多源频率域地震勘探法在探测城市隧道洞室中的应用

陈支兴

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北 武汉 430063)

0 引言

19世纪是桥的世纪,20世纪是高层建筑的世纪,21世纪则是开发利用地下空间的世纪[1]。随着我国城市化进程的加快,地下空间利用深度不断加大,地下隧道、地铁、综合管廊等地下设施日益增多,对地下空间的开发与建设提出了更高的要求。在城市地下工程建设过程中,通过前期勘察获取隧道洞室等地下设施的准确空间信息,对后期的设计施工具有重要意义[2-3]。而城市环境中建筑密集、交通繁忙,常规勘探手段实施困难,常有钻探盲区出现,存在安全隐患[4-5]。地球物理勘探技术因具有无损、高效、经济、灵活等特点,在城市工程地质勘察中得到了广泛应用。

目前,国内外城市地球物理勘探采用的技术主要有地质雷达法、地震映像法、瞬变电磁法、瞬态面波法等。例如: 赵明堂[6]采用地质雷达法探明了某城市道路地下隐患的位置,为城市道路地面塌陷隐患治理提供了可靠的依据; 吴怡洁等[7]采用地震映像法探查了地下空洞和扰动区,经工程钻探验证取得了一定的勘探效果; 徐正玉等[8]将小回线瞬变电磁法应用到重庆大学校园防空洞探查中,与实际情况相比较验证了小回线瞬变电磁法探测结果的准确性和有效性; 钟晓婷[9]采用瞬态面波法圈定了某商业小区地下人防工程的空间位置,确保了后期工程的施工安全。

上述地球物理勘探技术在城市地下工程勘察中均发挥了重要作用,但受复杂城市环境中电磁和机械振动干扰影响,以及受场地空间限制,使上述物探方法的探测深度和勘探精度受限。近年来,研究人员以适应复杂城市环境为出发点,在利用天然地震信号方面取得了一定的研究进展。例如: 徐佩芬等[10]、杜亚楠等[11]、张明辉等[12]、乔高乾等[13]对微动台阵法进行了研究,并将其应用于城市轨道交通的覆盖层调查中; Haghshenas等[14]、王伟君等[15]、张若晗等[16]、汪文刚[17]将微动谱比法引入到场地响应评价和浅层速度结构探测中,也取得了不错的勘探效果; 刘铁华等[18-20]总结了以上2种微动勘探的研究成果,在此基础上开展了多源频率域地震勘探技术的研究工作,在城市地铁勘察项目中得到了成功应用。

众多学者的研究成果为城市地质勘察提供了新的途径,但上述方法的应用多集中在地层分层、地质构造探查等领域,在城市隧道洞室探测方面应用较少。多源频率域地震勘探法作为兼具抗干扰能力和狭小空间适用性的新方法,现有文献中仅有对其原理的简要介绍,未对该方法综合频散曲线的合成机制以及联合反演函数的计算表达进行研究。针对该现状,本文在深入探讨多源频率域地震勘探法技术实施要点的基础上,将该方法应用于城市隧道洞室的探测中,为复杂城市环境下探测隧道洞室提供一种新思路。

1 多源频率域地震勘探法原理

多源频率域地震勘探法是融合了瞬态面波(主动源面波)、微动台阵(被动源面波)和微动谱比3种方法的地震面波综合勘探技术。

瞬态面波法利用人工震源激发产生的弹性波,通过分析、处理和提取面波频散信息,反演得到地下横波速度的分布情况。其采用直线等间距排列方式进行数据采集,作业过程简单、高效,对浅部地层结构有较好的分辨能力,但在复杂城市环境中经常难以满足测点规则布置的要求,且勘探深度有限。

微动台阵法利用自然界中的微弱震动作为信号源,基于该微动信号提取多测点的频散曲线,实现地层横波速度属性反演。其获取微动信号时,需布置多个采集站形成采集台阵,台阵形式一般有“直线型”“同心圆型”“内嵌三角型”等,测点布置相对灵活,具有抗干扰能力强、绿色环保等优势,但由于天然微动信号中的高频信号能量较弱,对浅部地层的分辨能力较差。

微动谱比法也是采集微动信号,与微动台阵法采集单分量数据不同,微动谱比法采集的是三分量数据,提取各测点水平分量和垂直分量的谱比曲线,基于曲线峰值频率进行地层反演和解释。其基于单点三分量微动信号进行探测,具有天然抗干扰能力和极强场地适应性,但反演时高度依赖初始模型,要求掌握较为准确的表层速度。

上述3种方法有着不同的优缺点,其在抗干扰能力、测点布置要求、优势勘探深度和精度方面存在互补性,而在外业数据采集和内业资料处理方面又有相似性,可在独立实施的基础上进一步融合,数据采集与处理同步进行,形成一体化的多源频率域地震勘探法。多源频率域地震勘探法是在双源面波勘探技术的基础上融合微动谱比技术形成,其通过场地内布置的若干三分量传感器同步采集主动源面波信号和长周期微动信号,综合获取每个测点的频散曲线和谱比曲线,通过对多方法源多频率范围的数据进行联合建模与反演,获得高分辨率的地层横波速度分布情况,实现复杂城市环境下由浅到深的高精度勘探。多源频率域地震勘探法的技术流程如图1所示。

