城市复杂场地条件环境的微动探测方法与流程

本发明涉及城市施工领域，特别是涉及城市复杂场地条件环境的微动探测方法。

背景技术：

城市市政工程岩土工程勘察普遍采用钻芯取样法，主要采用地质钻机现场进行垂直钻孔取芯，进行对比验证，实验室进行土体的理化性能试验检测，确定其性能参数。但在城市中心区域进行垂直钻孔取芯存在以下问题急需解决。

(1)地质钻机垂直钻孔取样法实施期间需要围蔽占道中断交通，对交通通行影响较大，很多城市中心区域交通繁忙，不具备围蔽占道钻孔取芯施工的条件。例如某一工程位处海珠区城市中心区域交通主干道下方，无法中断交通。且隧道下穿地铁线、立交桥等建构筑物，其中地铁线的保护区域为前后各50m，加上地铁线本身，约造成150m范围内无法进行钻孔取芯。这样，现场勘察条件极为受限，常规的工程钻探无法实施，造成该段的地质资料缺失。

(2)在城市中心区域地下管线密集、地下建构筑物广泛分布，钻孔取芯需要地下管线、建构筑物等进行详细的调查才能进行，且钻孔期间容易破坏地下管线、建构筑物等。许多管线、地下建构筑物保护区域无法进行钻孔取芯，无法取得地质资料。也就是说，区域范围内地下管线众多，常规钻孔取芯法易造成管线、地下建构筑物破坏等问题，此类问题在繁华城区经常发生，如地质钻探破坏地下光纤、电缆、给水等管线以及钻探破坏既有电力隧道、地铁隧道的事故也在北京、上海、广州、深圳等大城市经常发生。

(3)钻孔取芯过程产生大量的泥浆易污染环境，对城市中心区域的环境影响较大。

因此钻芯取样法的制约因素极多，应用不便。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种城市复杂场地条件环境的微动探测方法。

一种城市复杂场地条件环境的微动探测方法，其包括以下步骤；

采集步骤：在地面的检波点采集城市复杂场地条件环境的微动信号数据；

提取步骤：对所采集的所述微动信号数据提取面波频散信息；

计算步骤：计算所述检波点的水平/垂直曲线；

处理步骤：根据所述水平/垂直曲线生成地质区域数据；

施工步骤：根据所述地质区域数据在城市复杂场地条件环境进行施工。

上述城市复杂场地条件环境的微动探测方法，通过检波点采集微动信号数据，以周围环境振动作为震源，无需人工震源，抗干扰能力强，对周边环境无特殊的要求，对地表条件要求较低，小面积即可操作，对周围环境不产生任何影响，不受电磁干扰；适应城市复杂环境尤其适用于极为复杂的周边环境，可运用于各种地质体的探测，且可以对相对较小的目标体进行探测；进行分析处理后确认地质区域环境是否符合施工条件，然后根据地质区域数据在城市复杂场地条件环境进行施工，从而避免了在城市复杂场地条件环境下采用地质钻机垂直钻孔取样法的不便及易造成破坏的问题，可以有效地在施工中保护地下隧道或地下光纤、电缆、给水等管线，且避免产生大量的泥浆影响城市环境尤其是复杂场地条件环境下的城市中心区域的环境。

在其中一个实施例中，处理步骤中，所述地质区域数据包括地质病害区域数据；且施工步骤中，根据所述地质病害区域数据，进行施工时避开所述地质病害区域数据所对应的地质病害区域。

在其中一个实施例中，所述微动探测方法还包括钻孔步骤：根据所述地质区域数据在城市复杂场地条件环境进行钻孔取样，且进行钻孔取样时避开所述地质病害区域数据所对应的地质病害区域。

