微动探测在隧道注浆效果检测中的应用

0引言
山岭隧道由于工程地质条件复杂，在施工过程中会发生塌方、涌水突泥等地质灾害，对于埋深较浅的隧道，发生塌方时可能会延伸至地表，引起地表塌陷。

云南省红河州某在建高速公路分幅隧道在施工过程中右幅出口初支段发生塌陷引起地表塌陷，塌方段的隧道洞身埋深约55m ，塌方范围（K38+291~K38+321）长度约30m 。

经研讨决定在隧道内对塌陷体进行喷混封闭，使用混凝土回填塌陷空腔，并在地表按梅花形布置间距为2m 的钢花管对塌陷段进行注浆，以加固地表至洞身段的岩土体。

为了检验地表注浆加固效果，评价注浆对塌陷段围岩稳定性的提升程度，为后续隧道开挖施工提供指导。

结合现场地形及地质条件，考虑到注浆加固时会布设数根直径为108mm 的钢花管，对电场和电磁场的干扰较大，而微动探测利用天然源面波，抗干扰能力强，探测精度高，施工方便、快捷，适用于城市环境、建筑施工场地等[1][2]，故本次在注浆前及注浆后采用不受电磁干扰的微动探测方法对工作区进行探测，通过注浆前后两次探测结果的对比，从岩土体的波速变化值，为评价注浆加固效果提供了直接的参数依据。

1隧道地质概况
该高速公路隧道长约330m ，最大埋深57m ，为连拱隧道。

隧道区海拔高程1180~1240m ，相对高差60m ，属构造剥蚀中低山地貌，地形较为陡峻，地表植被较发育。

1.1区域地质构造
工区受红河断裂带及哀牢山断裂带构造挤压影响，次级皱褶、断层发育，岩层产状变化大，隧址区区域构造体系形迹主要为褶皱背斜构造体系，隧道位于向斜北西翼，轴向大致为北西295°~305°，为一轴面直立的对称复式向斜，倾角一般30°~60°。

1.2隧址区地层岩性
隧道区范围内主要的地层为三叠系上统高山寨组一段（T 3g 1）。

岩性主要为浅灰色砂岩，细粒结构，中厚层状构造，间夹粉砂质泥岩，少量出露浅红色粉砂质泥岩，粉砂泥质结构，中厚层状构造，间夹砂岩，风化程度高，岩体破碎。

2微动探测工作简介2.1工作原理
地球近地表时刻都存在微弱的震动，简称微动，这种震动没有特定的震源，它是由不同入射方向的体波和面波集合而成，且以面波为主[3]。

微动的振幅和形态随时间和地点而改变，但在一定时空范围内具有统计稳定性，微动探测即是通过布置阵列检波器采集携带着地表介质信息的微动信号，从中提取面波（瑞雷波）的频散曲线，再通过反演计算出地下岩土体的横波速度[4]，从而可对地下岩土体进行地质分析，其探测示意图如图1所示。

2.2工作布设方式
常规的微动探测一般采用多个观测台站布设成特定的观测台阵来进行数据采集。

最初的观测台阵为嵌套三角形或同心圆，三角形台阵采用多个不同半径的同心圆，每个同心圆布置三个观测台站，
构成嵌套三角形，圆形台阵是在圆心和不同半径的同心圆圆周上均匀布置若干台站，观测记录点均为圆心位置[5]。

三角形台阵和圆形台阵比较
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—作者简介:刘阳飞（1986-），男，四川西昌人，云南省交通规划设计研究院股份有限公司员工，工程师，地质工程专业硕士研究生，主要从事隧道物探勘察及相关研究工作。

