值，之后加入空间坐标的相关参数，提取出不同频率点之间的相速度，再结合相速度频散曲线，详细分析相关的地质分层情况[5]。

2.2.2频率-波数法。主要从野外工作方法和数据处理方法两方面进行阐述。

①野外工作方法。在微动探测技术中，频率-波数法主要采取随机布阵形式。这对工作场地没有过多要求，布阵随意。需要注意的是，拾震器需要在平面之内展开，才能有效满足接收不同方向的来波条件。在具体的勘探过程中，主要采取规则布阵的形式，一般以一个拾震器作为探测的中心。拾震器周围会形成不同的正三角形，从而有效提取面波信息。

②数据处理方法。频率波数法主要通过频率域进行面波提取。利用微动探测技术采集野外数据时，可以通过傅氏变换对原始数据进行带通滤波，以有效避免各种外界信息的干扰，再通过最大似然法求得各种频率成分的功率谱分布。这一功率谱一般与空间坐标的单值函数有着密切关系，所以能够比较方便地得出速度-频散曲线，从而进一步对地质进行分层。频率波数法和其他方法相比，布阵更具灵活性，可以在一定程度上有效避开各种干扰源，如车辆较多的主干道、锅炉房等，提升了抗干扰能力。

2.3观测形式

2.3.1单点勘查形式。在单点勘探过程中，观测台阵是最大的优势。台阵一般由两个大小不一样的同心圆所组成，在同心圆中内接正三角形。在微动探测技术中，微动观测仪一般分别设置在两个圆的圆心和圆周上的内接正三角形的顶点处。单点勘察观测方式最大的特点就是台阵大小和勘察深度成正比。如果在实际的勘察过程中要求比较大的深度，就可以适当加入同心圆，以增加观测台阵的观测点。

2.3.2测线勘查形式。如果需要进行大面积勘察，那么单点勘察无法满足这一需求。所以，为了有效获得S波速度剖面成果图，需要结合实际情况采用测線观测系统。具体方法是测内区域需要根据一定的间距设置测线，以达到二维微动测深勘探的目的，同时能够反演测区三维S波速度结构。通过使用这种方式，结合相关的地质资料钻孔，有利于在速度异常区域进行地质解释。

3实际工程案例

3.1滞后沉降动态监测

主要以成都某机场跑道及停机坪滞后沉降监测为案例进行应用说明。机场下方需要进行隧道开挖，会导致机场路面和地下隧道之间出现脱层空洞。微动法可以探查机场跑道下方是否存在隐伏空洞，并进一步确定隐伏空洞的具体位置和大小，之后开展滞后沉降监测。一般是对地层的稳定性和周围局部变化情况进行监测，避免因为水土流失造成地层脱层或者出现空洞。三台阶七步开挖法是隧道施工的重要方法，它以机械开挖为主，由于是小净距隧道，实际开挖期间围岩变化相对比较频繁，使用机械开挖能确保施工安全。机械为挖掘机，机械型号为CAT320D。施工单位需详细记录隧道掌子面积围岩情况，判断微波成果剖面的隧道分析位置，统计方式为里程，分析岩石的完整性等。数据采集期间使用的设备为便携式数字地震仪，通过无线方式连接拾震仪。对地震仪同步信号的采集使用全球定位系统（Global Positioning System，GPS）的设备，监测时确定间隔时间为15 min。在机场实施探测后得到施工现场图，如图1所示。此外，需要对机场地下层隧道进行剖面分析。表1为LN（测线编号）剖面（机场隧道）的解释成果，主要根据相速度按里程进行解释。

3.2施工安全风险排查

在施工区域开展风险排查，需要从3个方面进行：首先，需要动态监测路基、路面的地下层变化情况；其次，需要排查路面和地层隐伏空洞；最后，需要监测路面和地层砂石流失所形成的脱层情况。盾构一般会下穿到地标性建筑中，利用微动探测技术能够排查出盾构区间地质中存在的风险。

4结语

在隧道勘探工程、滞后沉降动态监测、施工安全风险排查及市政管线探测定位等项目中，合理利用微动探测技术可以有效提升工作效率。所有的工程勘探项目都是结果导向的，需要采用高效、简便及快捷的探测方式来解决难题。现阶段，诸多研究成果已申请专利，微动法会带来更多技术上的革新。

参考文献：

[1]刘永勤，廖远国，李学专，等.微动探测技术在轨道交通工程勘察中的应用研究[J].工程勘察，2010（增刊1）：1-11.

[2]张新.基于随机源模型的新型微动探测技术在上软下硬地层盾构隧道中的应用研究[J].现代隧道技术，2020（5）：47-54.

[3]鲁志刚.浅谈微动探测技术在福州地铁盾构区间地质勘探中的应用[J].建筑工程技术与设计，2018（21）：222.

[4]庞林军，赵锐，喻征超.微动探测技术在城市轨道交通区间盾构隧道施工中的应用技术[J].水利水电施工，2016（5）：41-47.

[5]程建设，李鹏.微动勘探技术在水库大坝隐患探测中的应用[J].人民长江，2017（3）：57-60.