基于被动源面波的城市地下空洞探测研究

基于被动源面波的城市地下空洞探测研究

曾荔

中铁西南科学研究院有限公司，成都，611731

摘要：近年来，为了满足人口增长和城市快速扩张的需求，对地下空间的开发越来越频繁，地下空洞时刻威胁着城市地下空间的建设安全，由于空洞的规模、大小、埋深不一，导致空洞的无损探测一直以来是一个难点问题。随着技术的发展，被动源面波由于其具有较高的分辨率以及较深的探测深度被逐渐运用于城市地下空洞探测领域。本文采用被动源面波的频散特性对城市地下空洞进行实际探测研究，验证了被动源面波在城市地下空洞探测中的可行性。

关键词：地下空洞；被动源面波；频散特性

0 引言

被动源面波探测又称为噪声源探测，当地震波被激发后会产生体波和面波，面波的能量强，沿着近地表传播，其在水平方向衰减较慢，在深度方向呈指数衰减，具有较高的分辨特性，常用于工程勘探和工程检测领域。面波的速度频散特性是进行地下空洞等异常探测的基础，与人工主动激发地震波的形式不同，被动源面波勘探是一种利用天然震源激发的地震波，其最早被Aki发现[1]，Aki利用天然震源产生的低频面波提取频散曲线，对地层进行了反演，实现了被动源面波勘探的理论突破，Aki后续又在主、被动源联合勘探方面做了诸多研究，推动了被动源面波勘探的技术发展。我国被动源面波探测起步较晚，于2000年后开始引入被动源勘探技术，2010年，赵东[2]阐述了被动源面波勘探的基本原理及流程，并举例说明了被动源面波的数据采集方法；2015年，黄真萍等[3]以福州地铁为对象，进行了主动源面波与被动源面波的联合勘探的对比研究，并进行了实际探测中各自方法适用性的总结；2021年，杨杭[4]通过提取37条频散曲线集成二维速度剖面，判断除了城市地下防空洞的位置和埋深，并与钻孔揭示情况相吻合。

1 被动源面波探测的布阵方式

被动源面波探测主要指通过阵列检波器接收大地自身微震信号的探测方法，被动源面波探测数据处理主要利用面波的频散特性进行地下岩土介质的反演[5]。不同的检波器阵列方式会影响探测的深度和分辨率。常见的检波器台阵的阵列方式有空间自相关法(SPAC)及以及其衍生出扩展空间自相关法（ESPAC）。

1.1 空间自相关（SPAC）法

由于天然地震源的面波信号方向是随机的。为了消除震源方向随机性对探测结果产生影响，并在数据处理中得到质量较好且完整的地震信号，采用空间自相关法布置检波器观测台阵，一般采用同心圆的方式布阵，这样空间自相关系数的计算会更简单，现场采用的检波器台阵数量少，可以节省检测时间及提高现场作业效率，台阵对距离 r 可以取两个值，即外接圆半径 r 和等边三角形边长1.73r。若采用其他不同半径的同心圆检波器台阵阵列进行地震数据的采集，还可以获得更宽范围的相速度。一个SPAC观测台阵最少需要4个检波器台站，有一个布置在同心圆的圆心，另外三个分别布置在同心圆的圆周，他们之间的夹角维120度，三个布置在圆周的台站形成一个正三角形。

空间自相关（SPAC）数据后处理主要包含以下内容：1、对地震设备进行响应校正等准备工作；2、利用不同的台站间距对同心圆台阵进行划分，对每一个台站距离分别进行数据处理；3、把长时间采集的地震信号划分成多段信号，检查每一段的地震信号，剔除掉明显的坏道和干扰信号；4、将每段地震信号做傅里叶变换，将地震信号转换为时域信号；5、对每段地震数据每个频率计算两台站之间的空间自相关系数，并计算出某台阵最终的空间自相关系数；6、对相邻台阵计算空间自相关系数，并计算频散特性，获取频散曲线；7、根据频散曲线进行地层反演，对地层中的空洞异常体进行评价。

图1 SPAC 台阵

1.2 扩展的空间自相关（ESPAC）法

空间自相关法通过布置圆形台阵进行地震数据的采集，但是在实际探测过程中受场地条件等因素影响不能布置成圆形的台阵，而且圆形台阵的数据采集方式有一个明显的缺陷，即不同台站数据采集时的时间不同，实际上不同台站距离之间的地震数据能一起处理，不用分别求解各自的自相关系数。这种地震数据联合处理的方法被称为扩展的空间自相关法（ESPAC），随着该技术的发展和广泛运用，对检波器台阵的布阵方式进行改进，使得检波器台阵变成“L”形、“十字”形、“直线”形、“Т”形等形状，解决了圆形台阵实际探测效率低解译繁琐的问题，本文主要采用“直线”形的扩展的自相关法进行研究，其布阵方式如图如图7-5(b)所示。

在城市地下空洞探测中，利用被动源面波的频散曲线可分析不同深度的岩土特性，可以据此对城市地下空洞进行探测。在带有空洞的地层中，面波的相速度和频率均会发生改变，根据提取出的频散曲线可以对地下空间的空洞位置和埋深等情况进行判断。

