0 引言
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，大小从几十厘米到几米不等，强度可以达到100 MPa 以上［1 － 2］。孤石会给地铁施工带来极大风险，盾构掘进中若遇到未探明的孤石，经常会严重损坏盾构，甚至会造成喷涌、塌方等意外情况;被动地处理孤石可能会造成环境破坏、工期延误、路面交通堵塞和投资控制的不确定性增大等问题，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非常有必要。
孤石探测方法一般分为钻探和地球物理2 大类。由于孤石的发育无规律性，埋藏及分布较为随机，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，降低工程风险，但受成本和场地条件等限制，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、燃气和路灯的地下复杂管道等障碍物，钻探本身就具有很高风险［3］。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，常规地震方法及电法类受城市狭小地面空间和复杂地表情况影响较大，各类跨孔CT 方法虽有一定效果，但也受到孔间距等影响，诸多物探方法均达不到预期效果［4 － 10］。
福州地铁1 号线的盾构施工同样遇到了孤石问题［11］，对此，采用微动方法解决了孤石探测这一技术难题。这里介绍福州地铁1 号线几个盾构区间孤石探测的成功案例，希望可对类似工程提供参考。
在世界上不同的地区和国家，微动有不同的名称。在美洲，称为被动源面波( Passive Surface Wave) ; 在日本，称为微动( Microtremor) ; 而在欧洲则是环境随机振动( Ambient Vibration) ; 在我国，有时又叫作天然源。尽管名称各异，但实质相同。如今，在美洲、欧洲和日本等地区和国家，微动探测方法在无损检测和场地地震评价中的应用日益广泛，但运用于浅地表工程领域的孤石探测基本没有。国内徐佩芬等［12 － 14］在这方面开展了比较多的研究工作，成功将微动方法应用于探测地热断层、煤炭陷落柱等中深部勘探以及岩土工程尺度的城市地铁勘察; 在深圳地铁7 号线采用微动方法得到2 个剖面共19 个勘探点的速度，并对可能存在的花岗岩孤石进行划分，但未见钻探验证资料。总体而言，微动探测方法在岩土工程方面的应用较少，在国内尚处于起步阶段。
1 微动与微动勘探
地球表面存在一种微弱波动，它源于自然界和人类的各种活动。自然界中的风、潮汐、气压变化和火山活动等都会产生振动，而人类活动产生的振动包括车辆移动、工厂机械运行，甚至人的行走等。所有这些振动的能量都以波的形式向远处传播，其中含有各种体波，但能量传播的主要形式是面波，因此微动方法也可以称为被动源面波法。
微动震源通常分为2 大类———自然现象和人类活动，以对应震源的不同频段。低频段信号反映深部地层信息，而岩土工程尺度的探测主要使用高频段的信号，如孤石探测要求的深度较浅，其震源主要为测点附近数百米内的交通和机器振动。当震源距离台阵较近时，微动波场包含体波和面波; 当震源距离台阵较远时，面波则为主要传播形式。
微动是一种由体波( P 波和S 波) 和面波( Ｒayleigh波和Love 波) 组成的复杂振动，并且面波的能量占信号总能量的70% 以上，大部分的能量以基阶模式传播。垂直分量检波器仅能探测到Ｒayleigh 面波，水平分量的检波器能同时探测Ｒayleigh 面波和Love 面波。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。微动探测就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，获得地下介质的横波速度结构［15］。