在其中一个实施例中，钻孔步骤在施工步骤之前执行。

在其中一个实施例中，采集步骤中，在地面的多个检波点分别采集城市复杂场地条件环境的微动信号数据。

在其中一个实施例中，所述检波点包括多个检波器。

在其中一个实施例中，各所述检波器规则分布为圆形、正多边形、中心位置具有检波器的圆形或正多边形。

在其中一个实施例中，所述检波点包括地震仪，所述地震仪通过连接电缆与所述检波器连接。

在其中一个实施例中，所述检波点包括处理装置，所述处理装置与所述检波器无线连接。

在其中一个实施例中，提取步骤中，采用空间自相关法对所采集的所述微动信号数据提取面波频散信息。

附图说明

图1为本发明一个实施例的示意图。

图2为本发明另一个实施例的检波点的多个检波器形成六边形台阵示意图。

图3为本发明另一个实施例的检波点的多个检波形成中心六边形台阵器示意图。

图4为图3所示实施例的另一角度示意图。

图5为本发明另一个实施例的检波点的多个检波器形成圆形台阵示意图。

图6为本发明另一个实施例的检波点的多个检波器形成内嵌三角形台阵示意图。

图7为本发明另一个实施例的检波点的多个检波器形成十字形台阵示意图。

图8为本发明另一个实施例的检波点的多个检波器形成l形台阵示意图。

图9为本发明另一个实施例的检波点的多个检波器形成u形台阵示意图。

图10a为本发明另一个实施例的微动信号数据提取面波频散信息迭代10次计算示意图。

图10b为图10a所示实施例的微动信号数据提取面波频散信息迭代30次计算示意图。

图10c为图10a所示实施例的微动信号数据提取面波频散信息迭代200次计算示意图。

图10d为图10a所示实施例的微动信号数据提取面波频散信息迭代701次计算示意图。

图11为图10a所示实施例的计算归一化的功率谱密度等值线示意图。

图12为图10a所示实施例的计算归一化后的功率谱密度等值线示意图。

图13为本发明另一个实施例的处理步骤得到地质区域数据的二维剖面成图示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明一个实施例是，一种城市复杂场地条件环境的微动探测方法，其包括以下步骤；采集步骤：在地面的检波点采集城市复杂场地条件环境的微动信号数据；提取步骤：对所采集的所述微动信号数据提取面波频散信息；计算步骤：计算所述检波点的水平/垂直曲线；处理步骤：根据所述水平/垂直曲线生成地质区域数据；施工步骤：根据所述地质区域数据在城市复杂场地条件环境进行施工。上述城市复杂场地条件环境的微动探测方法，通过检波点采集微动信号数据，以周围环境振动作为震源，无需人工震源，抗干扰能力强，对周边环境无特殊的要求，对地表条件要求较低，小面积即可操作，对周围环境不产生任何影响，不受电磁干扰；适应城市复杂环境尤其适用于极为复杂的周边环境，可运用于各种地质体的探测，且可以对相对较小的目标体进行探测；进行分析处理后确认地质区域环境是否符合施工条件，然后根据地质区域数据在城市复杂场地条件环境进行施工，从而避免了在城市复杂场地条件环境下采用地质钻机垂直钻孔取样法的不便及易造成破坏的问题，可以有效地在施工中保护地下隧道或地下光纤、电缆、给水等管线，且避免产生大量的泥浆影响城市环境尤其是复杂场地条件环境下的城市中心区域的环境。

在其中一个实施例中，一种城市复杂场地条件环境的微动探测方法，其包括以下步骤的部分或全部。各实施例中，所述微动探测方法主要利用微动原理及其探测手段实现，地球表面无论何时何地都存在着一种天然的微弱振动，简称为微动，微动是一种由体波和面波组成的复杂振动，并且面波的能量占信号总能量的70％以上。微动探测是利用微动信号中的面波，并从中提取面波的频散曲线，通过对频散曲线的反演，得到地下介质的横波速度结构。频散特性与地下介质结构有关，因此通过采集城市复杂场地条件环境的微动信号数据可以了解频散特性，进而可获得介质结构信息，即城市复杂场地条件环境的相关地质信息。

在其中一个实施例中，采集步骤为或包括：在地面的检波点采集城市复杂场地条件环境的微动信号数据；可以理解，城市复杂场地条件环境的微动信号数据即该城市复杂场地条件环境的微动信号的数据，亦即城市复杂场地条件环境的数据，亦可称为城市复杂场地条件环境的微动信号。微动信号的周期从0.05s左右到数秒甚至更高的范围都有广泛分布，微动信号的振幅约为10^-4～10^-2mm，人们感觉不到，但精密仪器可以接收到微动信号。微动信号的频率范围为0～50hz，各频率成分具有如下特点：频率小于等于1hz的低频部分主要受气压变化、海浪等影响，白天和晚上几乎没有变化，主要用于地球中深部探测；频率大于1hz的高频部分主要受交通等人为因素的影响，白天或晚上，工作日或休息日均有明显变化，主要用于浅部地层探测；并且不同地点的微动信号的功率谱形状不同，同一地点不同时间的微动信号的功率谱形状相似。在其中一个实施例中，所述检波点包括地震仪，所述地震仪通过连接电缆与所述检波器连接；这样的设计，可以通过有线连接方式实现采集城市复杂场地条件环境的微动信号数据。和/或，在其中一个实施例中，所述检波点包括处理装置，所述处理装置与所述检波器无线连接。在各实施例所述采集步骤中，利用了微动的特征：(1)在地球表面无论何时何地都存在；(2)源的空间分布、触发时间及源的强度是随机的；(3)在某一固定的位置，波的到来方向一般不确定；(4)频率一般较低；(5)微动面波中携带有面波所固有的频散信息。

