摘要: 我国地铁建设中的地质灾害屡有发生。瞬态面波法具有受场地条件限制小，体积效应小，可以在硬化面层上作业，面体波速与地质体刚度直接相关的优点。地质灾害勘探中运用面波法，基阶模态波与高阶模态波同时存在，且高阶模态波与地质异常有紧密的关联。本文结合实际的地勘工作，研究在地质灾害调查中更好地运用瞬态面波勘探这一物探手段，准确解释面波成果，达到减少和避免地质灾害的目的。
关键词:地铁施工 地质灾害 瞬态面波 高阶模态面波
地质灾害主要现象有：地震、地裂缝、软土变形、滑坡、地面沉降、水土流失、砂土液化、崩塌等。影响地铁施工的地质灾害主要有：活动性断裂、地面沉降与塌陷、流砂管涌、滑坡与泥石流滑坡、溶洞的突水突泥。
自然环境地质灾害是地铁施工之前已存在的不良地质条件所导致，如地面沉降、水土流失、水土污染等，一般在地铁施工之前已进行过调查，容易引起人们的重视，多为渐变性地质灾害。人为因素为主的地质灾害，如滑坡、崩塌等，由于不良的地质条件下，施工的安全措施不到位引起的，地灾发生前征兆不明显，可见性差，发生突然，往往引起的后果更严重。
地铁多建设在城市中，人们对周边建筑、道路的位移和沉降，土体的压力，地下水的水位等的监测都很重视。监测发现位移突然加大，土体压力明显变化，地下水位不稳定，地表有裂缝等情况时，由于缺乏有效的勘查手段，工程地质人员很难分析异常发生的原因，可能涉及规模等情况，多数时候有侥幸心理，或者采用盲目的加固措施，引起严重的地灾发生，甚至人员伤亡。
瞬态面波勘探法为近年来逐渐成熟的一种物探手段，在浅层地质勘探中得以广泛应用。地铁施工场地狭小，周边建筑物密集，地下障碍物多，地面多硬化，面波法的应用在这样的环境下应用有其自身的特点。面波数据的采集与处理，资料的地质解释都要结合场地条件，仔细地分析研究，才能得到正确可靠的结论。
1 层状均匀介质地层模型的瞬态面波数据处理
瞬态瑞雷面波勘探法操作简单，探测快速。现场多采用一点锤击或落重激发，多道接收的作业方式。
图1是共炮点的一个面波记录，其相应的频率波数能谱如图2所示。根据频散波数图就可以得到不同频率的面波的相速度，以λR的1/2作为深度，画出该点的波速深度散点图（参见图3），从而对简单地层求取参数，对岩土分层。
图3 简单场地单点频散曲线 图4 某地铁场地的面波记录
面波资料处理的研究多基于层状介质模型，对夹有高速层的地层模型，基阶模波能量较强，能量团集中在低频段，基阶波频散曲线可以良好的解释地层。对于低速夹层的地层模型，在频率波数能量谱上能量团较离散，用频散曲线来解释就较困难。
2 复杂地质情况高阶模态面波的分析与处理
存在地灾隐患或发生地灾的场地已不再是简单的层状模型 。面波与各种反射绕射波相互作用，基价模态波和高阶模态波分离困难。高阶模态波与基阶模态波同时存在，能量均较强。按照常规流程处理面波数据，得到的波速剖面图异常点很多，常常无法解释。
图4是苏南某市地铁站台施工场地的一个面波记录，面波波形扭曲，基本没有同相轴，且波的能量衰减也不规则。对该炮点面波数据进行富氏变换得到的F-K图如图5所示，相应的频散曲线如图6。图5中基阶模面波波速300－500米/秒，高阶模面波波速700－1200米/秒。图上有多个能量团，且有的能量团重叠。用设定波速阀值的方法无分离高阶模左右波的与基阶模波的能量团。按照该F-K图得到的频散曲线，在视深度3－6米段出现170米/秒和260米/秒左右的两个不同波速，根据这个频散曲线，无法进行岩土分层。事实上F-K图上的高阶模能量团确实存在，之所以出现不符合地层实际情况的波速是因为我们简单引用了波数与频率的关系公式： ,以基阶模波的波数和高阶模的频率来计算，结果是波速明显超出地层实际波速。
图5 基阶模波与高阶模波能量团重叠 图6 无法分层的频散曲线
图7是该场地同一面波剖面不同炮点上F-K图。该剖面位置地面为沥青路面，下有近1米的水灰垫层，地面略有沉降，沥青路面开裂。面波剖面采用锤击震源，偏移距2米，道间距1米，12道10HZ检波器采集。这里选取第4、6、8、11道处的四个炮点面波进行分析。第4道和第11道的能量团较集中连续，波数与频率与实际情况较符合，第6、8道的能量团分散，有明显的高阶模能量团，有的能量团与基阶模能量团分离，基阶模能量团不连续。剖面下实际地层情况是土体已松动，部分地段出现空洞。
图 8 一个面波剖面上的频散曲线
在复杂的地质条件下，基阶模态波能量团的不连续，基本上是地质体不连续造成的。
3 结合地质资料来处理面波频散曲线
本文提及场地的地勘资料揭示，场地硬化路面下为第四系松散土层，从上至下分别是粉质粘土层，粉土层，粉砂夹粉层，以及其下的粉质粘土层和粘土。其中粉土和粉砂夹粉土层厚度近9米，底板埋深14米左右。粉质粘土、粉土、粉砂夹粉土层的横波波速220米/ 秒左右。地铁站台基坑开挖深度12米左右。由于基坑围护桩搭接不严，管涌造成水土流失，土方超挖。
面波R的波速小于横波S的波速，在频散曲线同一深度点上舍去较高的波速值，用surf软件成的面波剖面等值线图如下（图9）：
图9 面波剖面等值线图 图 10 面波资料地质解释图
岩土工程地质勘察规范中，横波波速低于150米/秒的为软弱土层。面波等值线剖面中，部分地段的R波波速小于正常粉土或粉砂夹粉土地层的波速，接近软土波速，可以判断该段土层已明显松动，局部已产生空洞。图10 是面波资料的地质解释图，通过对高阶模态波和频散线的分析，地质解释图已明确了地灾隐患发育的位置与规模。
4 结论
地质灾害勘探的场地大多不符合层状介质模型。按照费马原理，波沿最小路径传播。面波在遇到空洞、极软弱土层等情况时，波产生绕射，在其内表面产生斯通利波，在遇到断裂、破碎带时，会产生混乱的散射。 通过复杂地质条件下岩土时 ，面波必然产生高阶模态波或多阶模态波。高阶模态波是判断不良地质情况的依据之一。
为了不丢失携带地层信息的波，面波信号的预处理不宜采用窄带滤波器。
用瞬态面波勘探法做地灾探测时，要取得场地地质资料，场地岩土的纵横波波速资料，面波数据处理与解释中要确定R波波速的合理范围。频散曲线异常处优先采用接近横波波速的数值。
一般地灾发生的作业场地窄小，锤击震源能量弱，布设测线选择偏移距时，优先考虑检波器能接收到足够能量的波。
参考文献:
1 杨成林 瑞雷波勘探 北京地质出版 1993
2 单娜琳 黄基文 数字滤波法分离高、基阶模态瑞雷面波的应用 桂林理工大学学报 2010.11
论文作者:吴卫华
论文发表刊物:《防护工程》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/22
标签：波速论文; 散曲论文; 能量论文; 高阶论文; 地质论文; 场地论文; 地层论文; 《防护工程》2018年第1期论文;