2 微动探测工作原理简介
微动探测是一种基于微动台阵探测的地球物理探测方法。微动探测工作原理如图1 所示，采用台阵( 圆形台阵或者内嵌三角形台阵等) 布置方式进行信号采集，运用空间自相关( SPAC) 算法［16］或频率波数域( F － K) 算法［17］ 从各测点微动台阵记录中提取Ｒayleigh 波频散曲线，然后直接绘制相速度等值线图，或者计算视S 波速度vx，再经插值光滑计算获得二维视S 波速度剖面。相速度等值线图或者视S 波速度剖面均能客观且直观地反映地层岩性变化，是地质解释的基本依据。本文中案例采用高分辨率频率波数域( HＲFK) 算法。
图1 速度剖面获取流程图
高分辨率频率波数变换( HＲFK) 采用Capon［17］的算法，是一种基于广义波束聚焦的自适应复空间加权算法，该算法广泛应用于分析窄频带平稳信号的频率波数域分析。应用于微动信号分析的基本原理如下:假设台阵有n 个检波仪，分别位于位置ri( i = 1，2，…，n) ，记录到q 个在均匀介质中传播的非关联平面波Sm( t) ，m = 1，2，…，q; 对于第m 个波，台阵几何分布导致的台阵响应( 理论传递函数) 可表示为Ｒth( km) = 1n2•Σ ni=1e － j( kmri) 2，式中km为第m 个波的波数矢量。在台站i 记录到的微动频谱为X( ri，ω) = Σ qm = 1 Sm( ω) •ej( kmri) + η( ri，ω) ，式中: ω 为角频率; Sm( ω) 为第m 个震源的频谱; η 为其他不相关的噪声谱，忽略此不相关噪声谱。台阵输出定义为Ｒ( k，ω) = Σ ni= 1 Wi( ω) •X( rk，ω) e － j( kri) = Σ ni= 1Σ qm = 1Wi( ω) Sm( ω) e － j( k － km) ri，式中: Wi( ω) 为任意的权函数; k 为波数。将台阵输出频谱表示为矩阵形式Ｒ = AWX，式中: A = ［e － j( kri) ，…，e － j( krn) ］，称为方向矢量; X = ［X ( r1，ω) ，…，X ( rn，ω) ］T，T 表示转置算子; W 为由Wi( ω) 组成的对角矩阵。台阵F － K 互功率谱表示为P = PＲH =AWXXHWHAH ≈AWCWHAH，式中: H 表示Hermitian 共轭算子( 复数共轭转置) ; C = E［XXH］是经频率或空间平滑平均得到微动记录n × n 互谱矩阵。当微动中存在一个优势的平面波时，功率谱中存在最大值。如果W 为单位矩阵，P = ACAH 衍变为传统的F － K 方法( CVFK) ，如果取W = C－1AAHC－1A，则F = 1AHC－1A，即为高分辨率F － K 方法( HＲFK) 。
通过W 的选择，HＲFK 使波数不同于优势信号的互功率谱能量最小化实现分辨率的提高。对于特定的频率ω，在波数域内进行网格搜索找到最大功率谱的波速k，即可确定主导平面波的传播方向θi和视速度ci( ω) 。θi = arctan kxky，ci( ω) = ωk，式中kx和ky分别是波速k在x 和y 坐标的分量。通过扫描多个频率和对应的速度分布，得到对应的频散曲线。与CVFK 相比，HＲFK算法拓展了台阵低频部分的分辨率，加大了勘探深度。
在实际计算中，将台阵微动信号划分为多个时间窗，用HＲFK 法计算各个时间窗和不同频率对应的慢度( 速度的倒数) ，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点，求出各个频率的慢度平均值，即频散曲线。