（b）改进的ESPAC直线型台阵

  图2 ESPAC台阵

2 被动源面波实际探测研究

选择成都市某工点采用被动源面波进行地下构筑物的实际探测，数据采集区位于成都某地铁区段的上方，该区段内地铁隧道埋深18米，地铁隧道断面高度6米，该工点位于川西平原岷江水系Ⅱ级阶地上，地势平坦，起伏小，地形地貌条件简单，地面高程约498.1～500.1m。该工点具有成都市工程地质的普遍特点，经岩土工程勘察得到的地层依次为：第四系全新统人工填土（Q4ml）、第四系全新统冲积层（Q4al）、第四系上更新统冰水沉积、冲积层（Q3fgl+al）。

本次测试采用ESPAC直线型的被动源面波采集方式，用5米道间距，12个4Hz低频检波器组成的排列观测系统，数据采集时对每一个测点进行多次重复叠加采集，并根据后处理结果选用最佳的叠加采集点数。对采集的地震数据分别用1、5、10、15个叠加点作数据处理，图3为它们各自的F-V域图谱。            

（a）叠加点数为1                         （b）叠加点数为5

（c）叠加点数为10                   （d）叠加点数为15

图3 不同采集叠加点数对应的F-V图谱

从上图可以看出当某测点的叠加点数为1时，能看出频散曲线的大致走向，但能量团分散，不易提取出完整的频散曲线；当叠加点数为5时，能看出频散曲线的走向，但能量团较分散，虽然能提取出频散曲线，但是效果不佳；当叠加点数为10时，能看出频散曲线的走向，能量团较集中，能提取出频散曲线；当叠加点数为15时，能清晰地看出频散曲线的走向，能量团集中，能较容易地提取出频散曲线，且脊线的能量团要强于叠加点数为10的情况；但是叠加点数为15时采集需要的时间更长，综上分析上述几种情况，最终得出当叠加点数为10时，所得到的频散曲线能量团集中，能清晰地看出频散曲线地走向，同时采集的用时较短，所以在数据采集时最终选用的叠加点数为10。

根据被动源探测原始数据的频带分布图，被动源面波的频带分布为4~30Hz，所以在进行频散曲线提取时采用30Hz以内的数据，超过30Hz的数据进行滤除。对10个同一测点的地震数据进行合并频率谱，对合并之后的频率谱进行合成，合成的最终f-v图谱见图4，由于视速度的存在，为了提取出的速度接近真实速度，提取频散曲线时沿着小速度方向一侧进行提取。

图4 提取频散曲线

对所得的每条频散曲线进行集成，集成频散曲线，如图5所示，其中纵坐标代表探测深度，由于地下地铁隧道的存在，每条频散曲线均有一个随着深度的增加速度先增大后减小的过程。此外，可以看出在0-5米的区域内没有频散曲线分布，实际上微动探测主要是利用自然界外部的震动作为激发震源，所采集的信号多为低频信号，由于高频信号较少且由于地表浅层高频信号的损失，造成了微动探测也有一个盲区，该盲区的范围为0-5米。

图5 集成频散曲线

集成频散曲线后最终合成相应的速度剖面，速度剖面如图6所示，其中横坐标代表里程，里程坐标为：DK26+485~DK26+540，纵坐标代表探测深度，深度坐标为：0~40米。色标带表面波速度。黑色线条之间得区域代表实际的隧道区域，可以看出当测线沿着隧道走向布置时在隧道区域的位置出现了高速异常区域，该区域正好与隧道的埋深相吻合，。

图6 速度剖面

图7为测线在KD26+510里程点垂直于隧道走向布置时的速度剖面图，可以看出在隧道区域内出现了高速异常的区域。从横断面的速度剖面均可以看出隧道边界相应区域内表现出高速异常。

图7 KD26+510里程点横断面的速度剖面

从上述探测可以看出，当采用改进的ESPAC直线型排列进行微动探测时，选用5米道间距，12个4Hz低频检波器组成的排列观测系统能够探测到地面以下40米深度，能成功探测到地面以下埋深18米，尺寸6米的地铁隧道，基于微动探测理论可以得出微动探测时当采用5米道间距能探测出地下尺寸大于5米的空洞，且同时由于高频信号的损失，0-5米为微动探测的盲区。

3 结论

本文主要介绍了被动源面波探测的基本原理、布阵方式以及开展了基于被动源面波的地下隧道的探测研究，通过研究被动源面波的频散特性得到以下几点结论：

1)当采用改进的ESPAC直线型排列进行微动探测时，选用5米道间距，12个4Hz低频检波器组成的排列观测系统的有效探测深度为40米。

2)由于高频信号的损失，0-5米为被动源面波的探测盲区。

3)采用被动源面波对地铁隧道进行探测，探测得到的隧道位置和埋深与实际建设情况相符，被动源面波探测方法是一种对于城市地下空洞探测有效的方法。

参考文献

[1]Aki，K.，Riehards，P.G.Quantitative seismology：Theory and methods[M].W.H.Freeman and ComPany，1980.

[2]赵东.被动源面波勘探方法与应用[J].物探与化探,2010,34(06):

[3]黄真萍,朱鹏超,胡艳.主动源与被动源面波勘探方法对比分析与应用[J].路基工程,2015(01):15-19.DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.2015.01.04.

[4]杨杭,李宇,杨智等.主被动源面波探测城市地下空洞[C]//长安大学;,2021:

[5]毋光荣,余凯,马若龙. 天然源面波勘探技术在工程中的应用研究[J]. 工程地球物理学报,2013,03:279-285.