小道距线型密集台阵城市地下空间探测研究与应用

doi:10.11720/wtyht.2025.1412

小道距线型密集台阵城市地下空间探测研究与应用

蒋伟龙^,¹, 尹奇峰^,², 余森林³, 张华¹, 邱修权¹, 黄伟鸿¹, 鲍兴悦¹, 丁明岩⁴

1.东华理工大学铀资源探采与核遥感全国重点实验室,江西南昌 330013

2.南京工业大学交通运输工程学院,江苏南京 211816

3.南京市测绘勘察研究院股份有限公司,江苏南京 210019

4.中国石油天然气股份有限公司新疆油田分公司,新疆克拉玛依 834000

Investigation and application of closely spaced linear dense arrays in detecting urban underground spaces

JIANG Wei-Long^,¹, YIN Qi-Feng^,², YU Sen-Lin³, ZHANG Hua¹, QIU Xiu-Quan¹, HUANG Wei-Hong¹, BAO Xing-Yue¹, DING Ming-Yan⁴

1. National Key Laboratory of Uranium Resource Exploration-Mining and Nuclear Remote Sensing,East China University of Technology,Nanchang 330013,China

2. College of Transportation Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing 211816,China

3. Nanjing Surveying and Mapping Institute Co.,Ltd.,Nanjing 210019,China

4. Xinjiang Oilfield Company,PetroChina Company Limited,Karamay 834000,China

通讯作者: 尹奇峰(1986-),男,副教授,研究方向为背景噪声与微地震联合成像、滑坡监测与城市地下空间。Email:qifengyin@ustc.edu.cn

第一作者: 蒋伟龙(2001-),男,硕士研究生,主要研究方向为背景噪声成像。Email:13319016838@163.com

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2024-12-21 修回日期: 2025-03-15

基金资助:

国家自然科学基金项目(41807296)
安徽省重点研究与开发计划项目(2022m07020008)
安徽省高等学校自然科学研究项目重点项目(KJ2021A0084)

合肥市博士后研究人员科研资助项目

中国博士后科学基金面上项目(276665)
江西省自然科学基金重点项目(20242BAB26051)

Received: 2024-12-21 Revised: 2025-03-15

摘要

快速便捷且更可靠地获得人口密集地区强干扰环境下的城市浅层地下结构,对现阶段城市地下空间数字透明化及其安全开发具有非常重要的意义。随着节点地震仪的发展,被动源地震成像方法在不同尺度的地下结构成像中得到了广泛的应用,为城市地下空间浅层地下结构探测提供了成功示范。受城市道路及狭窄空间特殊条件的限制,在众多被动源台阵布置方式中直线型密集台阵具有较高的适应性。我们在已知地下埋设管道异常体试验区域分别设计1 m、3 m和5 m三种不同道间距的线型台阵布置方式进行1 h噪声数据持续观测,利用扩展空间自相关方法(ESPAC)计算面波频散数据,并进行横波速度反演,与此同时对原始数据、频散曲线以及反演横波速度剖面进行综合分析,以此提供被动源地震在城市地下空间尺度探测中,小道距线型密集台阵观测系统参数选择的科学认知和依据。最终,根据试验成果,我们选择科学合理的观测系统应用于实际城市地下空间建设探测工程中,获得施工区域完整的地层结构以及破碎带等导水构造。因此,本研究表明在城市地下空间探测尺度,选择小道距线型密集台阵具有更好的勘探分辨率和勘探精度,并且该技术在人文干扰严重环境区域同样具备较好的适应性。

