公路隧道工程风化层勘察中微动勘探技术的应用.pdf
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1、107交通科技与管理工程技术0引言公路隧道工程中浅层岩土体勘察是保证隧道掘进施工安全的前提。浅层岩土体中的风化层胶结性和完整性差,岩质软弱,缺乏必要的岩土体稳定性能,同时也面临严重的安全隐患。如果不注重掘进施工支护或是所确定出的支护方案及措施缺乏合理性,必然造成围岩大面积失稳坍塌、突泥、冒顶。当前,通常采用物探和钻探结合工艺展开风化层探测,单一物探技术必然存在局限,很难取得理想的探测效果;常规探测方法同时受到勘探深度局限,无法大尺度展开。微动探测技术近年来在河道治理、溶洞探测、采空区识别、地下孤石探明等方面得到较为成功的应用,但在地层界线探测中仍处于尝试阶段。微动勘探技术隶属于地震理论,施测原
2、理和过程与瞬态面波技术较为接近。瞬态面波在波阻抗存在且地球物理勘探条件具备的砂泥岩地层风化层中已经得到成功应用,可为微动探勘技术应用提供借鉴。也就是说,在地层界线勘探中应用微动勘探技术具有理论上的可行性。基于此,该文依托公路隧道工程实际,对微动勘探技术在隧址区软弱岩土层界线探测中的应用展开分析探讨,为公路隧道工程微动勘探积累实践经验。1微动勘探技术原理1.1探测原理地震引发的噪声及地层脉动均属于微动,微动勘探技术通常对面波和体波组合而成的复杂振动展开探测1-4。在地层结构内部原因及人类活动等外界因素的综合影响下,地层结构中必然面临振频在 020 Hz 的系统性振动,通过监测此种类型的微动,必然
3、可以间接掌握相应区域地下岩土体的地球物理特征。1.2绘制相速度频散曲线借助统计学原理及傅里叶变换将所获取到的初始微动信号重新输入频率域,这一流程内,探测中心点位与圆周任意点之间用此种思路推求到空间自相关系数相对应的频率域按照以下公式5-8表示:(,r)()()()()()()()*0012,AASrSfrrRealdJc fSrSrSS=,()()()()()()()()*200*000,122,AAASrSfrrRealdJc fSrSrSS=,(1)式 中,(,r)空 间 自 相 关 系 数 频 率 域;SA(r,)微动信号台阵采集中心点傅里叶变换函数值;S0()微动信号圆周任一点傅里叶变
4、换函数值;S*A(r,)微动信号台阵采集中心点共轭复数;S*0()微动信号圆周任一点共轭复数;J0 零阶贝塞尔函数;c(f)地震引发噪声及地层脉动等微动方面面波对应的相速度(m/s);f 地层结构中因各种原因引发的微动频率(Hz);r 微动勘探台阵设计半径(m)。根据以上思路来看,依托贝塞尔函数全面展开对地层结构中微动振频的计算以推求不同频率相速度,并据此应用相关数据结果绘制微动信号频散曲线;在此基础上对相关资料信息进行反演处理,同时借助波阻抗理论值和实测值之差计算横波实际传播速度。1.3微动提取 H/V 谱具体而言,在微动勘探过程实施时,主要借助三分量拾振器对所可能涉及的微动信号展开实地量测
5、与采集,相应得出分量垂直值与水平值相应频谱的取值比;采用适用的统计学分析技术展开参数反演;为避免迭代发散,收稿日期:2023-10-22作者简介:李文彪(1975),男,工学硕士,高级工程师,注册土木工程师(岩土),从事公路、水运工程的岩土勘察设计等工作。公路隧道工程风化层勘察中微动勘探技术的应用李文彪(江西省赣南公路勘察设计院有限公司,江西 赣州 341000)摘要为探索微动勘探技术在隧道工程风化层勘察中的可行性,文章在分析微动勘探技术原理及野外工作方法的基础上,以某岩土体表现出明显风化特征的公路隧道工程为例,对实施微动探测的基本条件进行分析,进而对测线布置、探测仪器选用、台阵布置及探测步骤
