[发明专利]基于微动频散曲线和H/V曲线的地下不良地质体无损探测方法及应用

说明书

本发明为一种基于微动频散曲线和H/V曲线的地下不良地质体无损探测方法及应用。探测方法，它包括步骤1：采集多个测点的地表微震动信号；步骤2：分别计算微动台阵中的Rayleigh面波相速度频散曲线、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；步骤3：将各曲线形成等值线图；步骤4：根据等值线图中的异常特征推断解释异常地质体。本方法用于在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。本发明提高地铁盾构施工不良地质体探测中揭露孤石、岩溶概率，合理对盾构掘进施工安全性划分区域。具有现场采集方便，探测精度高，分辨能力强，同时缩短勘察工期、减少工程费用、降低勘探风险等优点。

技术领域

本发明涉及一种工程地球物理探测方法，尤其涉及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探测的基于微动频散曲线和H/V曲线的地下不良地质体无损探测方法及应用。

背景技术

地球表面无论何时何地都存在一种天然的微弱震动，称为地脉动或常时微动(Microtremor or Ambient vibration)，它源于自然界和人类的各种活动。自然界中的风、潮汐、气压变化、火山活动等都会产生震动；而人类活动产生的震动包括车辆移动、工厂机械运行，甚至人的行走等，前者频率小于1Hz，后者频率大于1Hz。

所有这些震动的能量将以波的形式向远处传播，微动是一种由体波(P波和S波)和面波(Rayleigh波和Love波)组成的复杂震动，并且垂直方向上面波的能量占信号总能量的70％以上。尽管微动信号的振幅和形态随时空变化而发生变化，但在一定时空范围内具有统计稳定性，可用时间和空间上的平稳随机过程描述。

花岗岩风化土中的球状风化核，俗称“孤石”，主要由不易风化的石英矿物形成石英角砾质残留核(球状风化核)组成，在我国南方燕山期花岗岩发育地区普遍存在，其形状各异，大小也从几十厘米到几米不等，强度可以达到100Mpa以上。孤石会给地铁盾构施工带来极大的风险，盾构机掘进中如果遇到未探明的孤石，经常会严重损坏盾构机，甚至会造成喷涌、塌方等意外情况。被动的处理孤石也会造成破坏环境、延误工期、堵塞路面交通，增加投资控制的不确定性等影响，造成的损失往往是巨大的。因此，在盾构施工开始之前探明孤石是非常有必要的。

孤石探测方法一般为钻探和地球物理勘探两大类。其中，钻芯取样方法最为直接，往往作为地铁设计阶段最主要的地质勘查手段。但钻芯取样只是“一孔之见”，仅能反映钻孔及其周围有限范围内的球状孤石分布，由于孤石的发育无明显规律性，埋藏及分布也较为随机，通过钻芯取样揭露球状孤石的信息十分有限,很难通过地质钻探查明其分布情况。虽然通过加密钻孔可以提高发现孤石的概率，减低工程风险，但受成本、场地条件等限制钻探常常难于实施。同时在城市道路中往往存在密集分布的电力、电信、雨水、污水、燃气、路灯的地下复杂管道等障碍物，钻探本身就具有相当风险。因此寻求一种适应城市复杂环境的地球物理方法来探测孤石势在必行。

城市地铁盾构施工孤石探测是公认的技术难题，如广州地铁建设中针对孤石的专题研究，采用多达十余种物探方法，由于地铁建设所处的城市综合环境复杂，电磁波类方法受城市复杂电磁背景干扰严重，常规地震方法及直流电法类受城市狭小地面空间、复杂地表情况等影响较大，各类跨孔CT方法有一定效果，相对常规地面物探方法优势明显，但孔间不同方法的效果也不尽相同,且受到孔间距的影响，不仅成本高，工期长。总体上诸多物探方法均达不到预期效果，尚难以推广使用。

浅地表微动探测利用的是微动信号中的高频段震动源，一般频率>1Hz，震动源主要与人类活动(交通工具、机器震动等)有关，震动源主要产生于地表，表现为白天/夜晚，工作日/休息日有明显变化。高频段的微动信号一般来自较近的震动源，震源大多数位于近地表。震动源很近时，微动波场包含体波和面波，距离震动源较远时，面波占主要能量。

目前的微动探测方法是以平稳随机过程理论为依据，从微动信号中提取面波(Rayleigh波)的频散曲线，通过对频散曲线的反演，从而获得地下介质的横波速度结构。