关键词： 被动源面波; 小道距线型密集台阵; 城市地下空间; 频散曲线; 横波速度剖面

Abstract

Rapid,convenient,and reliable acquisition of shallow urban underground structures in densely populated areas with intense anthropogenic noise is significant for promoting the digital transparency and safe development of urban underground spaces.With the advancement of nodal seismometers,passive-source seismic imaging methods have been widely applied to image underground structures at various scales,successfully demonstrating the detection of shallow underground structures in urban underground spaces.Under the constraints imposed by urban roads and narrow spaces,linear dense arrays show high adaptability among various passive-source array deployment patterns.In a test area with known underground pipeline anomalies,this study designed three linear array arrangement patterns with spacings of 1 m,3 m,and 5 m for 1 h continuous observation of noise data.This study employed the extended spatial autocorrelation(ESPAC) method to extract surface-wave frequency dispersion data for shear-wave velocity inversion.Moreover,by comprehensively analyzing the raw data,frequency dispersion curves,and the shear-wave velocity profile obtained through inversion,this study provided a scientific understanding and basis for the parameter selection of the closely spaced linear dense array observation system for passive-source seismic detection of urban underground spaces.Finally,based on the experimental results,this study selected a scientifically reasonable observation system for detection in a real-world urban underground space construction and exploration project,revealing the complete stratigraphic structure and water-conducting structures like fracture zones at the construction area.Therefore,closely spaced linear dense arrays can yield higher resolution and accuracy in detecting urban underground spaces,showing higher adaptability in areas with severe anthropogenic interference.

Keywords： passive-source surface wave; closely spaced linear dense array; urban underground space; frequency dispersion curve; shear-wave velocity profile

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本文引用格式

蒋伟龙, 尹奇峰, 余森林, 张华, 邱修权, 黄伟鸿, 鲍兴悦, 丁明岩. 小道距线型密集台阵城市地下空间探测研究与应用[J]. 物探与化探, 2025, 49(3): 734-745 doi:10.11720/wtyht.2025.1412

JIANG Wei-Long, YIN Qi-Feng, YU Sen-Lin, ZHANG Hua, QIU Xiu-Quan, HUANG Wei-Hong, BAO Xing-Yue, DING Ming-Yan. Investigation and application of closely spaced linear dense arrays in detecting urban underground spaces[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2025, 49(3): 734-745 doi:10.11720/wtyht.2025.1412

0 引言

城市地下空间作为一种宝贵的自然资源,在全球很多国家已得到广泛的开发和应用^[1],随着我国城市化建设不断推进,城市地下空间探测已经成为当前研究关注的重点。复杂的城市噪声干扰、安全隐患以及施工场地的条件等因素导致城市地下空间精细结构信息难以获取^[2-3],传统的钻探勘查手段可能会破坏原有地下空间结构。此外,未来城市地下空间开发利用将向综合化、深层化、人性化、生态化发展^[4-6],也对现有勘探监测技术以及地下空间透明化战略提出更高的要求。城市地下空间探测面临建筑物密集、车辆交通繁忙、环境噪声与电磁干扰严重等难题,且具有勘查范围小、勘查网较密、浅层勘探精度要求高以及灵活度要求较高等特点。因此,急需探索能够满足狭小空间高效作业、抗干扰以及绿色环保的新型探测技术^[7]。目前,国内多种常规及新型地球物理方法逐步在城市地下空间探测调查中取得一定成果,例如依据地质体电场、地震波场、磁场、电磁场等场源属性差异的主要技术方法包括:探地雷达、高密度电法、直流电法测深、主动源面波勘查、天然被动源面波勘查。在这些地球物理方法中,电法勘探面临着城市环境中电磁干扰、电极与硬化地面耦合等问题^[8],探地雷达虽然可以准确地识别极化的金属管道等目标,但是仍然有受到复杂电磁波干扰及探测深度较浅等问题,主动源面波勘探克服了城市环境强电磁波干扰的问题,但震源及噪声污染仍然是其瓶颈^[9]。