在其中一个实施例中，采集步骤中，在地面的多个检波点分别采集城市复杂场地条件环境的微动信号数据。进一步地，在其中一个实施例中，采集步骤中，在地面上的多个检波点分别采集城市复杂场地条件环境的微动信号数据。进一步地，在其中一个实施例中，所述检波点包括多个检波器。进一步地，在其中一个实施例中，所述检波器设置于地面例如地面上；或者，所述检波器的主体或主要部分位于地面上；在其中一个实施例中，所述检波器100％或超过90％位于地面上。在其中一个实施例中，每一所述检波点包括多个检波器。也就是说，多个检波点，每个检波点包括多个检波器，而这些检波器基本上都直接设置在地面上，因此具有放置方便、检测简单的优点，能够方便快速地实现采集城市复杂场地条件环境的微动信号数据。在其中一个实施例中，各所述检波器规则分布为圆形、正多边形、中心位置具有检波器的圆形或正多边形，即，一个检波点的多个检波器中，各所述检波器规则分布为圆形、正多边形、中心位置具有检波器的圆形或正多边形。在其中一个实施例中，如图2所示，六个检波器规则分布为正六边形，即六个检波器分别位于正六边形的六个顶点处；在其中一个实施例中，如图3及图4所示，七个检波器规则分布为中心位置具有检波器的正六边形，即一个检波器位于正六边形的中心位置处，其余六个检波器分别位于正六边形的六个顶点处。进一步地，在其中一个实施例中，每一所述检波点的各所述检波器共同形成一个采集台阵，可简称为台阵，所述采集台阵中的所述检波器规则分布为圆形、正多边形、中心位置具有检波器的圆形或正多边形。其中，圆形的半径或正多边形的外接圆的半径涉及对城市复杂场地条件环境的探测深度与探测精度，但是探测深度与探测精度往往是相互制约的，探测深度较大时探测精度较差，探测深度较小时探测精度较高。进一步地，圆形的半径或正多边形的外接圆的半径根据城市复杂场地条件环境而设置，进一步地，圆形的半径或正多边形的外接圆的半径根据目标城市复杂场地条件环境而设置，进一步地，根据目标城市复杂场地条件环境的范围而设置圆形的半径或正多边形的外接圆的半径；在其中一个实施例中，目标城市复杂场地条件环境的范围越大，则圆形的半径或正多边形的外接圆的半径越大；在其中一个实施例中，目标城市复杂场地条件环境的深度越大，则圆形的半径或正多边形的外接圆的半径越大，但是圆形的半径或正多边形的外接圆的半径越大，则采集台阵以及检波点所占用面积越大，容易受到地形制约。这样的设计，与传统的其它物探方法相比，微动勘探以周围环境振动作为震源，无需人工震源，抗干扰能力强，对周边环境无特殊的要求，对周围环境不产生任何影响，仅需在测试时采取短时间的交通管控；不受电磁干扰；适应城市复杂环境，可运用于各种地质体的探测，且对地表条件要求较低，小面积即可操作，台阵布设灵活，台阵半径；小台阵布设但探测深度大，台阵半径可根据项目情况自由选择，一般探测深度可达十几到几十米，可以满足城市市政工程勘探的探测要求。

在其中一个实施例中，提取步骤为或包括：对所采集的所述微动信号数据提取面波频散信息；面波(surfacewave)是地震波的一种，主要在地表传播，能量最大，波速约为3.8千米/秒，低于体波，往往最后被记录到。如果地震非常强烈，面波可能在震后围绕地球运行数日。面波实际上是体波在地表衍生而成的次生波。面波的传播较为复杂，既可以引起地表上下的起伏，也可以是地表做横向的剪切，其中剪切运动对建筑物的破坏最为强烈。进一步地，在其中一个实施例中，提取步骤中，对所采集的所述微动信号数据提取面波频散曲线，即提取步骤为：对所采集的所述微动信号数据提取面波频散曲线，其余实施例以此类推。在各实施例所述提取步骤中，通过从采集的微动数据中提取面波的频散信息，能够推断地下介质的速度结构。进一步地，在其中一个实施例中，提取步骤中，对所采集的所述微动信号数据提取瑞雷波频散曲线；在其中一个实施例中，提取步骤中，采用空间自相关(spac)法对所采集的所述微动信号数据提取面波频散信息。在其中一个实施例中，提取步骤中，采用空间自相关法或频率-波数域(f-k)法尤其是高分辨率频率波数域法对所采集的所述微动信号数据提取瑞雷波频散曲线。瑞雷波亦称瑞利波，是一种面波，也被称为“地面卷(ground-rol)”，是地震波中的一种弹性面波，它在介质的自由界面附近传播，其形成与传播直接与介质的物理特性有关。在二维空间中，瑞雷波传播时，其介质的质点振动图像是逆时针的椭圆形，椭圆的长轴垂直于自由界面，短轴与波的传播方向平行，长轴约为短轴的1.5倍，在三维空间有同样的情形。瑞雷波就是靠这种形式的质点振动及质点与质点间的相互影响传播的。由理论公式推导可知，瑞雷波传播的速度约为同介质内横波速度的0.92倍。因此，瑞雷波的传播速度可以反映介质的物理特性和存在状态。瑞雷波能力主要集中在地表下一个波长的范围内，而传播速度代表着半个波长范围内介质震动的平均传播速度。因此，可以巧妙地利用瑞雷波法的测试深度为半个波长。而波长与速度及频率有如下关系：设瑞雷波的传播速度为vr，频率为fr，则瑞雷波的波长λr为：λr＝vr/fr；因此，当速度不变时，频率越低，对于城市复杂场地条件环境的测试深度就越大。并且，瑞雷波有三个与被测地层有关的主要特征：a、在分层介质中，瑞雷波具有频散特性；b、瑞雷波的波长不同，穿透深度也不同；c、瑞雷波的传播速度与介质的物理力学性质密切相关。因此，利用瑞雷波的运动学特征和动力性特征，对所采集的所述微动信号数据提取面波频散信息，能够对城市复杂场地条件环境进行有效的工程地质检测，且检测结果准确可靠，因此应用于城市复杂场地条件环境中，可以对相对较小的目标体进行探测，适用于极为复杂的周边环境，且对周边环境影响较小。并且，微动探测这样的设计，巧妙地利用自然界和人类活动所产生的震动，并从中获取面波的频散特性以推断地下速度结构，从而有效的利用了环境噪声，减少了人工震源所带来的不便，这使得微动探测技术非常适合应用于城市的复杂环境，市区繁忙的交通不仅不影响观测，还为浅层微动探测提供了丰富的高频信号源。