微动探测在隧道注浆效果检测中的应用
Application of Micromotion Detection in Tunnel Grouting Effect Detection
刘阳飞LIU Yang-fei ;罗术LUO Shu ;段明杰DUAN Ming-jie ;王嗣尹WANG Si-yin
（云南省交通规划设计研究院股份有限公司，昆明650200）
（Yunnan Provincial Transportation Planning Design and Research Institute Co.，Ltd.，Kunming 650200，China ）
摘要:云南某在建高速公路隧道在开挖过程中发生塌陷并引起地表沉降，采用洞内充填和地表注浆的处治方法进行了加固，为
了检测加固效果，采用微动探测法分别在注浆前及注浆后进行了探测。

注浆前对塌陷区和未塌陷区进行微动探测，得到了塌陷区、塌陷影响区、以及未塌陷区的岩体横波波速特征；注浆加固后再次进行微动探测，通过注浆前后波速的提升值和波速等值线形态变化趋势，得到了判断注浆加固效果的评价原则。

基于该原则对注浆加固效果进行评价，表明了利用微动探测来评价注浆效果是可行的。

Abstract:A highway tunnel under construction in Yunnan Province collapsed during excavation and caused surface settlement,and was reinforced by the treatment method of in-cavity filling and surface grouting.In order to detect the effect of reinforcing,microdynamic probing was carried out before and after grouting,respectively.Before grouting,micromotion probing was carried out in the collapsed area and uncollapsed area,and the transverse wave velocity characteristics of the rock body in the collapsed area,the collapsed influence area,and the uncollapsed area were obtained;micromotion probing was carried out again after the grouting reinforcement,and the evaluation principle of judging the effect of grouting reinforcement was obtained by the enhancement value of the wave velocity before and after the grouting,as well as the trend of the morphology change of the wave velocity contour.The evaluation of the grouting reinforcement effect based on this principle shows that it is feasible to utilize the micromotion detection to evaluate the grouting effect.
关键词:微动探测；塌陷区；横波；注浆加固效果Key words:microtremor detection ；collapsed area ；transverse wave ；grouting reinforcement effect 中图分类号:U452.1+1文献标识码:A 文章编号:1006-4311（2024）07-113-04doi:10.3969/j.issn.1006-4311.2024.07.036
适合单点测量，探测精度高，但该方法容易受到测试场地的限制。

后来经过研究和试验，提出了多种台阵布设方式，包括T 形台阵、L 形台阵、线性台阵或网状台阵，有研究认为多重圆形台阵探测结果更加可靠，其他台阵频散谱能量
集中度相对偏低[6][7]。

但综合考虑场地情况、工作效率和探测效果，线性台阵是野外微动探测最常用的台阵布设方式。

线性台阵适合大面积长剖面探测，当布置多个台站时可通过抽道的方式形成多个连续的台阵，一次测量可得到多个测点数据，数据采集的效率优势明显。

根据现场地形条件，结合工期要求，本次探测采用线性台阵布设台站。

2.3数据处理方法
从微动信号中提取瑞雷波频散曲线常用的两种方法
主要是频率-波数法（简称F-K 法）[8]
和空间自相关方法
（简称SPAC 法）[9]。

研究表明，F-K 法的频散曲线主要集中在低频段，高频段的混频现象对频散曲线造成干扰使提取结果变差；SPAC 法频散曲线主要集中在高频段，低频段通常很难提取出准确的频散曲线，因此F-K 法较适合进行大深度的探测，而SPAC 法在进行浅部探测时更有优势[10]。

结合本次探测的目标范围主要集中在0耀60m 的浅表层区域，因而选择了SPAC 法进行数据处理。

SPAC 法数据处理流程图如图2所示。

首先对各测点记录进行去均值去趋势、带通滤波、归一化、谱白化等预处理后，然后提取瑞雷波频散曲线，得到相应的相速度值，再对提取的瑞雷波频散曲线进行反演得到视横波速度，根据相速度频散曲线算得视横波速度随深度的变化曲线（v s -h 曲线），再利用光滑差值等计算处理后，即可得到视横波速度剖面图，即可进行地质解译[11][12]。