被动源面波勘探技术因无须人工震源,依赖环境背景噪声信号提取面波频散曲线并进行横波速度结构反演,具有无损安全、经济高效、抗干扰能力强等特点,在城市地下空间探测中具有明显优势及良好应用前景。随着节点地震仪的发展,短周期密集台阵被动源地震成像方法在不同尺度的地下结构成像中得到了广泛的应用,如沉积盆地、活断层、滑坡等领域^[10-13],在城市地下空间浅层地下结构探测中也作出了成功示范^[14-15]。以往研究表明,受城市道路及狭窄空间特殊条件限制,在众多被动源台阵布置方式中直线型密集台阵具有较高的适应性^[16-18]。然而,在实际工作中对适应于城市地下空间的观测系统参数的选择还缺乏一定的经验,从而导致面波的高频信号较弱,浅部横向分辨率较低等问题。因此,在城市小尺度观测系统中,如何选取合适的道间距是线性密集台阵、城市地下空间浅部横波速度结构调查以及异常体精细探测的关键。

基于此,我们选择已知异常体试验区域,设计不同参数线性密集台阵观测系统进行背景噪声数据采集,并利用扩展空间自相关方法(extended spatial auto correlation,ESPAC)计算面波频散数据,进而反演横波速度结构刻画地层与异常体空间形态,与此同时对原始数据、频散曲线以及反演横波速度剖面进行综合分析,以此提供被动源地震在城市地下空间尺度探测中,小道距线型密集台阵观测系统参数选择的科学认知和依据。最终,在实践工程中,我们设计选择合理的参数进行数据采集处理,获得了施工区域完整的地层结构以及破碎带等导水构造。研究成果表明,被动源密集台阵是城市强干扰环境地下地质结构“透明化”的一种重要手段,选择小道距线型密集台阵对城市地下空间尺度探测具有更好的勘探分辨率和适应性。

1 方法原理

被动源地震成像采用天然源的震动作为震源,通过提取连续噪声数据中的互相干信号,并提取面波频散数据,处理反演后可以得到测点下方地层的地震波横波速度结构,因此,可以采用被动源地震成像来探测地下地层的不连续性及构造异常(溶洞、破碎带等)的空间分布状态。高频背景噪声多道分析面波成像方法主要包括空间自相关法(spatial auto correlation,SPAC)^[19]、频率波数法(frequency-wavenumber,FK)^[20]、多道互相关方法(multi channel cross-correlation method,MCCC)、频率贝塞尔方法(frequency Bessel,FJ)。传统SPAC方法要求台阵布置成相对规则的形状,但在实际数据采集中,由于场地空间和探测深度等因素的限制,难以满足SPAC规则台阵的要求。本次研究采用扩展空间自相关方法(ESPAC)计算不同台阵的频散谱,通过这些数据的综合解释,能够揭示地下的地质结构特征。

相比传统空间自相关法(SPAC),扩展空间自相关法方法(ESPAC)在台阵布设要求上实现了显著的改进,在受城市道路及狭窄空间等特殊条件限制的情况下,多样化的布置方式具有较高的适应性。

1.1 空间自相关法

Aki于1957年提出了空间自相关(SPAC)方法。当地震仪记录的背景噪声信号噪声源均匀分布在观测台阵四周时,两个台站间的互相关谱为ρ_jc(f,r_jc),

(1)

ρ_{j c} (f, r_{j c}) = e x p {i k r_{j c} c o s (θ_{j c} - φ)}

式中:i表示虚数单位;k为平面波频率为f时的空间波数;r_jc和θ_jc分别表示第j个台站与中心点之间的距离和方位角;φ为平面波传播角度^[21]。当圆周上的台站数量趋向无限时,θ_jc角度在0~2π之间均匀分布。所有台站对的互相关谱经过θ_jc角度的积分,可获得圆周上所有台站与中心点台站之间的平均互相关谱ρ_jc(f,r_jc):

(2)

ρ_{j c} (f, r_{j c}) = \frac{1}{2 π} \int e x p {i k r_{j c} c o s (θ_{j c} - φ)} d θ

对式(2)右侧积分得到式(3):

(3)

ρ_{j c} (f, r_{j c}) = J_{0} (k r_{j c}) = J_{0} (\frac{2 π f r_{j c}}{C (f)})