6、展开分析探讨;对微动勘探结果、钻孔取芯结果及工程地质勘察资料等进行比较。结果表明,公路隧道隧址区风化层微动勘探结果、钻孔验证结果与地勘资料完全吻合;微动勘探无损检测施测过程简便,数据采集及处理快速,测值精度高,对于公路隧道工程地质勘测十分适用。关键词隧道;风化层;地质勘察;微动勘探中图分类号P631文献标识码A文章编号2096-8949(2023)23-0107-042023 年第 4 卷第 23 期108交通科技与管理工程技术还应在反演过程中采用最大似然估计3。水平层状介质的微动面波 H/V 谱定义如下:()()()()()/NSEWmUDPPH VP+=(2)式中,(H/V)m()频率为
7、的微动面波 H/V 谱;PNS()、PEW()处于正交状态的水平运动傅里叶功率谱;PUD()处于正交状态的垂直运动傅里叶功率谱。频率为 的傅里叶功率谱按下式确定:()()211LXllPSL=(3)式 中,P()频 率 为 的 傅 里 叶 功 率 谱;L 并不具备重叠属性特征的资料段落对应的数量;SXl()运动方向主要以 X 向为主的第 l 个资料段展开微动处理时所对应的傅里叶函数。1.4野外施测过程结合此前对探测技术原理的分析,探测目的是影响微动勘探过程、方法及结果的主要方面,从操作层面看,可以展开单点观测,也可以直接进行剖面观测,施测原理、工作思路均大同小异。在展开具体的施测和勘察时,单点
8、观测这种技术和方法更具有普遍适用性,也有利于将取得到的观测资料串连为剖面数据。微动单点勘探在具体操作和展开时观测台阵布置形式如图 1 所示。其中,按照施测目的和便于展开方面的要求,顺时针布置 6 台仪器,分别为 S1(在圆心处)、S2、S3、S4、S5、S6,其余均布置在圆周;圆心与周围之间的距离按照 1.53 m控制。图 1单点勘探野外观测台阵在具体实施微动勘探操作期间,不同仪器之间数据的采集、收集、传输和处理均必须保持高度一致。单点观测工作方法下单次观测时长应控制在 1220 min 以内。2工程概况某公路隧道设计长度为 7.9 km,隧址区地下主要的地层为残坡积层粉质黏土,考虑此类由黏土
9、为主、历经较长时间所形成的半成岩材质软弱,胶结性不良,同时具有较大孔隙比,遇水后快速失稳,此种情况下遭到开挖、振动等扰动后会相应表现出崩溃、突泥、破碎等结果,对隧道施工安全及稳定极为不利。为此,必须结合地勘技术,全面查明隧址区地质条件及岩土体分化层分布,为隧道开挖提供可靠依据。应用物探方法展开隧址区地质界面探测时要求一定的物性差异存在。风化程度越高的岩土体破碎度及节理裂隙发育程度均越高,波阻抗差异也比微风化、中风化岩土体大。按照这一思路并结合前期勘察成果,得出该公路隧道隧址场区内岩土体介质物性取值情况,具体见表 1。从这种实地勘测结果得到,对相应待考察和探测的场地,岩土风化层和土石两个明显分层
10、间波阻抗值表现出十分悬殊的不同,物性迥然且明显可分辨,十分适用于展开微动探测。表 1隧址场区内岩土体介质物性岩土层类型电阻率/(m)横波波速/(m/s)纵波波速/(m/s)黏土101001003008001 500砂岩2003 0005002 5001 2004 500花岗岩6008 0001 0003 6004 0006 600结合工程实际,采用前述提出的设置圆形台阵以展开隧道风化岩土体微动探测的思路进行测试操作并收集数据,同时应用统计学方法和空间自相关提取频散数据,最后综合以上结果对速度参数展开反推9-10。3施测过程及结果3.1测线布置及观测仪器在展开公路隧道风化层勘察前,沿隧道左幅桩号
11、 ZK19+100ZK19+760 轴线布设 1 条纵向测线,标为-线;在左幅桩号 ZK19+670 处布设 1 条与纵向测线垂直的横测线,标为-;在左幅桩号ZK19+395 右侧和 ZK19+665 右侧布设 2 处验证孔,对测试结果进行验证。此次勘察主要采用中国地震局地球物理勘探中心提供的微动观测仪,微动信号观测、数据采集主要采用CMG-3ESPC 型宽频带地震计和 REFTEK 72-08A 型数据采集记录器。其中,地震计采用速度型三分量记录方式,频带 3050 Hz,使用 48 mA 电源,灵敏度达到 21 000 V/(m/s);动态范围在 145 dB 以上。数据采集记录器采样频率
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