3野外探测工作3.1野外探测原则
本次采用20个微动台站，探测工作开始前先在工区进行一致性试验，测试时间为10分钟。

通过计算各台站的功率谱之比、相干系数、相位差等，在有效工作频率范围内（0.1~10Hz ）各台仪器一致性在98%以上，符合工作规范要求。

数据采集时将20个台站按照线性台阵方式布置，台站
间距为3m ，点位采用RTK 进行放样。

设定每11个节点为
一个排列，数据记录点为排列中点，每个排列采集时间为20分钟，采用滚动方式进行测量。

3.2野外探测工作情况
本次微动探测分为两个阶段进行，探测测线的布置情况如图3所示。

第一阶段在塌陷发生之后注浆加固前进行，选择3号测线和7号测线进行了探测，主要探测塌陷发生以后未注浆岩土体的横波速度，以及未发生塌陷区域的岩体横波速度；第二个阶段在注浆加固完成一个月后进行，对图3所示1号至10号共10条测线进行了探测，主要探测注浆加固后岩土体的横波速度（每条剖面都有一定的外延长度，使测线同时经过塌陷注浆区域和未塌陷区域，可对注浆效果进行对比分析）。

4探测结果分析
4.1同一测线注浆前后波速对比
对比注浆前后岩土体波速的提升值，是评价注浆加固对岩土体密实度提升程度的主要依据。

本次选取7号测线（相交于隧道K38+295）注浆前与注浆后的探测结果进行对比分，图4为注浆前7号测线微动探结果，图5为注浆
图1微动探测示意
图
图2微动数据处理流程图
导入原始波形文件抽道合并形成单点记录文件
去仪器响应
取均值
去趋势
带通滤波
时间归一化、谱白化
空间自相关频散数据迭代提取频散速度曲线反演计算层厚和横波速度
地质解译
图3
微动探测测线布置图
后7号测线微动探测结果。

从图4可以看出，注浆前7号测线（原生地表）浅表层岩土体横波速度基本低于200m/s ，浅表低速层分层较为明显，推测为第四系覆盖层。

下部岩体的视横波速度逐渐升高，隧道仰拱以上的岩体横波速度介于200~600m/s 之间，但在隧道右幅洞身上方岩体的横波速度等值线出现明显的向下弯曲趋势，与左右两侧岩土体呈现出明显的低速异常，横波速度值低于420m/s ，反映出该段隧道右幅围岩存在塌陷的实际情况。

7号测线在5~45m 段进行了注浆加固（注浆时因机械进场修路，挖走部分地表土），从图5可以看出，5~45m 段相比注浆前表层岩土体横波速度变化较平缓，成层性较好，且横波速度有了一定提高，推测该段表层注浆较均匀，下部区域岩体的横波速度相比于注浆前趋于平缓，呈现出明显的分层特征，隧道仰拱以上的岩体横波速度介于250~620m/s 之间，特别是隧道右幅上方岩体的横波速度等值线相比于注浆前趋于平滑，且横波速度从原来的300~420m/s ，提升到了500~560m/s 左右，可以看出通过注浆有效地加固了右幅塌陷区域的岩体密实度，注浆效果较好。

4.2注浆效果评价原则
通过同一测线注浆前后的微动探测对比分析，结合微动探测解译的基本规则，确定本次注浆效果评价的原则为：
①根据注浆前的微动探测资料分析，推测塌陷区（松散体）横波速度小于420m/s ；塌陷隐患区横波速度介于420~520m/s ，且横波等值线图较为杂乱；横波速度大于520m/s 的岩体为基本稳定体。

