一种基于微动和面波勘探的地铁沿线场地内孤石探测方法与流程

本发明属于地质勘探技术领域，具体涉及一种基于微动和面波勘探的地铁沿线场地内孤石探测方法。

背景技术：

现有技术中地铁车站间的区间一般采用地下隧道形式，区间隧道施工方法大多采用盾构法，由于孤石强度与其周围地层强度相比差异巨大，盾构掘进过程中若突遇孤石，往往对盾构机刀盘造成损坏，影响盾构机正常施工，造成经济损失，有时更会造成地面沉降异常，影响施工周边建(构)筑物的安全。

北山道站～盐田食街站区间是深圳地铁8号线二期工程第2段区间工程，主要沿北山道下方敷设，线路沿线地质条件复杂，在花岗岩残积层和风化岩中普遍存在有不均匀风化现象，表现为球状风化体(孤石)发育。前期详勘成果显示，场地范围内的不均匀风化主要表现为全风化花岗岩中夹土状、块状强风化岩，区间隧道范围内钻探虽未揭露中、微风化花岗岩孤石，但不排除隧道范围内中、微风化孤石发育的可能性。相对于前期详勘阶段20～30m的钻孔间距来说孤石尺寸一般要小得多，通过钻探所勘察出来的孤石十分有限，未探明的孤石对地铁盾构施工会带来较大的安全隐患。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于微动和面波勘探的地铁沿线场地内孤石探测方法，具有孤石探测范围广，探测精度高，为进一步的设计、施工提供参考依据的特点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于微动和面波勘探的地铁沿线场地内孤石探测方法，其步骤包括：

1、测线布设，在左右隧道中线布设微动探测测线2条，左线编号为zl1，右线编号为yl1；在北山道站附近球场处的连续墙待挖段布设2条测线，测线编号为al1、bl1；

2、利用微动勘探探测不同岩土层的波速，根据波速差异配合工程地质划分不同岩土层、查明岩体的完整性和风化程度、寻找孤石不良地质体：

a.测点布置：用gps进行上述测线的控制点定位，用测绳或皮尺测定距离，等间距布设测点，保证测线、测点准确布设在设计要求的位置上；

b.数据采集：在测点上设置智能面波仪，通过智能面波仪进行面波微动数据的采集；

c.数据处理：使用骄佳surfaceplus8.3软件进行数据处理，绘制面波波速等值线图，再结合钻探资料进行地质解释，划分不同岩土层、查明岩体的完整性和风化程度、寻找孤石不良地质体；

3、结合面波勘探通过测定不同频率的面波速度，了解地下地质构造的性质并计算相应地层的动力学特征参数：

a.测点布置：在测线上设置测点，用a1、a2......表示同一剖面上不同的测点，现场使用喷漆标志每个测点；

b.数据采集：采用瞬态激振法进行探测，以大锤和垫板作为激震震源，等间距设置检波器进行探测；

c.数据处理和解释：(1)单点资料解释，对于单张面波记录，在其时间-空间域内拾取面波成份，并通过快速傅立叶变换将其转到频率-波速域中，在频率-波速域中拾取面波，并滤除其它干扰波的频率成份，完成面波的2次提取，并计算得出面波的频散曲线，根据实测曲线的变化规律进行地层划分，计算公式如下：

式中，vrin为第n层面波层速度，vrn-1和hn-1、vrn和hn分别为第n-1层的面波平均速度与界面深度及第n层的面波平均速度与界面深度；

根据上述公式获得地层速度-深度模型，再利用geogigasurface处理系统做正演计算，得出理论频散曲线和实测频散曲线拟合，使两者曲线有最佳的拟合系数，结合工程地质资料，对获取结果进行地质分析，由此获得准确的单张面波成果；

(2)生成初步地层剖面，由剖面上各个面波点的地层结构成果，参照地层速度参数，将各面波点横波速度相近的区域划分为同一层，连成剖面；

(3)地质解释，将获得的地层剖面与地质剖面图、钻孔柱状图资料进行对比，在地质、物探资料综合解释的基础上，进一步对地层进行划分并推断出孤石、基岩凸起等所引起的高速区位置。

