地震勘探在長昆高鐵隱伏巖溶檢測中的應(yīng)用

武斌，陳寧，劉和，楊勇

地震勘探在長昆高鐵隱伏巖溶檢測中的應(yīng)用

武斌，陳寧，劉和，楊勇

（四川省地礦局物探隊，成都 610072）

長昆高鐵是溝通我國東、中、西部的快速通道，貴陽至盤縣段通過我國重要的可溶巖石分布區(qū)，對其隱伏巖溶的檢測尤為重要。隱伏巖溶的檢測采用地震映像、面波檢測效果特別好，檢測出大量的溶洞（空溶洞、充填或半充填）和破碎帶，探測深度15～20m，為高鐵巖溶的整治提供了地球物理依據(jù)。地震映像、面波結(jié)合探測隱伏巖溶，快捷、方便、經(jīng)濟，是一種非常有效的手段。

長昆高鐵；地震映像法；面波法； 應(yīng)用

長昆高鐵又稱長昆客運專線、滬昆高鐵長沙南至昆明南段、滬昆客運專線長沙至昆明段。長昆高鐵預(yù)計總投資1 601.4億元，橫跨湖南、貴州、云南3省，全長1 167km，設(shè)計時速為每小時350km。這條鐵路客運專線架起了我國東、中、西部快速通道。2010年開工建設(shè)，2016年計劃開通長沙至盤縣段。為了保證長昆高鐵的順利開通，我們對貴陽至盤縣段的隧底和路基進行了隱伏巖溶的檢測。采用的方法主要是隧底和巖質(zhì)路基段采用地震映像法，路堤段采用面波法。

地震映像法和面波是近10年來用于探測淺部介質(zhì)中縱、橫向不均勻體（構(gòu)造、洞穴、障礙物、非金屬管道、巖溶、土壩中蟻穴及空洞、地裂縫與疏松帶、滑坡體等）有效方法。

地震映像，又稱高密度地震勘探和地震多波勘探。它是基于反射波中的最佳偏移距技術(shù)發(fā)展起來的一種常用淺層勘探方法。這種方法可以利用多種有效波來進行探測，也可以根據(jù)探測的目的要求采用一種特定的波作為有效波。除常見的反射波、折射波、繞射波外，還可以利用有一定規(guī)律的面波、橫波和轉(zhuǎn)換波。在這種方法里，每一測點的波形記錄都采用相同的偏移距激發(fā)和接收。在該偏移距處接收到的有效波具有較好的信噪比和分辨率，能夠分辨出地質(zhì)體沿垂直方向和水平方向的變化。地震映像可以用波形圖或彩色振幅圖顯示結(jié)果，同時進行運動學(xué)和動力學(xué)的解釋分析，數(shù)據(jù)處理可以在時間、空間和頻率域中進行，圖示直觀。目前一些地震儀器中已采用了特殊的數(shù)據(jù)采集技術(shù)、可以方便快速地獲得地震映像記錄。

地震映像方法特點：數(shù)據(jù)采集速度快，但抗干擾能力弱，勘探深度有限；資料解釋中可以利用多種波的信息，即有效波不但是反射波，還可以是折射波、面波、繞射波?；蛲瑫r有兩種和三種有效波能夠反映地下地質(zhì)條件變化；探測目標(biāo)單一，只需研究橫向地質(zhì)情況變化，如果探測層數(shù)較多時，不容易確定最佳偏移距；由于每個記錄道都采用了相同的偏移距，地震記錄上的時間變化主要是地下地質(zhì)異常體的反映，這給資料解釋帶來了極大的方便，可直接對資料解釋帶來了極大方便，可直接對資料進行數(shù)字解釋，如數(shù)字濾波、時頻分析和相關(guān)分析等。