图1 多源频率域地震勘探法技术流程图

2 技术实施

2.1 多源数据采集

多源频率域地震勘探法一般采用线性台阵进行数据的观测和采集,按规则点距(若局部有障碍物也可采用非等间距)设置三分量低频传感器形成排列。先在测线一端激发人工震源,采集垂直分量的瞬态面波数据(主动源),采集时长一般不低于1 s; 采集完成后,继续采集长周期的三分量微动数据(被动源),采集时长一般不低于20 min。

2.2 特征曲线提取

获取多源频率域地震数据后,对原始数据进行处理,提取有效数据段(被动源仅保留平稳的微动信号),由主动源面波和被动源面波的垂直分量数据计算综合频散特征曲线,由被动源面波的三分量数据计算各测点的谱比特征曲线。

在提取双源面波的综合频散曲线时,由于主动源面波在高频段具有更高的收敛性,其在浅层的可靠性更高,而被动源面波在低频段优势更明显,其在深层的可靠性更高,故可通过加权校正的方式将2种数据源的频散曲线进行整合。主动源面波和被动源面波的频散谱可被视为一个矩阵,分别与系数矩阵相乘后再求和(见式1),得到合成后的综合频散特征曲线。

(1)

简化后得到:

Da×Ka+Dp×Kp=D。

(2)

式(1)—(2)中: nVel为频散谱速度值个数; nF为频散谱频率值个数;Da为主动源原始频散谱;Dp为被动源原始频散谱;D为合成后的综合频散谱;Ka为主动源合成系数矩阵;Kp为被动源合成系数矩阵。

为确保频散谱合成的协调性,主动源合成系数矩阵Ka和被动源合成系数矩阵Kp均为大于0的数,且满足式(3)要求。

(3)

2.3 联合反演

提取2种特征曲线后,对频散曲线和谱比曲线进行反演。本文采用联合建模与反演的方法,将频散曲线与谱比曲线的信息特征融合到统一的反演目标函数中,基于频散曲线和谱比曲线的峰值特征建立初始地层模型,再进行频散曲线和谱比曲线的联合反演,获得高分辨率的地层横波速度分布。联合反演实施步骤如下:

1)建立初始地层模型。基于综合频散曲线,按照行业经验公式计算初始地层速度模型。其中,经验公式按照“波场对应的1/4波长为其对应速度模型深度”的原则进行转化,将频散曲线的“频率-速度”关系转化为地层模型的“深度-速度”关系。

2)理论频散曲线计算。基于当前地层模型计算其相应的理论频散曲线。

3)计算目标函数F(x)。

F(x)=S[rc(x),rb]×wrb+S[HVc(x),HVp]×whv;

(4)

(5)

(6)

式(4)—(6)中:fi为当前测点;N为测点总数;j为某一测点;x为当前测点的一系列模型参数; rc(x)为理论频散曲线; rb为实测混合源频散曲线; HVc(x)为理论谱比曲线; HVp为实测谱比曲线;S[rc(x),rb]为rc(x)与rb的均方差;S[HVc(x),HVp]为HVc(x)与HVp的均方差;wrb、whv为频散曲线和谱比曲线的权重,且满足wrb+whv=1。

理想情况下,S[rc(x),rb]和S[HVc(x),HVp]趋于0,目标函数F(x)整体趋于0。

5)反演结果输出。重复步骤2)至4),直到满足反演条件为止,输出反演得到的横波速度成果图。

2.4 方法特点分析

2.4.1 方法特点

1)超强的狭小场地适应性。多源频率域地震勘探法采用分布式地震采集站,1个采集站即可完成1个测点的测量,且采集站体积小,占用空间面积有限,可以在复杂城市环境中实现无缝勘探,获取连续的地质分布情况。

2)天然的抗干扰能力。多源频率域地震勘探法采集天然的地震信号,相较于其他受困于城市电磁和机械振动干扰的物探方法,其具有抗干扰能力强的突出优势。

3)高效率。多源频率域地震勘探法可以一次布置多个采集站同时采集,且一次采集得到的数据相当于瞬态面波法、微动台阵法和微动谱比法3种方法得到的数据,工作效率提高了2倍,显著降低了勘探成本。

4)高分辨率。多源频率域地震勘探法融合了瞬态面波法在表层的高精度、微动台阵法在深层的稳定性和微动谱比法的场地适应性特点,能实现多方法源多频率范围的同步探测与一体化采集,通过对多方法数据进行联合建模与反演,实现由浅到深的高精度勘探。