方案进一步地，上述步骤2中数据处理过程包括：

(1)资料预处理，对原始资料进行整理核对、编录，并结合测区不同地质单元对瑞雷波法勘察资料进行分类；

(2)建立频率f-波速v域的谱，利用空间自相关法从微动信号中提取瑞利波相速度中圈定基阶面波的能量极大值形成频散曲线图，若频散点点距过大则不收敛，变化的起点处解释为地质界线，不收敛的频散曲线段不能用于地层速度的计算；

(3)对频散曲线进行逐段分层，根据有无已知勘探孔资料进行解释，有资料时根据已知资料进行正、反演拟合计算，获得各面波点岩层厚度和剪切波速度，最终构造解释成果剖面，无勘探孔资料时，根据曲线的曲率和频散点的疏密变化综合分析，而后反演计算剪切波层速度和层厚，反演过程遵循由浅及深逐层调试，使正、反演结果相接近，完成剪切波层速度和层厚的反演处理，最终绘制面波波速等值线图，再结合钻探资料进行地质解释。

方案进一步地，上述频散曲线图是利用空间自相关法从微动信号中提取瑞利波相速度形成。

方案进一步地，上述步骤3中瞬态激振法探测的具体方法是：工作道数12道，检波器为仪器配备的4hz专用检波器，道间距δx取1m，偏移距x1取4m，仪器采样间隔取0.64ms，采样点数2048点，激震震源使用大锤，配以软质垫板以使得震源激发频率更丰富，垫板选择视勘察所需埋深而定，当探测深度相对较深时宜使用软质垫板，当探测深度相对较浅时使用硬质垫板，选择合适的垫板使震源激发频率更丰富，从而达到更精确的探测成果，测量记录点取第6道与第7道检波器之间的中心点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该基于微动和面波勘探的地铁沿线场地内孤石探测方法，在划分岩土层界面的基础上，对物探异常进行了地质解释并绘出了推断地质剖面图，查明了沿线场地范围内设计线路各地层的厚度和基岩起伏形态，孤石的大小、埋深等发育情况，为进一步的设计、施工提供参考依据，确保了工程施工质量和工程进度。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中微动探测法数据处理流程图；

图2为本发明具体实施方式中能量拾取形成频散曲线示意图；

图3为本发明具体实施方式中绘制的面波波速等值线图示意图；

图4为本发明具体实施方式中瞬态激振法示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种基于微动和面波勘探的地铁沿线场地内孤石探测方法，其步骤包括：

1、测线布设，在左右隧道中线布设微动探测测线2条，左线编号为zl1，右线编号为yl1；在北山道站附近球场处的连续墙待挖段布设2条测线，测线编号为al1、bl1；

2、利用微动勘探探测不同岩土层的波速，根据波速差异配合工程地质划分不同岩土层、查明岩体的完整性和风化程度、寻找孤石不良地质体：

a.测点布置：用gps进行上述测线的控制点定位，用测绳或皮尺测定距离，等间距布设测点，保证测线、测点准确布设在设计要求的位置上；

b.数据采集：在测点上设置智能面波仪，通过智能面波仪进行面波微动数据的采集，采用24道接收，道间距为1m，采样间隔为1280μs；

c.数据处理：使用骄佳surfaceplus8.3软件进行数据处理，如图1所示；

(1)资料预处理，对原始资料进行整理核对、编录，并结合测区不同地质单元对瑞雷波法勘察资料进行分类；

(2)建立频率f-波速v域的谱，利用空间自相关法从微动信号中提取瑞利波相速度中圈定基阶面波的能量极大值形成频散曲线图，如图2所示，若频散点点距过大则不收敛，变化的起点处解释为地质界线，不收敛的频散曲线段不能用于地层速度的计算；

