HVSR谱比法在李仙江大桥主墩桩位地下岩溶勘察中的应用研究

钟任富，冯 敏，王志鑫，高科宁

(东华理工大学地球物理与测控技术学院，330013，南昌)

0 引言

岩溶地貌在我国分布比较广泛，且其地质条件较为复杂。在桥梁工程的桩基作业中，岩溶会导致的主要问题有斜孔、掉钻、卡钻、漏浆、塌孔等[1]，这些问题大大增加了桥梁工程施工的成本和危险性。然而，受到各种原因限制，很多桥梁工程施工场地只能规划在岩溶发育区。因此，调查、探测岩溶地区溶洞的分布发育规律和空间埋藏特征，可有效降低桥梁工程施工的成本和危险性[2]。

岩溶发育区的溶洞的灰岩与围岩存在有明显的波速、密度、视电阻率等物性差异[3]，因此，利用物探方法可以探测地下溶洞的分布发育规律。利用视电阻率和密度的物性差异的物探方法有高密度电法、瞬变电磁法、地质雷达法等，这些方法在人类活动强烈、电磁干扰严重的区域所采集的数据质量较差，影响勘探效果。而很多工程施工场地大型机械较多，人工作业活动强烈，因上述物探方法在大型工程施工场地有一定的局限性。利用波速差异可以使用浅层地震勘探技术进行探测，但是采用常规的主动源浅层地震勘探技术需要一定的场地范围，且其勘探深度有限，探测成本较高。相较而言，被动源的地震勘探方式具有台阵布置简单，对场地环境要求低且成本低，可通过人为调节台站间距得到合适的探测深度和精度的优点。

地球表面无时无刻都存在微弱的振动，这些微弱的振动(简称：微动)来源于自然界和人类的各种活动，如风速、气压、潮起潮落等自然现象以及人类的各种生活、生产活动[4-8]。微动信号中面波的能量占总能量的70%以上，因此被动源地震勘探也称为天然源面波勘探或微动探测法。微动探测抗干扰能力强、成本低、工作效率高，近年来被广泛应用于各类工程项目对不良地质体的勘察中。微动探测一般有2种方式，一种是微动台阵法：利用台阵的方式采集垂直分量的微动信号，对这些微动信号进行处理，从中提取瑞利面波的频散特征，再通过所提取的频散曲线进行反演获得地下介质的速度结构，根据不同地下介质的速度差异对地下不良地质体进行判别分析[9]。另一种为HVSR谱比法，最早由日本地震学家中村在1989年提出[10]，该方法经过几十年的发展，其观测和处理都非常简单，只需单台三分量拾震仪采集水平和垂直分量的微动信号，而后利用水平分量和垂直分量的频谱相比研究浅层速度结构。该方法灵活度高，常用于场地响应评估以及地下结构研究。张立等在2009年验证了HVSR谱比法可用于反演地层的剪切波速[11]。沈志平等在2021年将HVSR谱比法用于城市岩溶勘察[12]。

综合以上原因，本次探测采用HVSR谱比法对李仙江大桥主墩桩位所在施工场地进行探测，结合已有的钻探资料和HVSR谱比法成像结果对该区域岩溶溶洞的分布发育规律和空间埋藏特征进行分析讨论，为该桥梁工程安全施工提供地球物理学依据。

1 方法原理

自然界中所有的物体都有自身的固有振动频率，这个固有振动频率受密度、形状、横波速度、纵波速度等因素的影响。地球内部所存在的各类地质体也都有其自身的固有频率，当地质体受到一个宽频带的震动的影响时，其特征固有频率能量会被放大。因此，可通过观测被放大的特征固有频率信号并对其成像，来获得地下空间的精细成像效果。

HVSR谱比法需要三分量拾震仪采集微动信号，而后利用快速傅里叶变换将信号变换到频率域，以此获得并分析测点处的场地响应特征[13]。

在沉积层中，HVSR曲线的峰值频率具有较好的稳定性，与沉积层主要界面具有较好的对应关系。峰值频率fm与沉积层厚度H和S波速度V的关系为：

fm=V/4H

(1)

(2)