圖1 地震映像法工作裝置示意圖

1 巖溶探測理論

1.1 地震映像法

地震映像法，又稱地震共偏移距法，是以相同的小偏移距逐步移動測點接收地震信號，對地下地層或目標(biāo)體進行連續(xù)掃描，利用地震波信息（如傳播時間、頻率、振幅、相位等）來探測地下介質(zhì)變化的工程地震方法。在地震映像測量過程中，激發(fā)后在接收點用單個檢波器接收，儀器記錄后，激發(fā)點和接收點同時向前移動一個測點距，重復(fù)上述步驟獲得地震映像時間剖面。

地震映像法采用地震儀及配套電纜、檢波器、采集處理軟件進行野外數(shù)據(jù)采集，采用100Hz的檢波器接收，震源采用18磅大錘，錘擊墊板，單邊激發(fā)，偏移距根據(jù)試驗確定，一般為3~10m。儀器參數(shù)為：采樣點數(shù)為2 048個，采樣率為0.1ms，濾波方式為全通。該方法采集數(shù)據(jù)速度快、分辨率高、信噪比高，電磁波干擾無影響，可利用多波信息對探測目標(biāo)體進行識別和分析。地震映像剖面反映了地下地質(zhì)體的連續(xù)變化，保留了地震波動力學(xué)特征，對研究橫向地質(zhì)變化效果較好（圖1、圖2）。

圖2 某地區(qū)巖溶探測地震映像成果示意圖

圖3 瞬態(tài)瑞雷面波法檢測原理

1.2 瞬態(tài)面波法

瞬態(tài)面波法通過瑞雷波的特性，一是瑞雷波有變異介質(zhì)中傳播時的頻散特性；二是瑞雷波傳播速度與介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)的密切相關(guān)性，獲得的不同深度上介質(zhì)的速度參數(shù)，從而推測介質(zhì)的物質(zhì)及結(jié)構(gòu)屬性。

多道瞬態(tài)瑞雷面波法是面波法技術(shù)的主要應(yīng)用模式，其常規(guī)數(shù)據(jù)采集一般以一個共炮點的多道面波排列為一個面波測點，按一定的測點間隔依次移動排列，從而得到多個共炮點的面波記錄。數(shù)據(jù)處理時，對每一個共炮點面波記錄進行單獨頻率域處理，最后綜合全部測點處理結(jié)果形成一條面波剖面解釋成果圖。

瞬態(tài)瑞雷波法采用地震儀及配套電纜、檢波器、采集處理軟件進行野外數(shù)據(jù)采集，每個測點采用12道4Hz的低頻檢波器接收，道間距2m，震源采用18磅大錘，錘擊墊板，單邊激發(fā)，偏移距根據(jù)試驗確定，一般為3~10m。儀器參數(shù)為：采樣點數(shù)為2 048個，采樣率為0.1ms，濾波方式為全通。該方法探測深度一般地質(zhì)條件下可達到15~20m，激振能量合適時可達到30~40m，且分辨率較高，電磁波干擾無影響；但如果點距較密時，效率較低。見圖3、圖4。

圖4 瑞雷面波原始記錄和頻散曲線圖

在地面以瞬時沖擊力激發(fā)面波，并沿直線接收、記錄，然后對所采集的面波波形進行處理得到該點的頻散曲線，當(dāng)下面存在溶洞時，在溶洞時程的相應(yīng)位置處便會出現(xiàn)速度陡降等現(xiàn)象，原理如圖2。

2 巖溶探測成果

巖溶隧道、路基基底在巖溶發(fā)育段落探測測線沿線路方向按照單線鐵路2條（軌道中線1條，軌道兩側(cè)交替探測）布置；雙線鐵路布置測線2條（左、右線的軌道中線各布置1條）。全段分5個檢測標(biāo)段，地震映像、面波、高密度電法合計工作量316km。共檢測出物探異常974個，溶洞11個，破碎帶963個。驗證鉆孔67個，14個揭示溶洞或溶槽，其余鉆孔揭示物探異常極破碎、破碎或局部破碎。