(3)对频散曲线进行逐段分层，根据有无已知勘探孔资料进行解释，有资料时根据已知资料进行正、反演拟合计算，获得各面波点岩层厚度和剪切波速度，最终构造解释成果剖面，无勘探孔资料时，根据曲线的曲率和频散点的疏密变化综合分析，而后反演计算剪切波层速度和层厚，反演过程遵循由浅及深逐层调试，使正、反演结果相接近，完成剪切波层速度和层厚的反演处理，最终绘制面波波速等值线图，如图3所示，再结合钻探资料进行地质解释；

3、结合面波勘探通过测定不同频率的面波速度，了解地下地质构造的性质并计算相应地层的动力学特征参数：

a.测点布置：在测线上设置测点，用a1、a2......表示同一剖面上不同的测点，现场使用喷漆标志每个测点；

b.数据采集：采用瞬态激振法进行探测，以大锤和垫板作为激震震源，等间距设置检波器进行探测，工作道数设置为12道，检波器为仪器配备的4hz专用检波器，道间距为1m，偏移距为4m，仪器采样间隔取0.64ms，采样点数2048点，激震震源使用大锤，配以软质垫板以使得震源激发频率更丰富，垫板选择视勘察所需埋深而定，当探测深度相对较深时宜使用软质垫板，当探测深度相对较浅时使用硬质垫板，选择合适的垫板使震源激发频率更丰富，从而达到更精确的探测成果，测量记录点取第6道与第7道检波器之间的中心点，如图4所示；

c.数据处理和解释：(1)单点资料解释，对于单张面波记录，在其时间-空间域内拾取面波成份，并通过快速傅立叶变换将其转到频率-波速域中，在频率-波速域中拾取面波，并滤除其它干扰波的频率成份，完成面波的2次提取，并计算得出面波的频散曲线，根据实测曲线的变化规律进行地层划分，计算公式如下：

式中，vrin为第n层面波层速度，vrn-1和hn-1、vrn和hn分别为第n-1层的面波平均速度与界面深度及第n层的面波平均速度与界面深度；

根据上述公式获得地层速度-深度模型，再利用geogigasurface处理系统做正演计算，得出理论频散曲线和实测频散曲线拟合，使两者曲线有最佳的拟合系数，结合工程地质资料，对获取结果进行地质分析，由此获得准确的单张面波成果；

(2)生成初步地层剖面，由剖面上各个面波点的地层结构成果，参照地层速度参数，将各面波点横波速度相近的区域划分为同一层，连成剖面；

(3)地质解释，将获得的地层剖面与地质剖面图、钻孔柱状图资料进行对比，在地质、物探资料综合解释的基础上，进一步对地层进行划分并推断出孤石、基岩凸起等所引起的高速区位置。

具体的实施例中根据探测结构进行物探异常特征及地质解释，隧道右线(yl1线)，横向上，由北山道站至盐田食街站方向视横波速度波速等值线值逐渐抬升，垂向上，视横波速度等值线呈似层状分布，由上而下波速逐渐升高，层序性较为明显。

波速结构大致分为5层，结合钻探资料，波速层与地层大致有以下对应关系：

(1)第一层为第四系人工堆积层的反映，地面以下最小埋深4.3m、最大埋深7.1m范围，速度多在220m/s～330m/s之间，速度横向分布连续性一般；

(2)第二层反映为第四系全新统海冲积层及冲洪积层，埋深5.0m～16.0m，波速较低，速度值多在200m/s～300m/s之间，等值线表现为多处似椭圆状、条带状低速闭合圈；

(3)第三层为残积层，埋深5.2m～23.9m，波速值多在300m/s～350m/s之间；

(4)第四层为全～强风化花岗岩层，最小埋深10.5m，速度多在320m/s～450m/s之间；

(5)第五层为中～微风化花岗岩层，最小埋深12.4m，速度多大于450m/s，局部高速异常主要有2处，编号为yc1和yc2。

(1)yc1异常分布于里程yck54+002.5～yck54+013、埋深11.4m～14.3m范围，等值线呈中～高速闭和圈形态，初步推断为岩土体局部风化不均匀或基岩凸起有关；