式中: $C (f)$ 为一维层状模型面波的相速度, $J_{0}$ 为第一类0阶贝塞尔函数。

1.2 拓展空间自相关法的基本原理

当在实际操作中受地形条件限制只能布设不规则台阵时,Ling等^[22]提出一种可以针对任意台阵的空间互相关计算方法,称为扩展的空间自相关方法(ESPAC),其原理与传统的空间自相关法(SPAC)基本一致。ESPAC是基于阵列设备采集被动源面波信号的方法,通过数学计算和相关的数字处理技术,提取该信号垂直分量中面波(主要为瑞利波)信号的相速度频散曲线,从而推断地下地质结构的一种地球物理探测方法。根据Aki的理论假设,推导出空间自相关系数可以用零阶贝塞尔函数表示,即:

(4)

\begin{array}{l} ρ (r, ω) = \frac{1}{2 π} \int_{0}^{2 π} \frac{R e [S_{12} (r, θ, ω)]}{\sqrt{S_{11} (0, ω) S_{22} (r, ω)}} d θ = \\ J_{0} (\frac{ω}{c (ω / 2 π)} r) \end{array}

式中:ρ为自相关系数;r为两个检波器的距离;ω为角速度;ω=2πf;S₁₂为两个检波器的自功率谱;S₁₁与S₂₂分别为两个检波器的自功率谱;c为瑞利波相速度;J₀为第一类零阶贝塞尔函数。空间自相关法是保持圆周半径不变,改变频率,得到自相关系数随频率的变化关系,即保持式(2)、(3)中第j个台站与中心点之间的距离r_jc不变,改变频率f;而扩展空间自相关法是保持频率不变,改变圆周半径,即保持式(4)中频率f不变,改变计算相关排列中两个(或多个)检波器的距离r,计算自相关系数并与贝塞尔函数拟合,求得空间自相关系数随距离的变化关系。这种做法使得ESPAC法不再局限于规则的圆形台阵而适用于各种复杂的二维台阵,如直线型、三角形、十字型^[23]。

1.3 CPS反演的基本原理

本文使用Herrmann和Ammon开发的CPS软件中surf96程序基于线性迭代的方式反演一维S波速度结构,该方法已被国内外地震学家广泛使用。对于每一次线性反演,采用阻尼最小二乘法求解法方程。令:

(5)

ϕ = (G δ_{m} - δ_{d})^{T} (G δ_{m} - δ_{d}) + η {δ_{m}}^{T} δ_{m}

式中:η为阻尼。通过使ϕ取最小值求解δ_m:

(6)$\boldsymbol{\delta}_{m}=\boldsymbol{V}_{r}\left(\boldsymbol{\Lambda}_{r}^{2}+\boldsymbol{\eta} \boldsymbol{I}\right)^{-1} \boldsymbol{\Lambda}_{r} \boldsymbol{U}_{r}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{\delta}_{d}$。

对G进行奇异值分解,G=U_rΛ_r ${V^{T}}_{r}$ ,G^T=V_rΛ_r ${U^{T}}_{r}$ ,且A ${U^{T}}_{r}$ U_r=1, ${V^{T}}_{r}$ V_r=I,Λ_r是G的奇异值矩阵,r为非零奇异值的个数。式(6)可转化为:

(7)$\boldsymbol{\delta}_{m}=\boldsymbol{V}_{r}\left(\boldsymbol{\Lambda}_{r}^{2}+\boldsymbol{\eta} \boldsymbol{I}\right)^{-1} \boldsymbol{\Lambda}_{r} \boldsymbol{U}_{r}^{\mathrm{T}} \boldsymbol{\delta}_{d},$

新的模型表示为:

(8)

m_{n + 1} = m_{n} + δ_{m_{n}}

式中:m_n为第n个模型, $δ_{m_{n}}$ 为第n个模型的校正,m_n₊₁是第n+1个模型。

使用式(6)~(8)进行反复迭代,当模型拟合标准小于一定阈值时,迭代停止并导出反演模型。

2 小道距线型密集台阵试验与数据分析

2.1 试验区概况与数据采集

本实验区拟定在江西省南昌市经济开发区某工业园内,为探究不同小道距对线性密集台阵数据质量及分辨率的影响,在同一区域布置了3条长度不同的测线(L1、L2、L3),采用线型密集台阵采集面波数据,替代传统单点采集,以提高横向分辨率,使用短周期地震仪,采样率为1 ms,采样时间为60 min。