据此推测横波速度小于420m/s 时注浆效果较差，介于420~520m/s 时注浆效果一般，大于520m/s 时注浆效果较好。

该评价参数（视横波速度）主要针对中深部基岩，不考虑表层覆盖层。

②在微动测试剖面成果图中，依据横波速度等值线的变化特征（是否平缓或有较大扰动）来评判围岩整体性或均一性。

围岩整体性或均一性较好时等值线变化较平缓，围岩整体性或均一性较差时，等值线变化较杂乱或有大的扰动，依据等值线变化特征可初步推断此次注浆效果的均匀性[13][14]。

综上两点，此次异常分析及评价原则如表1所示。

4.3注浆效果评价
将注浆后的10条微动探测成果通过三维成图获得沿隧道纵线方向的三维成果展示图，如图6所示，结合评价原则，隧道位置浅表部岩土体的横波速度等值线较为曲折，且横波速度值明显低于420m/s ，主要受浅表部岩土体风化强烈、岩体极为破碎影响，通过注浆不能大幅提高岩土体的密实度；随着深度的增加，横波速度逐渐增加，等值线趋于平缓，隧道K38+225~280段洞身围岩横波速度基
表1注浆效果评价原则
序号横波速度等值线形态横波速度注浆效果评价
1平缓，无大扰动大于520m/s 较好2较平缓，有扰动
420~520m/s
一般3
较杂乱，有大扰动小于420m/s 较差
图4注浆前微动探测成果图
高程（m ）
1230122512201215121012051200119511901185118011751170
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
剖面长度（m ）
1170
1175118011851190119512001205121012151220
12251230速度（m/s ）800700640600560520480440400360320280240220200180160140
图5注浆后微动探测成果图
高程（m ）
1230122512201215121012051200119511901185118011751170
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65剖面长度（m ）
1170
1175118011851190119512001205121012151220
12251230速度（m/s ）800
700640600560520480440400360320280240220200180160140
本高于520m/s ，表明此区域注浆加固效果较好，岩体呈现较稳定的状态，隧道K38+280~300段洞身围岩横波速度等值线呈现向下弯曲延伸的状态，且等值面向下弯曲形成空洞，该区域横波速度值介于420~520m/s 之间，与左右两侧形成明显的低速异常，推测该区域岩体极为破碎，可能存在塌陷空腔未加固的情况，K38+300~320段隧道出口位置等值线总体较为平缓，说明该段岩体的密实度较为均匀，不存在塌陷空腔，但注浆后洞身围岩的横波速度值小于420m/s ，主要是该区域岩体极为破碎，注浆后对岩体的密实度有一定改善，但改善不明显。

5结论
①利用微动探测方法对岩体破碎的泥岩区域进行探测可以推测，一般破碎泥岩的横波速度大于520m/s ，当塌陷发生以后，坍塌区域的横波速度低于420m/s ，塌陷隐患区横波速度介于420~520m/s 之间，且横波速度等值线图较为杂乱。

②当隧道塌陷区域进行洞内充填和地表注浆加固后，从微动探测的结果可以推断，岩体横波速度大于520m/s 的区域，表明注浆加固效果较好；岩体横波波速度介于420~520m/s 之间，且横波速度等值线图较为平滑的区域，表明注浆加固效果一般；当岩体横波速度低于420m/s 且横渡速度等值线图较为杂乱的区域，表明注浆加固效果差，存在塌陷空腔。

③隧道塌陷发身后进行微动探测，可获得塌陷区域和未塌陷区域的岩体横波速度特征，当进行洞内填充和地表注浆加固后再进行微动探测，可根据横波速度及等值线形态特征划分出注浆效果较好、注浆效果一般以及注浆效果较差的区域，表明利用微动探测来评价注浆效果是可行的。

④微动探测对注浆效果进行评价是利用瑞雷波速度来反映岩体的密实度，是一种间接的评价注浆效果的方法，同时稳定高质量的频散曲线获取容易受地形的干扰，
为验证该方法的有效性可以采取钻孔取芯的方法来做进一步验证。

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图6微动探测三维成果展示图(黄色曲面代表了等值面,白色管道为隧道示意图
)。