在其中一个实施例中，计算步骤为或包括：计算所述检波点的水平/垂直曲线，即计算所述检波点的h/v曲线；亦即根据所述面波频散信息计算所述检波点的h/v曲线。在其中一个实施例中，计算步骤为或包括：根据所述面波频散曲线计算所述检波点的h/v曲线。在其中一个实施例中，计算步骤为或包括：根据所述瑞雷波频散曲线计算所述检波点的h/v曲线。

在其中一个实施例中，采集步骤中，在地面上摆放地震检波器连接仪器进行数据采集，采用圆形或梅花形台阵，圆心一个检波器，正五边形五个角上共五个检波器，合计6个检波器组成一个台阵，每个台阵为一个测点，每个测点的数据，即所述微动信号数据，在后续步骤通过计算可获得一条频散曲线。剖面上的多个测点经过反演可获得速度剖面图，反映的是地层的速度结构。这样，通过计算可以获取每个检波点的h/v曲线，每个台阵共可得到6条h/v曲线，h/v曲线上的峰值反映的是对应的频率处存在波抗阻界面，即反映的是不同土层之间的界面，进一步可以得到不同土层之间的深度。

在其中一个实施例中，处理步骤为或包括：根据所述水平/垂直曲线生成地质区域数据；h/v曲线中，其峰值频率f0表示场地覆盖土层的谐振频率，峰值频率f0越低表示基岩埋深越大，峰值频率f0越高，反映基岩埋深越浅；采用估算公式计算基岩深度：h＝vs/(4×f0)，其中，vs为覆盖层加权平均速度(m/s)；h为松散覆盖层厚度(m)。这样，就可以得到基岩深度；且如前所述，可以得到不同土层之间的深度。

在其中一个实施例中，施工步骤为或包括：根据所述地质区域数据在城市复杂场地条件环境进行施工。具体的施工方式根据实际需求设计即可。在其中一个实施例中，处理步骤中，所述地质区域数据包括地质病害区域数据；且施工步骤中，根据所述地质病害区域数据，进行施工时避开所述地质病害区域数据所对应的地质病害区域。在其中一个实施例中，一种城市复杂场地条件环境的微动探测方法，其包括以下步骤；采集步骤：在地面的检波点采集城市复杂场地条件环境的微动信号数据；提取步骤：对所采集的所述微动信号数据提取面波频散信息；计算步骤：计算所述检波点的水平/垂直曲线；处理步骤：根据所述水平/垂直曲线生成地质区域数据，所述地质区域数据包括地质病害区域数据；施工步骤：根据所述地质区域数据在城市复杂场地条件环境进行施工，其中，根据所述地质病害区域数据，进行施工时避开所述地质病害区域数据所对应的地质病害区域。其余实施例以此类推。