研究区域总体上表现为低—中—高的横波波速结构。表层低速层为填土层,横波波速表现为低速(50~260 m/s);第二层中速层为黏土层,反演断面表现为中速(260~410 m/s);最下层高速层为基岩面,主要分布全风化千枚岩和中风化千枚岩,表现为相对高速(>490 m/s)。该地区下面存在已知的地下排水管,该排水管道顶界面埋深在2 m左右,底界面埋深在4 m左右,宽2.3 m左右,如图1所示。由于该排水管道由水泥做成,围岩都为黏土,排水管道相对于围岩来讲,速度较低。在S波速度剖面上,排水管道表现为低值横波速度,其速度在300 m/s以下,围岩体现为高值横波速度,速度在300 m/s以上,具有明显的物性差异,可以较好地模拟地下空洞,通过对实验采集的数据进行去噪与反演,并与已知资料进行对比,验证小道距线性密集台阵方法的有效性。

图1

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图1 实验区概况

Fig.1 Overview map of the experimental area

采集方式类似高密度电法,台阵长度越长、检波器越多,不仅提升了数据的横向分辨率,也增加了解释深度。如图2与表1所示,测线以1、3、5 m的道间距布置,L1号测线有60台仪器,L2号测线有36台仪器,L3号测线有29台仪器。

图2

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图2 三条测线示意

Fig.2 Three seismic profiles

表1 测线信息

Table 1 Line information

线号	道间距/m	仪器数量	测线总长度/m
L1	1	60	59
L2	3	36	105
L3	5	29	140

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尽管ESPAC法在精度上可能稍逊于SPAC法,它却解决了SPAC法在受城市道路及狭窄空间等特殊条件对台阵布设的限制。本研究采用基于ESPAC方法理论的直线型台阵重复采集策略,这种布设方式不但简单,而且显著提升了外业效率和横向分辨率,更加符合对长线路勘察的实际需求。不同于传统的SPAC法,这要求将直线型台阵依照特定规则进行抽道和组合,形成多个小型排列,并确保每个小排列具有相同的时间序列。

如图3所示,在计算频散谱时,使用直线型台阵的小型排列技术。每个小型排列由11或16个面波仪器组成,其中中心仪器定义为测点。

图3

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图3 小型排列台阵

Fig.3 Small-scale array layout diagram

例如,以第1~11号仪器为一个排列,中心测点是6号仪器,记录测点为1号。排列后移一个道间距,形成2~12号仪器的新排列,中心测点变为7号仪器,记录测点为2号。以此类推,后续排列同理调整。

2.2 频散曲线提取与质量评估

基于对线性密集台阵响应和噪声源的分析,采用ESPAC方法计算它们各自的频散谱。实验前先进行仪器的一致性实验,确保仪器的工作性能,并设置好本次施工所需的采样率。采集到数据后,对单个台站的波形数据进行预处理,考虑到整条测线使用的是同一种地震仪器,因此无需去除仪器响应,预处理主要包括去均值、波形尖灭、one-bit处理以及谱白化,并删除受场地噪声明显干扰的数据段等处理步骤。然后,通过速度和频率扫描的方法计算台阵之间的相关系数和贝塞尔函数残差,并对谱能量进行归一化。将被动源面波记录分成若干段,每段采用5 s的时间窗,然后在时间域中计算每个时间窗段的傅立叶谱和功率谱密度,并计算所有时间窗段功率谱密度的平均值。

为了更有效地对比数据质量,选择了3种小型台阵中距离相同的中心测点的频散功率谱进行比较。选取的中心测点分别位于L1号测线的21号和36号仪器、L2号测线的11号和16号仪器以及L3号测线的9号和12号仪器。这些测点都位于同一位置上的15 m和30 m处,确保了测量的一致性和可比性,相关的频散功率谱展示在图4中。