福州地铁1 号线隧洞直径为6． 2 m，一般采用半径为2． 5 ～ 3 m 的正五边形阵列［18］，如图1 观测台阵，每个圆形阵列由放置于正五边形顶点和中心点的6 个检波器和数据采集系统组成，按5 m 测点间距逐点进行，以形成二维剖面观测，观测阵列可基本覆盖整个隧洞范围。现场测试仪器可采用地震仪与2 Hz 三分量检波器通过电缆连接方式同步采集振动信号，也可以采用一体化数字地震仪采集，后者采用无线连接方式，通过GPS 授时功能实现各台地震仪的同步信号采集。
微动方法探测“孤石”以孤石与周围风化土体的速度差异为地球物理前提，在测试成果形成的速度剖面上圈定高速异常区域，并通过钻孔验证直接揭露孤石或者起到排除孤石的作用。
3 福州地铁1 号线微动探测案例
福州地铁1 号线采用微动方法探测盾构施工不良地质体，共完成探测长度超过8 km，1 600 多个台阵测点，根据微动探测成果共提出验证钻孔96 个，实际完成验证钻孔78 个，其中揭露孤石20 个，揭露基岩凸起16 个，发现岩脉6 处，验证钻孔揭露的最小孤石40 cm。根据钻孔的验证结果，进行盾构掘进施工的安全性分析，划分出盾构施工的危险区、警示区和安全区，对盾构施工起到指导作用。从探测成果来看，微动探测取得了理想的效果。
在验证的78 个钻孔中，41 个孔发现不良地质体( 包括孤石、基岩凸起、岩脉和注浆混凝土块) ，准确率53%，若扣除茶瓶站—达道站区间18 个孔，其他区间的不良地质验证准确率高达68%。茶瓶站—达道站区间异常实际验证的结果主要为红黏土地层，该地层速度高，出现地层速度倒转。
福州地铁1 号线目前微动探测区域已全部完成洞通，福州地铁公司反馈微动划分的安全区100%准确，微动成果未漏过直径大于1 m 的孤石，危险区域经施工单位的提前处理和施工预案，未出现盾构卡住的现象。
以下介绍福州地铁1 号线新店出入段、屏山站—东街口站区间和达道站—上藤站区间3 个盾构区间的不良地质体微动探测案例。
3． 1 案例1: 新店出入段
勘察资料揭示，新店出入段地下主要岩土层分布特征如下: ①0耕植土; ①1杂填土; ①3淤泥质填土;④粉质黏土; ⑤1淤泥质黏土; ⑥碎卵石; ⑦粉( 砂) 质黏土; 瑏瑣a 残积( 砂质) 黏性土; 瑏瑤全风化岩; 瑏瑥散体状强风化岩; 瑏瑦碎裂状强风化岩; 瑏瑧中等风化岩。盾构主要穿越瑏瑣a 残积( 砂) 质黏性土、瑏瑤全风化岩和瑏瑥散体状强风化岩等地层。
图2 为新店出入段入段线ＲDK1 + 700 ～ + 500 视S 波速度剖面图，其中平行双实线为隧道洞身范围，结合详勘资料，隧道洞身上方速度明显偏高的土体推断为碎卵石层，厚度为5 m 到7 m 多不等。新店出入段为福州地铁1 号线最早采用微动技术探测的一个试验段，盾构在前期施工中发现一些异常，在盾构前方200 m区域进行探测。洞身范围内ＲC13—ＲC21 测点表现为较大范围土体速度明显偏高，推断为碎卵石层深入到隧道洞身范围。由于施工工期紧，且场地条件不允许，未进行钻孔验证和处理，盾构掘进过程中在ＲC13—ＲC20 遇到孤石( 大粒径碎卵石) 被卡住。图3为该段盾构掘进中所取孤石岩芯样本( 照片由施工方提供) ，孤石已被盾构搅碎，能够顺利取出，取出的孤石最大直径为53 cm。
图2 新店入段线ＲDK1 + 700 ～ + 500 视S 波速度剖面图
图3 孤石岩芯样本
3． 2 案例2: 屏山站—东街口站区间
该区域地质资料显示场地基岩岩性主要为花岗岩，局部地段辉绿岩呈脉岩状产出。图4 中屏山站—东街口站区间下行线里程XK7 + 840 ～ XK8 + 610 完成探测长度770 m，台阵测点共155 个，图4 中红色点线为隧道的洞身范围( 根据各频点的面波半波长穿透深度推算) 。根据地质资料和验证钻孔揭露岩性，推断图中速度较大的4 处地方应为后期侵入的岩脉，但风化程度有所不同。
图4 屏山站—东街口站XK7 + 840 ～ XK8 + 610 面波相速度等值线图