2.1 隧道溶洞異常

圖5為關(guān)口寨隧道第一類物探異常與鉆探驗證結(jié)果對比圖，異常里程段為左中線：D1K744+372～D1K744+385，圖中左側(cè)為地震映像剖面圖，中間為異常邊部D1K744+375.5驗證孔巖芯照片，右側(cè)為異常中心處D1K744+380.5驗證孔巖芯照片。異常邊部D1K744+375.5驗證孔揭示：0～2m為人工填混凝土，2～6.7m為灰?guī)r破碎帶，6.7～18.9m為弱風(fēng)化灰?guī)r。異常中心D1K744+380.5驗證孔揭示：0～2m為人工填混凝土，2～8.2m為碎石土充填溶洞，8.2～19.6m為弱風(fēng)化灰?guī)r。異常中心及邊部施工鉆孔揭示該異常主要為溶洞的反映，異常中心部位揭示為碎石土充填溶洞（深度：2～8.2m），異常邊部主要為破碎帶（深度：2～6.7m）的反映。

圖5 關(guān)口寨隧道第一類物探異常與鉆探驗證結(jié)果對比圖

2.2 路堤充填溶洞

圖6為填方路堤低速異常與鉆探驗證結(jié)果對比圖，圖6（左）為瞬態(tài)面波法速度斷面圖，圖6（右）為異常中心D1K774+487（右線）左側(cè)2.2m異常驗證孔巖芯照片。

異常中心D1K774+487（右線）左側(cè)2.2m異常驗證孔揭示：0～9.6m為人工填碎石土，9.6～11.8m為粉質(zhì)黏土，11.8～12.2m為弱風(fēng)化灰?guī)r，12.2～13.9m為溶洞、粉質(zhì)黏土充填，13.9～20m為灰?guī)r，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖芯較破碎，20.0～25.4m為白云巖，節(jié)理發(fā)育、巖芯極破碎，呈角礫狀。

圖6 填方路堤低速異常與鉆探驗證結(jié)果對比圖

速度斷面圖由淺至深總體表現(xiàn)為高速、低速、高速的分層特征，為由淺至深相對高速人工碎石土層、低速覆蓋層、高速基巖的反映。里程段D1K774+484～D1K774+493、深度12~20m范圍內(nèi)呈凹槽狀異常區(qū)速度值介于300~500m/s、低至約300m/s，兩側(cè)背景區(qū)速度值介于800~1 200m/s，異常驗證孔揭示該低速異常區(qū)為溶洞、基巖破碎的反映。

3 結(jié)論

本次工作檢測出物探異常974個，溶洞11個，破碎帶963個。驗證鉆孔67個，14個揭示溶洞或溶槽，其余鉆孔揭示物探異常極破碎、破碎或局部破碎，為此段長昆高鐵巖溶的整治提供了地球物理依據(jù)。地震映像法和面波法在長昆高鐵巖溶檢測中發(fā)揮了很大作用，將被廣泛應(yīng)用在可溶巖區(qū)的溶洞檢測。但注意在一些長隧道里由于施工干擾的影響，會對我們檢測解釋的物探異常產(chǎn)生錯判。

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The Application of Seismic Exploration to Hidden Karst Detection of the Changsha-Kunming High Speed Rail

WU Bin CHEN Ning LIU He YANG Yong

(Geophysical Exploration Team, SBGEEMR, Chengdu 610072)

The Guiyang-Panxian section of the Changsha-Kunming High Speed Rail is one of important karst regions. Therefore, hidden karst detection is very important. This study applies seismic exploration to the detection of the hidden karst in the Guiyang-Panxian section, finding a large amount of karst caves and providing basis for the high speed rail.

seismic exploration; seismic image method; surface wave method; high resistivity method; Changsha-Kunming High-Speed Rail

2017-03-30

武斌（1971- ），男，山西臨猗人，物探高級工程師，固體物理學(xué)博士，長期從事物探工作

P631.4；

A

1006-0995（2017）04-0667-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.04.032