在其中一个实施例中，所述微动探测方法还包括钻孔步骤：根据所述地质区域数据在城市复杂场地条件环境进行钻孔取样，且进行钻孔取样时避开所述地质病害区域数据所对应的地质病害区域。在其中一个实施例中，进行钻孔取样，包括进行一个或多个钻孔取样；进一步地，在其中一个实施例中，进行钻孔取样，包括进行少量钻孔取样；其中，所述少量为1至5个，这样的设计，与少量钻孔相结合，可快速、准确的探查工程勘察及施工中所遇到的地质问题。在其中一个实施例中，钻孔步骤在施工步骤之前执行。在其中一个实施例中，一种城市复杂场地条件环境的微动探测方法，其包括以下步骤；采集步骤：在地面的检波点采集城市复杂场地条件环境的微动信号数据；提取步骤：对所采集的所述微动信号数据提取面波频散信息；计算步骤：计算所述检波点的水平/垂直曲线；处理步骤：根据所述水平/垂直曲线生成地质区域数据，所述地质区域数据包括地质病害区域数据；钻孔步骤：根据所述地质区域数据在城市复杂场地条件环境进行钻孔取样，且进行钻孔取样时避开所述地质病害区域数据所对应的地质病害区域；施工步骤：根据所述地质区域数据在城市复杂场地条件环境进行施工，其中，根据所述地质病害区域数据，进行施工时避开所述地质病害区域数据所对应的地质病害区域。其余实施例以此类推。进一步地，在其中一个实施例中，钻孔步骤包括：根据所述地质区域数据在城市复杂场地条件环境选取至少一安全点进行钻孔取样，且进行钻孔取样时避开所述地质病害区域数据所对应的地质病害区域。进一步地，在其中一个实施例中，钻孔步骤还包括：获得钻孔取样结果数据并根据所述钻孔取样结果数据更新所述地质区域数据。进一步地，在其中一个实施例中，钻孔步骤中，采用相当于常规钻孔30％～50％的孔径，这是因为已具有微动信号数据，钻孔取样结果数据只是作为辅助参考而非主要评价因素，所以即使是小孔径的钻孔取样亦足以满足对城市复杂场地条件环境的评价及进行后续施工。这样可以获得更精准的所述地质区域数据，并且，先在采集步骤通过检波点采集地质区域数据，有助于后续在钻孔步骤规避地下管道或线路，并且检波点采集微动信号数据配合少量钻孔取样结果数据，可更准确地探查工程勘察及施工中所遇到的地质问题；钻孔步骤的钻孔成果即钻孔取样结果数，应用于施工步骤中，有利于总体了解隧洞的地层结构、基岩埋深、断裂位置等，作出隧洞地震反射波解释成果图，成果图中能够按里程桩号分别对隧洞施工可能遇到的地质问题进行评价，指出盾构施工的地质病害区域，对隧洞施工及设计起到指导作用，从而在城市复杂场地条件环境进行施工时能够避开地质病害区域，避免造成破坏，有助于提高施工质量，节约施工时间。

各实施例的城市复杂场地条件环境的微动探测方法，具有以下优点：

(1)能够实现为城市工程建设浅地表纵向横向不均匀地质体提供无损探测，无须钻孔、环境友好、效率高、现场采集方便、探测精度高、分辨能力强，对于钻孔法效率提高50％即勘察工期缩短50％、费用降低约20％至30％，并且能够降低勘探风险，即不存在钻穿、钻断地下管线的风险；

(2)对地表条件要求较低，小面积即可操作，台阵布设灵活；小台阵布设但探测深度大，一般探测深度可达十几米到几十米，可以满足城市市政工程勘探的探测要求，相对传统钻孔场地占用率降低60％；

(3)以周围环境振动作为震源，无需人工震源，抗干扰能力强，不受电磁干扰；对环境没有特殊的要求及破坏，对周围环境不产生任何影响，仅需在测试时采取短时间的交通管控，相对传统钻孔，交通管控影响降低80％；

(4)适应城市复杂环境，可运用于各种地质体的探测，数据处理相对简单，纵横向分辨率较高，且能够重复利用故勘探成本相对传统钻孔降低50％。

(5)进一步地，在地面的检波点采集城市复杂场地条件环境的微动信号数据与少量钻孔相结合，得到地质区域数据，可高精度的确定地下界面的深度。

进一步地，在其中一个实施例中，所述采集步骤中，在地面的检波点利用检波器并采用高分辨率三分量数字地震仪，按二维台阵方式采集多个测点的地表微震动信号数据，每个测点采集记录时间10-15min；在其中一个实施例中，所述采集步骤中，在确定的探测施工区域，沿测线布设二维台阵并采用高分辨率三分量数字地震仪例如地空系三分量全无缆数字地震仪等采集地表微震动信号数据，二维台阵根据场地实际条件采用如图5所示的圆形台阵、如图6所示的内嵌三角形台阵、t形台阵、如图7所示的十字形台阵、如图8所示的l形台阵、如图9所示的u形台阵中的一种或者几种组合，采集时间在10-15min。这样，可以在地面的检波点得到原始采集数据，即城市复杂场地条件环境的微动信号数据。

在其中一个实施例中，所述提取步骤用于实现所述采集步骤所得到的原始采集数据的预处理以及处理分析；在其中一个实施例中，所述提取步骤中，分别对所采集的数据进行反演，即分别对所采集的所述微动信号数据进行反演，提取瑞雷波频散曲线，即通过提取面波频散信息得到瑞雷波频散曲线；在其中一个实施例中，所述提取步骤中，分别对所采集的数据进行反演，并分别计算所采集每个微动台阵中的瑞雷面波相速度频散曲线。进一步地，所述提取步骤中，对微震动信号即微动信号数据地表进行预处理，去除短时瞬态源的干扰强震动信号，将地表微震动信号划分为多个时间窗，用高分辨率频率波数法计算各个时间窗和不同频率对应的慢度，统计所有时间窗的慢度概率分布，舍弃误差大且明显偏离频散曲线形态的频散点，求出各个频率的慢度平均值，得到瑞雷波相速度频散曲线。这样，通过采用高分辨率频率波数法，比传统的cvfk法以及spac法的勘探深度都要大的多，一般能达到20倍台阵半径的探测深度，覆盖层速度较大时能达到30倍的探测深度。