(2)yc2异常分布于里程yck54+038.1～yck54+043.5、埋深7.4m～8.6m范围，等值线呈中～高速闭合圈形态，初步推断为岩土体局部风化不均匀或基岩凸起有关。

隧道左线(zl1线)，左线与右线相比波速结构趋势上具有相似性，横向上，由北山道站向盐田食街站方向波速等值线值逐渐抬升，垂向上，视横波速度等值线呈似层状分布，由上而下波速逐渐升高，层序性较为明显。

波速结构大致可划分为6层，结合钻探资料初步认为：

(1)第一层反映了第四系人工堆积层，地面以下最小埋深3.0m、最大埋深5.8m范围，速度多在210m/s～290m/s之间，速度横向分布连续性一般；

(2)第二层反映了第四系全新统海冲积层及冲洪积层，埋深3.0m～14.4m范围，波速较低，速度值多在200m/s～300m/s之间，等值线多呈似椭圆状低速闭合圈形态；

(3)第三层为卵石层，分布于zck53+895～zck54+053、埋深8.0m～16.0m范围，波速多在280m/s～320m/s之间；

(4)第四层为残积层，最小埋深约7.1m，速度多在300m/s～350m/s之间；

(5)第五层为全～强风化花岗岩层，最小埋深约8.5m，速度多在350m/s～450m/s之间；

(6)第六层为中～微风化花岗岩层，最小埋深约7.7m，速度大于450m/s。

左线无明显的独立的局部高速异常分布。

北山道站地连墙待挖段(al1线和bl1线)

羽毛球球场al1线，横向上，视横波速度等值线呈波浪形态，起伏较大，垂向上，波速等值线呈似层状分布，由上而下波速逐渐升高，具有一定的层序性。

波速结构大致可分为4层，结合钻探资料初步认为：

(1)第一层为第四系人工堆积层，地面以下最小埋深6.0m、最大埋深9.7m范围，速度多在270m/s～350m/s之间，速度横向分布连续性一般；

(2)第二层为残积层，埋深6.0m～14.0m，波速值较小，速度多在330m/s～350m/s间，横向分布均匀性一般；

(3)第三层为全～强风化花岗岩层，埋深10.7m～17.5m范围，速度多在350m/s～450m/s之间；

(4)第四层为中～微风化花岗岩层，埋深大于17.5m，速度大于450m/s。

局部高速异常有1处，编号为yc3，异常位于水平10.5m～13.0m、埋深6.9m～9.4m范围，等值线呈中～高速闭合圈形态，初步推断与岩土体风化不均匀机票基岩局部凸起有关。

羽毛球球场旁道路bl1线，横向上，波速等值线呈中间低、两侧高分布，起伏较大，垂向上，视横波速度等值线呈似层状分布，由上而下波速逐渐升高，层序性一般。

波速结构大致可分为4层，结合钻探资料初步认为：

(1)第一层为第四系人工堆积层，地面以下最小埋深5.4m、最大埋深7.2m范围，速度多在300m/s～400m/s之间，速度横向分布连续性较低；

(2)第二层为残积层，埋深5.4m～12.7m，速度在270m/s～400m/s之间，横向分布均匀性较低，等值线呈低速闭合圈形态；

(3)第三层全～强风化花岗岩层，埋深12.6m～18.4m，速度在380m/s～450m/s之间，横向分布均匀性一般；

(4)第四层为中～微风化花岗岩层，埋深大于18.4m，波速一般大于450m/s，随深度增加而增加，层序性较好。

局部高速异常1处，编号为yc4，异常处于水平9.5m～12m，、埋深8.0m～12m范围，等值线呈中～高速半闭合圈形态，初步推断为基岩局部凸起或孤石所引起。

根据微动探测结果，结合地质情况，从物探角度对隧道左右线区间所处地层分段进行了工程地质条件分析，表1为隧道右线(yl1线)，表2为隧道左线(zl1线)，表3为北山道站球场处连续墙待挖段(al1、bl1线)。

表1

表2

表3

以上对本发明的较佳实施例进行了描述，需要指出的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。