通过钻井资料或者其他速度成像结果，根据式(2)即可推断出沉积层内部主要波阻抗界面的埋深。

2 工区概况

2.1 地质背景

李仙江特大桥小里程岸位于普洱市江城县嘉禾乡鲁巩村，大里程岸位于红河州绿春县大黑山镇绿谷村，上跨李仙江，江左岸有大半公路从拟建桥下通过，交通较便利。拟建桥址区高程介于450～1 270 m之间，最低点为李仙江江面，切割深，地形起伏大，岸坡陡，两侧岸坡属构造剥蚀中山地貌，李仙江河谷属河流侵蚀堆积地貌[14]。目前水位以上地表未见明显阶地地貌。桥址区小里程岸坡临江较陡，自然坡度近40°，主墩段稍缓，约30°，引桥段16°。上部为橡胶林，下部为杂木、灌木，植被茂密，坡面潮湿，地貌详见图1。

图1 地形地貌

桥址区属低纬山区季风亚热带湿润气候，年平均气温18.7 ℃，年平均降雨量2 283 mm，位于全省前列，气候条件对岩溶发育较为有利。大地构造位置(图2)在青藏滇缅歹字型构造体系中部东支，为唐古拉-昌都-兰坪-思茅褶皱系的南延部分，主要为北西向构造。地质构造行迹基本为NW—SE向、近西南向，受青藏滇缅歹字型构造体系中部东支北西向断裂带控制。区域上经历多次构造变动，构造形迹复杂，不同规模、不同方向、不同性质的构造形迹遍及全区，断裂交织，具有多期活动特征。断裂构造主要以北西向的逆断层为主，其次为北东向的正断层。北西向断裂一般延伸很长，与褶曲关系十分密切。北东向断裂相对较短，形成时间较晚，明显地切割了北西向断裂。褶曲具有明显的方向性，以线状及长轴状为主，大部分为北西向，少数为南北向，彼此大致平行。

图2 区域构造简图

根据地质调查及区域地质资料成果显示，大桥近场区新构造运动不发育，桥址区处于西侧阿墨江断裂与东侧戛处断裂之间，两者均为Q1-2早中更新世断裂，附近无区域活动性断裂通过，仅有上述非活动断层，近场区区域稳定性一般。

2.2 钻孔资料

根据本次已打的7个钻孔(钻孔位置见图3)所获得的资料揭露，拟建场地内分布的主要地层有：第四系全新统坡残积(Q4dl+el)层、二叠系下统茅口组(P1m)及印支期侵入岩(βμ)、石炭系上统下密地组(C3x)层等。场地可溶岩(含灰岩、泥灰岩及砾岩)一般揭示标高-90～-40 m。

图3 施工场地对应钻孔点位图

根据本次钻探及详勘资料，工区岩溶的形态大小各异，发育形态有石笋、石牙、岩溶裂隙、溶沟溶槽、溶洞等，未发现土洞。根据钻孔揭露结合区域地质资料及岩溶发育规律，本场地岩溶以沿岩层及节理裂隙发育为主，形态上以溶沟溶槽、溶洞为主。岩溶溶洞发育情况及埋深分别见表1。

表1 李仙江大桥主墩桩位地下岩溶发育情况一览表

在对李仙江大桥主墩桩基超前钻施工过程中，见溶洞钻孔为3个，见洞率为42.9%，线岩溶率为2.7%。依据国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007―2011表6.6.2条：该场地属于岩溶强发育。

3 数据方法

台站布设采用线性布设方式，共布设5条测线，72个测点，平均点间距为4 m(图4)。采集数据所用三分量拾震仪为深圳面元生产的SmartSolo短周期地震仪，采样率设为200 Hz，每个测点采集时间为1―3 h。所有的仪器在采集数据前后都做了一致性观测实验，一致性良好(图5所示)。为了保证数据质量，每条测线都设置了重复观测点，采用同一观测点，不同时间不同地震仪进行质量检查和精度统计分析。重复观测点不少于总工作量的5%，且数据处理结果要与原观测结果保持一致。

图4 台站布设图

图5 仪器一致性图

将采集到的原始数据进行格式转换及编辑，而后去除仪器响应、数据预处理。所采集的原始数据中存在一些施工场地的干扰信号(图6所示)，将这些振幅明显过大的干扰信号剔除后所得数据质量良好(图7所示)，能够利用HVSR谱比法进行处理。

图6 原始数据记录道

图7 剔除干扰信号后的微动记录道

利用经过数据预处理之后的三分量微动信号连续波形，计算频率域水平分量与垂直分量频谱比，水平分量频谱为NS和EW分量振幅谱平方和。在计算HVSR曲线时，需要将连续波形分段，分段的时窗长度和低频大小有关，一般时窗长度应至少包含10个周期长度，本次低频需要研究到0.2 Hz，时窗长度至少为50 s。时窗长度长，得到的低频信息越完整稳定，但过长的时窗长度可能会带来大量的随机噪声，对数据处理结果造成一定的干扰。因此，在实际的数据处理中要选择一个合适的时窗长度进行计算。