在其中一个实施例中，所述计算步骤中，分别计算台阵中检波器各测点的h/v曲线及台阵几何平均h/v曲线；其中，台阵中检波器各测点的h/v曲线和台阵几何平均h/v曲线的形态分为5类，不同类型的h/v曲线形态反映了不同的地层结构，其分类依据包括：

a类型：尖单峰，曲线形态特征：一般对应二层介质结构，即较软的覆盖层下伏基岩，分层界面处的波阻抗差比较大；

b类型：缓单峰，曲线形态特征：一般表示基岩界面有倾斜或接近基岩时有波阻抗值较接近的地层，如公路标准的碎块状强风化岩；

c类型：双峰，曲线形态特征：表示在不同深度有二处波阻抗差比较大的地层；

d类型：前台阶型，曲线形态特征：表示在波阻抗差相对较大的地层下方还有波阻抗差相对反映明显的地层；

e类型：后台阶型，曲线形态特征：表示在波阻抗差相对较大的地层上方还有波阻抗差相对反映明显的地层。

进一步地，在其中一个实施例中，所述采集步骤中，对原始采集数据进行预处理，选择合适的临界值来去除极端样点值，选择合适的sta/lta比值区间去除短时瞬态源带来的干扰信号，形成平稳的微动信号数据，采用这些微动信号数据作为微动数据文件输出给后续的提取步骤；在其中一个实施例中，所述提取步骤中，设置合适的时窗长度，对平稳的微动信号数据进行分窗；即对预处理后的平稳数据进行分窗处理。在其中一个实施例中，所述提取步骤中，利用快速傅里叶变换得到分窗的功率谱密度数据，即对分窗后的微动信号数据进行快速傅里叶变换，得到分窗的功率谱密度数据。在其中一个实施例中，所述提取步骤中，对分窗处理的功率谱密度数据，使用统计学中的几何平均的方式得到各个测点分量的功率谱密度数据；即使用统计学中的几何平均的方式，对分窗的功率谱密度数据进行统计，得到各个测点分量的功率谱密度数据。在其中一个实施例中，所述提取步骤中，还进行能量归一化处理，在其中一个实施例中，所述提取步骤中，针对三分量的数据进行能量归一化处理，并形成经处理后的数据文件，即对各个测点分量的功率谱密度数据进行能量归一化处理，并形成经处理后的数据文件，进一步地，以所述处理后的数据文件作为面波频散信息。在其中一个实施例中，所述提取步骤及所述计算步骤一并设置；在其中一个实施例中，所述微动探测方法中，对所述处理后的数据文件，采用matlab程序选择目标区进行各测点的归一化处理，绘制单分量和三分量的频率-功率谱密度剖面，突出目标区的异常；用matlab程序将各测点的瑞雷面波相速度频散曲线和台阵几何平均h/v曲线分别形成二维面波相速度或视速度等值线图和h/v曲线等值线图；其中，二维面波相速度或视速度等值线图纵坐标采用频率或拟合的深度。在其中一个实施例中，matlab程序中涉及的面波频散曲线频率和深度的转换关系如下：

a、根据基阶波半波长理论穿透深度h＝λ/2得到各个频散点的初始深度值，其中，λ为波长；

b、使用公式h＝a*exp(-b*freq)+c，依据最小二乘法拟合得到各频点的深度值。

在其中一个实施例中，所述处理步骤中，基于地震波传播理论进行分析，根据瑞雷波的传播、质点运动及椭圆极化，并依据场地附近钻孔资料和周围地质情况，综合三分量功率谱密度剖面进行分析处理，根据二维面波相速度等值线图中的异常特征和h/v曲线等值线图的异常特征推断解释异常地质体，生成地质区域数据。其中，根据孤石的地球物理特征及二维面波相速度或视速度等值线图和h/v曲线等值线图的解释原则，可以将测试结果的异常大致分为四大类，其中异常即代表存在孤石的可能性：

ⅰ类异常：局部速度稍偏高或者偏高；或者无明显速度偏高但h/v曲线中出现小峰值频率对应较好等情况。该类异常对应的可能是岩土层分界面或者不均匀风化，出现孤石的可能性极小；

ⅱ类异常：局部速度稍偏高或者偏高，且h/v曲线中出现小峰值频率对应较好或者大峰值频率对应较差；或者无明显速度偏高但h/v曲线中出现大峰值频率对应较好等情况。该类异常对应的可能是波阻抗差比较大的岩土层分界面或者不均匀风化，出现孤石的可能性较小；

ⅲ类异常：速度明显偏高；或者速度稍偏高或者偏高，且h/v曲线中出现大峰值频率对应较好等情况。该类异常对应的可能是速度较高的岩土体或不均匀风化，出现孤石的可能性较大；