图4

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图4 3条测线不同仪器的频散谱

a、c、e—分别为L1、L2、L3测线在15 m处频散谱;b、d、f—分别为L1、L2、L3测线在30 m处频散谱

Fig.4 Dispersion spectra from different instruments along three survey lines

a、c、e—dispersion spectra of Lines L1,L2,and L3 at 15 m depth respectively;b、d、f—dispersion spectra of Lines L1,L2,and L3 at 30 m depth respectively

从图4中可以观察到,采用1 m道间距(图4a、b)计算出的频散谱能量较为集中且连续无间断。采用3 m道间距(图4c、d)的台阵中,由于道间距的增大,接收到的噪声信号不均匀,造成了频散视速度的增大;且在图4d中的高频部分(30~40 Hz)出现了速度的间断。采用5 m道间距(图4e、f)的台阵中,除了出现频散视速度增大以外,图(4e、f)中25~40 Hz均出现了频散速度能量上下起伏跳动,推断是由于使用更大的道间距,台阵与台阵之间的相关性较差导致。值得注意的是,采用同一道距(左,右两幅子图)计算的频谱中,右侧的频散谱相比左侧,能量更加发散,推测是该位置受到环境影响较大^[24]。

对研究区内3条测线的每个矩形子台阵应用ESPAC方法计算频散谱图后,在0~40 Hz的有效频段内进行相速度频散的拾取,为了方便对比,分别提取3条测线中15、30、45、50 m位置处的频散曲线。在图5中显示了所有子台阵对应中心点处相同位置的频散曲线。从图5a~d中相同位置频散曲线图中可以观察到,L1测线频散点密集、间隔小、相速度较为可靠;L2测线由于台阵道间距的增大,相速度相比L1测线更大,由于频散速度能量上下起伏跳动,造成了L2测线的频散曲线分别在图5a中30~40 Hz、图5c中8~10 Hz频率部分的间断现象。在图5c、d中,在中低频部分(10~20 Hz)处,L3测线的频散曲线相速度相对L1与L2测线更高,出现了频散曲线总走向趋势偏离的情况,由此可推断,在此位置L3测线数据的信噪比最低。

图5

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图5 被动源面波子台阵频散曲线

a—15 m位置处L1~L3频散曲线;b—30 m位置处L1~L3频散曲线;c—45 m位置处L1~L3频散曲线;d—50 m位置处L1~L3频散曲线

Fig.5 Dispersion curve plots of the micro-tremor array

a—dispersion curves for survey lines L1 to L3 at 15 meters depth;b—dispersion curves for survey lines L1 to L3 at 30 meters depth;c—dispersion curves for survey lines L1 to L3 at 45 meters depth;d—dispersion curves for survey lines L1 to L3 at 50 meters depth

2.3 横波速度反演与解释

通过应用式(6)~(8)中的经验关系,将所有被动源面波子台阵的频散数据反演成一维横波速度。为了评估反演的结果,本研究选取了33 m位置处(排水管异常位置)3条测线的模型与拟合结果。从图6a~c中的模型与曲线拟合结果可以清楚地看到,以L1测线计算的频散曲线可以较好地拟合观测数据。由于L3测线的拟合结果较差(图6c),为了综合反映L3测线的反演情况,选取25 m处位置L3的拟合结果(图6d)再次对比,L3测线相对L1与L2测线的拟合误差最大,也进一步的说明了采用该道距(5 m)一维面波频散反演多解性较强。

图6

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图6 初始、拟合模型与拟合曲线

a、b、c—分别为33 m处L1、L2、L3测线模型与拟合曲线;d—25 m处L3测线模型与拟合曲线

Fig.6 Initial,fitted model,and fitted curve

a、b、c—theoretical models and fitting curves for survey lines L1,L2,and L3 at 33 m depth;d—theoretical models and fitting curves for survey lines L3 at 25 m depth

