Rayleigh波椭圆极化与地震映像在城市地层扰动探测中的数值模拟和应用.docx

? ? Rayleigh波椭圆极化与地震映像在城市地层扰动探测中的数值模拟和应用 ? ? 王天，张立，孙康，陈雨翔，刘争平，冯栋，陈善林 (1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都，610031；2.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南长沙，410200；3.西南交通大学土木工程学院，四川成都，610031) 在城市建设中，地下隧道盾构施工引起路面塌陷事故屡见不鲜，特别是城市隧道建设中的路面塌陷事故往往事发突然，极易对人民生产生活造成重大危害，因此，在城市隧道盾构施工中，需要对施工场地及周边环境进行严格监测，及时识别事故发生的可能性并采取治理措施。现阶段针对隧道盾构施工场地的沉降变形、可能形成的空洞塌陷等问题采用地球物理方法进行监测，其中瑞利面波方法是一种重要手段[1?2]。瑞利面波质点运动具有椭圆极化特征，其短轴与长轴长度之比为椭圆极化率。椭圆极化也具有频散特征[3]。 BOORE 等[4]利用瑞利面波椭圆极化率研究了地层结构的可行性。NAKAMURA[5?6]提出了H/V谱比法并发现H/V谱比与场地VS结构具有较好的对应关系。TOKIMATSU 等[7]发现被动源H/V 谱比与瑞利面波椭圆极化率对同一场地结构的横波速度响应特征高度一致[7]。蒋通等[8]对主动源H/V 谱比进行研究并提出了相应计算方法。F?H等[9?10]在对分层结构模型研究中发现H/V 谱比特征与椭圆极化率特征具有较好的一致性。ARAI[11]认为地微动面波椭圆极化率可用H/V 谱比进行表征。张立等[12?13]从瑞利面波波动方程出发，计算波动方程解析解，发现水平层状介质中横波速度结构与椭圆极化率具有一致的响应特征，且椭圆极化响应特征在水平层状介质中较速度频散灵敏度更高。以上研究表明利用瑞利面波椭圆极化特征可以对场地进行评价。而采用椭圆极化频散方法通过短排列或单点依次测试获得相应椭圆极化率剖面，可极大提升现场工作便利性，目前已有许多利用微动椭圆极化方法进行地质勘察的成功案例[14?21]。这些工程实例主要基于层状介质对整体场地进行评价，而对隧道盾构施工引起的土体塌落空洞探测应用研究较少。 为此，本文作者利用数值模拟方法及实际案例，探讨瑞利面波椭圆极化频散方法在城市盾构隧道上覆地层扰动探测和地面塌陷监测中应用的可行性，并利用相对成熟的地震映像法[22?25]与其进行对比研究，以便为类似探测和监测提供参考。 1 基本原理及技术特点 不同于体波质点运动的线性极化特征，瑞利面波质点位移2个方向分量之间存在相位差，其在传播方向的铅锤面内以逆时针方向作椭圆运动，因此，称为椭圆极化，并将质点运动水平分量与垂直分量之比称为椭圆极化率。 以瑞利面波波动方程为基础，可推导出均匀介质自由表面面波椭圆极化率与介质纵横波速存在如下关系： 式中：E0为自由表面椭圆极化率；vR为瑞利面波波速；vP为纵波波速；vS为横波波速。 野外场地介质椭圆极化率分布可据实际采集的多分量面波数据计算求得，现阶段较通用的计算方法是H/V 谱比法，其基本原理是将原始多分量面波水平方向与垂直方向位移进行快速傅里叶变换并计算频谱比，其计算公式为 式中：Er(f)为椭圆极化率；H(f)为水平位移频谱；V(f)为垂直位移频谱。 非均匀介质中瑞利面波椭圆极化率Er与其速度特征都具有类似频散现象，即Er随频率变化而变化，利用这一特性可在工程中通过判断椭圆极化率的变化特征来解释场地介质的泊松比特征，从而实现对场地地层结构的探测和监测。根据于文福等[26?28]对椭圆极化频散的研究成果，在地层泊松比结构判断及横向识别局部异常体等方面，椭圆极化频散方法对速度频散具有更高的敏感性及分辨率，因此，该方法在实际工程应用中具有更强的优势。 2 数值模拟 2.1 模型建立 在砂卵石土地层中进行盾构施工时，砂卵石土黏聚力低，导致盾构开挖面土体容易塌落，并因成拱作用形成空洞。随着地面荷载土体强度等变化，空洞顶部土体不断脱落导致空洞逐渐上移，最终上移至地表造成地面塌陷[29?30]。因此，根据隧道施工造成的盾构掘进滞后塌陷机理，结合施工场地地质资料，建立如图1所示二维盾构隧道地质模型并进行数值模拟。首先对均匀模型(图1(a))的地震波场进行数值模拟研究，然后对盾构隧道模型(图1(b)、图1(c))、盾构开挖失稳形成空洞模型(图1(d))以及空洞向地表上移模型(图1(e))等进行地震波场数值模拟研究。 图1 盾构隧道数值模型观测排列示意图Fig.1 Schematic diagrams of numerical model of shield tunnel 考虑到数值模拟精度及数据提取的便捷性，对各模型按正方形网格进行划分，网格边长设置为1 m。同时，为了减少模型边界反射带来的影响，对各个模型的底面边界设置吸收边界条件。