2.4.2 适用条件

1)多源频率域地震勘探法开展的前提条件是需要地层有3 m以上的覆盖层。该方法主要利用地震面波,覆盖层过浅时面波发育不充分,影响勘探效果。

2)测点附近无持续固定的强震事件。虽然该方法采集天然的地震信号,但仍需避免测点附近存在持续固定的强震事件干扰,影响数据质量。

今后中级维修技师需掌握机械钳工、液压机电、电子通信等技术，高级维修技师需掌握一般诊断技术，技师需掌握高深诊断技术。今后国企与民企共存，4S店与综合汽修厂共存，大规模汽修厂与连锁保养店共存，由于技术资料公开、备件公开，综合汽修厂的实力将逐渐增强。汽车维修量的增长将由一线(北上广深)、二线(省城)，向三线(地级)、四线(所有)城市转移。汽车修理哪家强，就看诊断技术谁能担当，诊断技术能力强的维修企业客户资源必然多于诊断能力弱的维修企业。

3)地形起伏不宜过大,坡度小于20°为宜。多源频率域地震勘探法一般采用线性排列多测点观测,地形起伏过大将影响频散曲线的计算精度。

3 隧道洞室探测的应用分析

3.1 工程概况

某城市市政工程项目,线路经过繁华市区道路,车流量大,路旁房屋密集,电磁和机械振动干扰强烈,道路下方有城际轨道交通穿行。

为快速查明轨道交通与工程线路的交叉位置,探测其主体隧道埋深范围,排除施工安全隐患,采用多源频率域地震勘探法进行探测。

3.2 数据采集

本次多源频率域地震勘探法数据采集工作,采用EvS-4型三分量地震采集站,其频带为0.2～500 Hz。采集系统支持4G与WIFI的双模式采集与通讯,同时支持采集站和移动端2种方式对硬件和数据质量的监控。多源频率域地震勘探采集站及控制软件如图2所示。在实际工作中,操作员通过采集站面板对仪器状态进行监控,技术员通过手机移动端的采集软件进行全面监控,实时查看数据质量。

(a) 采集站

外业观测系统的主要参数设置如下: 采用线性观测系统,以K0+920为中心沿线路方向向两端各延伸75 m,10个采集站同步采集,测点间距为5 m,采样间隔为4 ms,主动源采样时长为1 s,被动源采样时长为30 min。为确保数据质量,开工前,对所有采集设备进行一致性检测和时间同步校正; 采集站布置过程中,每台采集站的水平倾角控制在3°范围内。

3.3 数据处理与成果分析

数据采集完成后,开展预处理工作,剔除短时干扰(如过往车辆)的影响,低于阈值的部分视为稳态信号被采用。数据预处理如图3所示。

图3 数据预处理图

基于主动源面波和微动数据分别提取各测点的面波频散曲线,如图4所示。基于三分量长周期微动数据提取各测点的谱比特征曲线,如图5所示。

(a) 主动源面波频散曲线

图5 单点谱比曲线图

提取2种特征曲线后,基于频散速度和谱比峰值建立初始地层模型,在联合建模和反演的基础上获取高分辨率的地层速度信息。探测成果如图6所示。

图6 探测成果图

测线范围内基岩面整体起伏不大,地层浅部层状特征较为明显,范围内存在2处低速异常区: K0+858～+864,深度-18.2～-12.9 m; K0+913～+921,深度-27.9～-20.2 m。经现场调查、设计及施工单位核查,K0+858～+864所解释的异常位置为燃气管道埋设区段,K0+913～+921所解释的异常位置为城际隧道经过区域,物探结果与实际情况基本吻合。其中,物探圈定的隧道顶板埋深与实际埋深相差0.7 m,探测误差为3.3%。

分析认为,城际隧道所在位置因介质条件发生变化,波速显著降低,在探测得到的横波速度剖面图上,表现为向下凹陷的“低速异常区”,易于识别。由此可见,多源频率域地震勘探法对隧道洞室有较好的探测效果。

4 结论与讨论

本文针对复杂城市环境中的勘探难题,采用多源频率域地震勘探方法,实现了复杂城市环境下隧道洞室的高精度探测。通过在某城市轨道交通隧道勘察中的应用,主要结论如下:

1)多源频率域地震勘探法融合了瞬态面波法在表层的高精度、微动台阵法在深层的稳定性和微动谱比法的场地适应性特点,具有较强的抗干扰能力和狭小空间适应性,适用于复杂城市环境的多种应用场景。

2)采集设备轻便小巧,测点布设灵活方便,单次采集能同时获得3种方法的数据,工作效率提高2倍,显著降低了勘探成本。

3)该探测方法获得的横波速度剖面,分辨率高,具有较好的稳定性和可靠性,探测得到的隧道顶板埋深与实际埋深相差0.7 m,探测误差仅为3.3%,证明该方法在探测城市隧道洞室方面具有较好的应用效果。

由于多源频率域地震勘探法是建立在上述3种方法融合利用的基础上,不可避免地存在这些方法自身固有的缺点。该方法的有效实施,首先要基于场地发育面波等有效波场,如基岩出露或覆盖层较浅时则存在效果不佳等问题;其次应避免规律性的近场振动干扰。此外,瞬态面波数据的采集目前还建立在直线观测装置下,如何突破线性装置的限制,实现任意观测装置下3种信号源的多源频率域地震勘探,是今后进一步研究的方向。