本次HVSR单台处理基于Geopsy软件，频带选择为0.2～100 Hz，时间窗口为60 s，窗口类型选用Hanning，平滑类型选用Konno&Ohmachi进行平滑，选用数据质量较好的4 h，而后去除振幅极大值和振幅归一化，最后得到单台的HVSR曲线。图8选取不同位置仪器号为3006783、3006859、3006964、3006976的4个台站的单台HVSR曲线。由图8可知，可以得到每个台站的HVSR曲线的卓越频率和峰值，根据峰值频率与沉积厚度的关系将H/V响应曲线输出插值成图，资料解释成图。

图8 不同位置的单台HVSR曲线图

4 结果及讨论

经过数据处理之后共形成了5条剖面结果，对每条剖面划分出低速异常区，并进行编号，低速异常为岩溶发育，基岩周围的低速异常为岩溶裂隙发育区，其中5条剖面图中实线椭圆区域为钻探过程中遇到的岩溶发育区，虚线椭圆区域为根据速度异常所判断的岩溶发育区(图9所示)。在L1线位于20～22 m，即剖面靠近的中点位置，深40 m处、60 m处均有低速异常反应，结合钻孔BK6钻孔资料，推断这些低速异常为断裂构造引起的；在L2线位于长18～20 m，深40 m处、60 m处均有低速异常反应；在L3线位于13～15 m，深40～50 m处均有低速异常反应，低速区域疑似为岩溶发育、未回填；L4在长5～10 m之间，横向上速度变化较大，表现为高速区、低速区相间分布的特点，低速区推断为采空、破碎区，高速区推断为岩性较完整区域；疑似岩溶边界。在L5线中，基本表现为高速，排除构造引起的低速异常，推断岩性较完整。

数据处理获取三维H/V切片结果，如图10所示。结合钻孔资料圈定了一处岩溶发育带和疑似岩溶发育区。目前收集到的钻孔中有BK7、BK6、BK4钻遇到有岩溶，经分析认为：1)BK6钻遇岩溶与BK4钻遇岩溶疑似存在一定的连通性；2)BK6钻遇岩溶与BK7钻遇岩溶应不连通；3)三维反演结果剖面图中圈定部分可见明显的岩溶发育。

图9 各剖面垂直切片图

图10 三维成像结果图

综合已有的钻探资料和本次HVSR谱比法的成像结果来看，在李仙江大桥主墩桩位施工场地共圈定出5处溶洞发育区，如图11所示。从图11中可以看出，这些溶洞多发育于靠近江边的位置，如图11中2号、4号和5号溶洞发育区所示，其成因可能与地下水渗入有关。BK4和BK6之间的溶洞可能存在联通的现象，需要重点关注并进行进一步的验证，其他分散分布的溶洞规模则相对较小。位于工区边缘的溶洞存在超出测区范围的可能，溶洞发育范围可能更大。

图11 溶洞分布区域图

5 结论与建议

1)综合钻探资料和HVSR谱比法成像结果：李仙江大桥主墩桩位地下揭示有多处岩溶发育区，其中BK4附近有岩溶裂隙区，标高主要集中在-66～-63 m，主要揭示于北东部。L1线22～25 m处也存在小范围的低速异常区，钻孔未打至该处，疑似更大面积的岩溶空洞，建议增加灌浆。BK6揭示有多处岩溶发育区，标高主要集中在-50～-40 m之间，主要揭示于中南部。

2)由于测区工作范围限制，①号溶洞分布范围未封闭，建议扩大勘探范围，尤其查明靠李仙江侧溶洞分布情况，为后期大型溶洞处置提供参考。

3)基于微动的HVSR谱比法成像结果能够较好地和钻探资料相对应，HVSR谱比法结合少量的钻孔资料能够较好地揭示桥梁工程项目中施工场地地下岩溶发育情况，为工程安全施工提供可靠的地球物理学依据。

致谢：感谢中冶集团武汉勘察研究院有限公司提供李仙江大桥的钻探资料！感谢冯敏、王志鑫同学的野外数据采集工作！感谢东华理工大学地球物理与测控技术学院的姚振岸和陈辉老师对文章的撰写和修改提供的宝贵建议！