ⅳ类异常：速度明显偏高且h/v曲线中出现大峰值频率对应较好。该类异常对应的可能是速度较高的岩土体或不均匀风化核，出现孤石的可能性极大；

在其中一个实施例中，所述施工步骤中，根据微动探测的成果即地质区域数据进行钻探验证，对于正常速度和h/v曲线单尖峰类型的测点无需验证，直接判断为安全区，ⅰ类异常、ⅱ类异常布置少量钻孔验证，分析异常原因，对同类异常予以排除，钻探验证的重点放在ⅲ类异常、ⅳ类异常位置。

下面再给出一个具体应用的实施例，所述微动探测方法中，对原始采集数据进行预处理，选择合适的临界值来去除极端样点值，选择合适的sta/lta比值区间去除短时瞬态源带来的干扰信号，形成平稳的微动数据文件；设置合适的时窗长度，对预处理后的平稳数据进行分窗；利用快速傅里叶变换得到分窗的功率谱密度数据；对分窗处理的功率谱密度数据，使用统计学中的几何平均的方式得到各个测点分量的功率谱密度数据；能量归一化处理，针对三分量的数据进行能量归一化处理，并形成经处理后的数据文件；经处理后的数据文件通过matlab程序选择目标区进行各测点的归一化处理，绘制单分量和三分量的频率-功率谱密度剖面，突出目标区的异常；用matlab程序将各测点的瑞雷面波相速度频散曲线和台阵几何平均h/v曲线分别形成二维面波相速度或视速度等值线图和h/v曲线等值线图；其中，二维面波相速度或视速度等值线图纵坐标采用频率或拟合的深度；基于地震波传播理论进行分析，根据瑞雷波的传播、质点运动及椭圆极化，并依据场地附近钻孔资料和周围地质情况，综合三分量功率谱密度剖面进行分析处理，根据二维面波相速度等值线图中的异常特征和h/v曲线等值线图的异常特征推断解释异常地质体，生成地质区域数据。根据微动探测的成果进行钻探验证，对于正常速度和h/v曲线单尖峰类型的测点无需验证，直接判断为安全区，ⅰ类异常、ⅱ类异常布置少量钻孔验证，分析异常原因，对同类异常予以排除，钻探验证的重点放在ⅲ类异常、ⅳ类异常位置。这样的设计，实现了现场采集方便、探测精度高、分辨能力强的基于利用微动频散曲线和h/v曲线的无损探测方法即所述微动探测方法，可用于城市工程建设中浅地表100m深度范围内纵向横向不均匀地质体的探测；并且高分辨率频率波数法得到的频散曲线效果最好，对高阶波和基阶波都有反映；由瑞雷面波相速度频散曲线推断地层横波速度结构，由于横波速度小，分辨率较高；瑞雷面波相速度频散曲线对地层横向的速度变化极其敏感，可极大提高分辨异常地质体的概率。这样，在处理步骤中由微动探测原理可知微动探测得到的是观测阵列所覆盖范围内地下结构的平均横波分布，进一步地，微动探测与少量钻孔结合，可以得到较准确的地下结构的二维剖面。这样的设计，采用了微动探测，对环境无特殊要求，非常适合应用于闹市区，与传统的地震反射波勘探不同，各实施例利用“噪音”作为测试震源，市区繁忙的交通不仅不影响观测，还为浅层微动勘探提供丰富的高频信号源。且微动勘探不需要人工激发的震源，对周围环境不产生任何影响，仅在测试时进行交通布控，当天测试完成，立即撤走布控设施，有利生态环境保护，并且布控设施还可以重复使用。

各实施例的城市复杂场地条件环境的微动探测方法，适用范围包括：

(1)盾构施工地质勘查分析；

(2)城市地下病害体尤其是空洞或疏松体；

(3)岩溶探测；

(4)既有建构筑物的地基基础；

(5)其他：断裂带、基岩起伏、滑动面、地层注浆加固效果、覆盖层主要层位划分等。

下面再给出一个具体应用的实施例，在其中一个实施例中，在地面的检波点采用如图5所示圆形台阵采集城市复杂场地条件环境的微动信号数据；不同采集时长的迭代结果如图10a至图10d所示，如图10a所示为迭代10次结果，如图10b所示为迭代30次结果，如图10c所示为迭代200次结果，如图10d所示为迭代701次结果，可见随着采集时长，迭代次数增加，曲线趋于稳定。计算处理得到归一化后的功率谱密度等值线图分别如图11和图12所示。

下面再给出一个具体应用的实施例，所述微动探测方法包括以下步骤的部分或全部。

步骤①.数据采集：在确定的探测施工区域，沿测线布设二维台阵并采用高分辨率三分量数字地震仪采集地表微震动信号数据；二维台阵根据实际场地条件合理采用圆形台阵、内嵌三角形台阵、t形台阵、l形台阵、十字形台阵、u形台阵中的一种或者几种混合，采集时间在10-15min，在其中一个实施例中，采集时间为12或13分钟。一般来说，二维台阵采用圆形台阵。圆形台阵能顾及各个方向来的震动信号。当场地条件受限制时，宜灵活采用内嵌三角形台阵、t形台阵、l形台阵、十字形台阵、u形台阵等，台阵尽量对称布设。一般而言，检波器布设越多，边长越多，提取的频散曲线越准确；采用6台检波器构成的圆形台阵是较为经济合理的方式，其中圆心一台，圆周均匀分布5台。