根据探测成果剖面可知，该剖面共布置6 个异常验证钻孔，实际完成5 个，验证结果见表1。
表1 钻孔验证结果
其中，X4 揭露厚度达4 m 的孤石; X7 揭露基岩侵入隧道洞身; X34 揭露碎块状; X13 验证孔由于交通原因，钻孔位置偏离较远。值得注意的是测点X100 验证孔洞身范围内未揭露异常，但在同一个微动台阵范围内，靠近X99 测点补充验证孔洞身范围揭露到孤石，孤石厚6． 5 m。所布钻孔均位于4 处岩脉中，其余区段无明显速度异常，直接列为盾构掘进的安全区，该段盾构隧道现已贯通，隧道其余位置未出现妨碍盾构掘进的孤石，安全区的准确度达100%。
3． 3 案例3: 达道站—上藤站区间
图5 为达道站—上藤站区间下行线XK12 +415． 81 ～ + 609． 81 面波相速度等值线图，图5 中红色点为根据各频点的面波半波长穿透深度推算的隧道顶底深度范围，根据该剖面成果，共布置5 处验证钻孔。
其中X2 和X8 验证钻孔揭露花岗岩孤石，厚度分别为0． 4 m 和1． 9 m，见图6，其余钻孔未见异常。
图5 达道站—上藤站XK12 + 415 ～ + 710 面波相速度等值线图
图6 X2 和X8 验证孔岩芯照片
综合探测成果剖面和钻孔验证结果，对该段进行盾构掘进的安全性分析，针对揭露孤石的X2 和X8 位置附近应进一步查明孤石的大小和分布位置，XK12 +415． 81 ～ + 455 列为盾构掘进的危险区，剩余区段XK12 + 455 ～ + 609． 81，其中X1、X14 和X22 测点位置未揭露孤石，但能起到排除孤石可能性的作用，钻孔验证到的2 处孤石位于强风化花岗岩地层中，X2 孔孤石埋深17． 0 ～ 17． 8 m，在洞顶附近; X8 孔孤石埋深20． 6 ～ 22． 5 m，在洞身范围。孤石的尺寸相对埋深比例较小，前者为1∶ 21，后者1∶ 11，突破了常规物探方法径深比1∶ 10 的限制，分辨率也远超常规地震勘探四分之一波长的限制。达道站—上藤站区间在下行线探测到的异常验证到的最小孤石为40 cm。
4 结论与讨论
微动探测有效利用环境噪声，并从中获取面波的频散特性以推断地下速度结构，这使得微动探测技术非常适用于城市的复杂环境，市区繁忙的交通不仅不影响观测，还为浅层微动勘探提供了丰富的高频信号源。微&?坓YEB_[动探测不受场地条件限制，可在交通繁忙、建筑物密集、钻探难于实施的闹市区或地质信息盲区进行有效探测，是一种无损、经济、高效的地球物理探测手段。微动探测与少量钻孔结合，可以得到较精确的地下构造二维剖面，面波相速度等值线图和视S 波速度剖面能直观显示岩土层的纵、横向变化，横向速度对异常情况有明显反映，可推断划分出盾构掘进位置正常地层与可疑孤石地层的界限，经少量钻孔校正与验证，可辨识出盾构施工掘进的安全区、警示区和危险区位置，以便提早处理孤石或准备施工方案。
微动探测对孤石异常有明显的反映，孤石埋深估算较准确，一般说来孤石越大，速度异常也越明显，但对孤石的大小、三维形态无法辨识。对于探测验证到的孤石，目前施工单位常规做法仍采用钻探以密间距确定边界范围，并结合孤石爆破一起处理，也有采用钻孔孔间CT 穿透确定异常孤石边界［19］。由于孤石的尺寸相对台阵面积一般较小，下一步的研究应考虑微动台阵采用更多的检波器确定孤石异常在台阵中的位置。
微动探测成果划分盾构施工的危险区、警示区和安全区综合利用了相速度和H/V 曲线2 个参数，H/V曲线可以反映测点位置从浅部到深部的波阻抗变化规律，该部分的内容本文暂未涉及，以后将另文阐述。
微动探测对一定埋深的小尺度孤石异常有较好的反映，分辨率相当高，与常规地震勘探相比提高了一个数量级，笔者认为与微动探测利用众多的震动源有关系，国内目前尚未见到这方面的文章，期待更多的同行进行这方面的研究。
摘自：隧道建设