图7为提取的3条横波速度剖面与钻孔柱状图,为了便于对比,将3张剖面图的深度与距离统一设置为1~11 m、9~52 m。从图中可以观察到,速度从浅至深呈递增趋势,速度分布主要范围为40~600 m/s,连续的颜色变化界线,即等速线,划分了地层的界限。通过对比图7a~c,在道间距较小的情况下,数据点之间的距离更近,能够捕捉到更多细节,因此地层界限更加清晰,速度变化更加细腻^[25]。而道间距较大,虽然可以覆盖更宽的区域,但会丢失一些细节信息,因此速度剖面可能显得更加平滑,地层界限不明显。

图7

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图7 横波速度剖面与钻孔

a、b、c—分别为L1,L2,L3号测线横波速度剖面

Fig.7 Shear wave velocity profile and borehole map

a、b、c—S-wave velocity profiles for survey lines L1,L2,and L3

结合已有的地质与钻孔资料,可以将图7a的速度结果解释为一个具有3层分层的覆盖结构。地下1.5 m为第一层(素填土层),横波速度范围在50~200 m/s,总体地层横波速度较低,主要介质为第四系( $Q_{4}^{m l}$ )黏性土及少量千枚岩风化碎块。1.5~4.5 m左右的深度范围为第二层(黏土层),横波速度范围为200~360 m/s,该层与下伏地层的接触位置存在速度变化,与钻孔资料中第四系上更新统残积层( $Q_{3}^{e l + d l}$ )分层深度相符。4.5~10.5 m的深度范围为第三层(全风化千枚岩层),横波速度范围为360~600 m/s,整体地层横波速度较高,为中元古界双桥山群(PtSh)。在图7a中,横向位置33 m、深度2~4 m(蓝色虚线处)有一个明显的速度等值线断裂特征,低速异常横向长度约为2.7 m,受低速异常体积效应的影响,横向等值线断裂长度约为6 m,横波速度约为160 m/s,而周围速度等值线约为205 m/s。推断该处出现了空腔类低速异常,与已知的排水管位置较为吻合;横向位置43、47、51 m(跨度约为1 m),对应深度5~8、6~9、4~8 m处分别出现了低速空腔与等值线断裂现象,由于异常的跨度较小,可信度较低,结合地质资料与钻孔资料,推断横向位置43、47、51 m这3处异常是由于单个测点误差引起的单点异常。

实验表明,在城市地下空间探测时,线性密集台阵使用较小的道间距,分辨地层中的细节信息更多,对空腔类断裂或破碎的异常识别能力强,道间距较大,覆盖的深度区域较广泛,但对速度界限识别能力差,由此,本研究在后续的地下城市空间探测工程实例中,采用1 m的道间距进行测量。

3 小道距线型密集台阵城市地下空间探测实际应用

2024年4月,南京某区域针对城市地下空间展开被动源面波成像研究,此探测主要为了查明地铁5号线穿越机场路段地质结构以及该段5号线渗水漏水原因。观测系统采用线型布设,使用smartsolo节点式短周期地震仪,采样率设置为1 ms,一次性布置60或75个台阵,道间距为1 m,观测时长为60 min。根据探测深度要求,在计算频散时,观测排列道数采用31道,排列长度为30 m,依次提取1~31道、2~32道等作为一个探测排列,并把排列中心作为面波探测测深点位置,如图8所示。

图8

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图8 台阵布设方式及排列滚动方式

Fig.8 Diagram of array layout and rolling arrangement methods

根据实际工程要求及观测系统设计,图9为此次密集台阵被动源地震成像实际布设测线位置以及现场施工图,其中黑点为台阵布设位置,红色框表示面波测深点。此次探测共完成16条被动源地震测线数据采集,编号为L1~L16。

图9

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图9 被动源地震成像目前完成布设测线位置

Fig.9 Currently completed layout map of passive source seismic imaging survey lines