步骤②.原始采集数据的预处理以及处理分析，具体包括以下步骤。

流程⑴.对原始采集数据进行预处理，选择合适的临界值来去除极端样点值，选择合适的sta/lta比值区间去除短时瞬态源带来的干扰信号，形成平稳的微动数据文件；其具体处理方式如下：

i.设置临界值来去除包含较大振幅的极端样点信号；

ii.应用sta/lta去除短时瞬态源的干扰信号，sta为短时窗的绝对振幅平均值，lta为长时窗的绝对振幅平均值；

式中，ai，aj分别为采样点i，j的信号的振幅值，设置合适的sta/lta比值区间来去除短时瞬态源干扰信号。

流程⑵.对预处理后的平稳数据进行时间分窗处理分析：设置合适的时窗长度，对数据进行分窗；

流程⑶.利用快速傅里叶变换得到分窗的功率谱密度数据；

流程⑷.采用在流程⑵.设置的合适的时窗长度，对预处理后的平稳数据进行分窗；

流程⑶.利用快速傅里叶变换得到分窗的功率谱密度数据；

流程⑷.对分窗处理的功率谱密度数据，使用统计学中的几何平均的方式得到各个测点分量的功率谱密度数据；几何平均可以稳定的处理样本中的极端值，是接近正态分布样本的统计方式；

流程⑸.能量归一化处理，针对三分量的数据进行能量归一化处理，并形成文件；采用能量归一化处理，可提高剖面的连续性；为了避免不同时间采样能量不同造成的异常，针对三分量的功率谱密度数据进行处理。其具体处理方式如下：

i.对三分量功率谱密度各自的频率积分得到各自的能量谱；

ii.求和得到三分量能量谱总和；

iii.对所有测点依据各自的能量谱总和进行能量归一化处理。

步骤③.绘制成果图件：流程5的文件通过matlab程序选择目标区进行各测点的归一化处理，绘制单分量(z分量)和三分量(x、y、z分量)的频率-功率谱密度剖面，突出目标区的异常；

步骤④.分析解释：基于地震波传播理论进行分析解释，涉及到瑞雷波的传播、质点运动、椭圆极化；依据场地附近钻孔资料和周围地质情况，综合三分量(x、y、z分量)功率谱密度剖面进行分析解释。

这样，所述微动探测方法主要应用于城市工程建设中浅地表100m深度范围内纵向横向不均匀地质体的探测。探测内容包括地铁盾构施工中花岗岩球状风化核(孤石)、不良地质体、基岩面埋深与起伏形态、地下障碍物、岩溶、土洞、空洞。

下面再给出一个具体应用的实施例，所述微动探测方法用于对某地的地铁的车站地下连续墙施工不良地质体微动探测。

工程概况：地铁某车站所在场地均为道路及其附属辅道、人行道、绿化带等，地形较平坦，其中线路北侧分布较多高层建筑，沿线周边环境条件较复杂。本场地原始地貌均属滨海的海积区。受城市开发建设影响，沿线均已被人工挖填整平，现状地形平坦，地面高程一般在2～3m。场地岩土层从上到下主要为填土(填石)、淤泥(质土)、粉质粘土、中砂、残积砂质粘性土及花岗岩风化岩(局部辉绿岩)。根据勘察资料揭示，本场地花岗岩差异风化特别明显，残积层及全风化带～强风化带中普遍存在风化核(孤石)。

微动探测的观测系统主要采用正五边形圆形阵列即圆形台阵，如图5所示，每个圆形阵列由放置于正五边形顶点和中心点的6个检波器组成，正五边形顶点到中心点的距离称为观测半径r。根据现场场地条件的不同，分别采用了2.5m半径的台阵进行观测，按5m测点间距逐点进行，以形成二维剖面观测。

1、仪器设备

本次微动探测采用sws-6工程地震仪结合三分量检波器完成微动数据采集。检波器埋置于地面，把地震波引起的地面震动转换成电讯号并通过电缆将电讯号送入地震仪；数字地震仪将接受到电讯号放大、经过模/数转换器转换成二进制数据、组织数据、存贮数据。

2、原始采集数据的预处理以及处理分析。

3、得到二维剖面成图如图13所示。图中横坐标为里程桩号，纵坐标为频率(hz)，不同灰度代表功率谱能量大小，低值说明对应频率波阻抗小，髙值说明对应频率波阻抗大。图中4-7hz相对连续的能量代表基岩面的起伏情况，基岩面以上有4处明显的异常，图中黑色方框位置，分别命名为异常a、b、c、d，4个异常的横向宽度分别为25m、25m、20m、50m。异常的埋深依据圆形台阵提取的频散曲线，按对应频率的半波长估算。

4、根据探测成果进行施工。

需要说明的是，本发明的其它实施例还包括，上述各实施例中的技术特征相互组合所形成的、能够实施的城市复杂场地条件环境的微动探测方法。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。