对采集到的原始数据进行切割单位时长、去仪器响应、去均值、去趋势、带通滤波、时域归一化、频谱白化等^[26-28]预处理后仍然采用拓展空间自相关法(ESPAC)计算频谱。图10为不同测线典型频散谱,可靠的频散在5~45 Hz。高频40 Hz速度在200 m/s左右,低频5 Hz速度在500~600 m/s,分别对应浅层低速沉积层、人工填土层及深度风化基岩层。总体来看,不同测线测点的频散谱均具有较好的质量,频散能量集中,为提取可靠的频散曲线以及为后续获得可靠的地层速度提供基础^[29-31]。

图10

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图10 剖面典型频散谱

Fig.10 Typical frequency spectrum diagram for profiles

对提取的频散曲线应用式(6)~(8)中的经验关系,将所有频散数据反演为横波速度后挑选异常明显的横波速度剖面,如图11、12。从图11(L5~L8测线)中可以看出,地层速度总体呈现从浅部向深部递增的趋势,速度分布范围在150~800 m/s。结合zk3资料,如图13所示,地层深度3.5 m以上为第四系素填土,速度较低,地表起伏小,横波速度小于150 m/s,深度范围5~10.5 m处分布砂质粉土夹粉砂层,呈现低速特征,横波速度小于270 m/s符合实际地层地质结构。在L5~L8测线(图11)中,剖面中浅部低速特征疑似受路面混凝土结构影响,呈现低速带特征,较为吻合钻孔资料。L5、L6测线剖面在25 m深度附近地层界面清晰,速度等值线呈东高西低的特征,推断该深度为上覆沉积层与下覆基岩(泥质粉砂岩)的分界线(图中粉色线)。在L5~L8测线剖面中部深度(约5~10 m)存在低速带,根据L6测线验证钻孔位置,未发现低速带的构造与轨道发生联通现象且未发现明显渗水漏水异常。

图11

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图11 L5~L8测线横波速度剖面

Fig.11 Cross-sectional transverse wave velocity profile for survey lines L5~L8

图12

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图12 L9~L12测线横波速度剖面

Fig.12 Cross-sectional transverse wave velocity profile for survey lines L9~L12

图13

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图13 钻孔剖面

Fig.13 Borehole profile map

在L9~L12测线(图12)中,L9~L12测线速度剖面在17~23 m深度附近地层界面清晰,推断该深度为上覆沉积层与下覆基岩(泥质粉砂岩)分界线(图中粉色线)。在L10~L12速度剖面可以观察到,深度约20 m,横向位置约5~20 m处,出现速度等值线断裂特征,断裂处速度急剧下降,呈明显的低速异常,疑似存在裂隙破碎构造(图中蓝色实线),易形成导水通道;在深度约20 m,横向位置约50~60 m处出现速度等值线断裂特征,呈空腔类低速异常,疑似不密实区与空洞。图中zk4、zk9、zk18、zk25、zk26为验证孔位置,未发现明显异常。

由此工程实例可见,线性密集台阵在选取合适道间距的情况下,对城市地下空间地层的速度界限分辨、不连续性及构造异常(溶洞、破碎带等)的空间分布状态都有着良好的效果。

4 结论

未来城市地下空间开发利用将向数字透明化以及智能化方向发展。论文针对城市特殊场地与干扰环境下传统探测技术瓶颈,探讨了线型观测被动源成像技术的适用性问题,通过不同观测系统参数的对比试验,完成扩展空间自相关方法(ESPAC)计算频散谱以及CPS方法反演地层横波速度。从频散曲线与速度剖面分析,我们建议在城市地下空间尺度范围内,采用小道距线性密集台阵获得较高的分辨率。结合工程实例,小道距线性密集台阵在城市地下空间结构以及异常构造探测中取得了较为可靠的结果,尤其是基岩面与裂隙导水带的解释。综上所述,小道距线型密集台阵对城市地下空间尺度探测具有更好的勘探分辨率和适应性,且具有经济高效的优势,能够为城市地下空间开发利用提供重要的技术支持。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

程光华, 苏晶文, 李采, 等.

城市地下空间探测与安全利用战略构想

[J]. 华东地质, 2019, 40(3):226-233.