散射波地震勘探在巖溶地區(qū)地鐵建設(shè)中的應(yīng)用

任 登 富

(貴陽市城市軌道交通集團有限公司，貴州 貴陽 550000)

0 引言

西南多為巖溶地區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，溶洞、孤石、土洞及基巖面起伏較大等因素限制了地勘常規(guī)手段對地質(zhì)狀況的準(zhǔn)確探測，如何將地震勘探技術(shù)應(yīng)用于非均勻地質(zhì)模型成為了科學(xué)工作者們攻堅的目標(biāo)。20世紀(jì)80年代，K.AKI[1]出版的《定量地震學(xué)》為大家?guī)砹耸锕?，?003年開始，趙永貴[2]依靠K.AKI[1]建立的非均勻彈性介質(zhì)中地震散射波傳播的普適方程，在國內(nèi)率先開展了西南地區(qū)地震勘探技術(shù)的研究。通過對數(shù)據(jù)采集方式、數(shù)據(jù)處理方法、軟件技術(shù)、硬件技術(shù)、解釋原理等進行系統(tǒng)的研究開發(fā)。散射波在非均勻介質(zhì)中的傳播——確定性和隨機性在非均勻介質(zhì)中地震波的傳播已成為當(dāng)今世界各國科學(xué)家研究波動理論熱點[3]。到2013年，已經(jīng)基本完成了地震散射實用勘探技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用研究工作。在山地構(gòu)造、采空區(qū)、巖溶、海底孤石、城市道路脫空區(qū)等探測的實際應(yīng)用取得了一大批成果，使散射波地震勘探技術(shù)不斷改進與完善，初步完善形成了地震散射剖面法SSP(Seismic Scattering Profile)。

由于貴陽地區(qū)復(fù)雜的巖溶地質(zhì)條件，在軌道交通1號線、2號線施工過程中，出現(xiàn)多次地面沉降和塌陷、洞內(nèi)坍塌、涌水和突泥、基坑和邊坡坍塌、既有建(構(gòu))筑物沉降、管線沉降和破損等，前期的勘察和施工過程中的監(jiān)控量測、超前地質(zhì)預(yù)報等工作不能充分解決上述問題，巖土風(fēng)險管控處于被動治理狀態(tài)。電法和電磁法受電磁干擾并不能有效真實的反映地質(zhì)情況，而普通的地震勘測又不能滿足探察精度，因此采用地震散射剖面法(SSP)提前探測巖溶、空洞等異常區(qū)域、超前預(yù)處理，極大的降低了地下空間施工的巖土工程風(fēng)險。

1 原理

地震散射理論是非均勻介質(zhì)中地震波傳播的普適理論，散射波是波與介質(zhì)相互作用的產(chǎn)物。當(dāng)波入射到均勻彈性體內(nèi)時不改變傳播方向，只是簡單地通過，不會激發(fā)任何波[4]，但是當(dāng)波入射到非均勻介質(zhì)時，就會在介質(zhì)中激發(fā)出散射波，此時介質(zhì)中不但有入射波傳播，還有散射波傳播。

1.1 散射波傳播產(chǎn)生與傳播規(guī)律

N.布萊斯坦等(2000年)用速度擾動法研究了散射波控制方程，彈性介質(zhì)中地震波傳播的控制方程為：

(1)

其中,u為縱波位移；v為波速；t為波的走時。

1)波在介質(zhì)中傳播的總波場包括入射波uI和散射波us，uI?us。

u=uI+us≈uI

(2)

2)波在非均勻介質(zhì)之間傳播，介質(zhì)差異性較大時，波速會發(fā)生陡變，陡變差異系數(shù)α(r)可表示為：

(3)

其中，v0為入射波速;當(dāng)α(r)為正時，表示波從低速區(qū)轉(zhuǎn)向高速區(qū)，反之則為高速區(qū)轉(zhuǎn)向低速區(qū)。

聯(lián)立式(1)～式(3)方程可得：

(4)

該式的物理含義表明，在入射波場慣性力的激勵下，非均勻體異常體相當(dāng)于二次震源，向周圍發(fā)射散射波；散射波的強度與陡變差異系數(shù)α與入射波的慣性力的乘積成正比。

1.2 散射波數(shù)據(jù)的采集

地震散射原理示意圖見圖1。

不同于均質(zhì)介質(zhì)中，檢波器主要接收地層界面處震源與檢波器中間點反射波信號的時間序列；在非均勻介質(zhì)中，檢波器能記錄該區(qū)域內(nèi)所有非均勻體散射延時疊加的總和，詳見式(5)：

(5)

α(r)表征該處波阻抗差異，其出現(xiàn)的位置也代表散射點所在的位置。

因為每點的記錄包含著所有散射點散射的總合，據(jù)此可以使用多點激發(fā)和多點接收的散射記錄，通過反演重建地下介質(zhì)的散射體與波速分布的圖像。這就是地震散射波勘探的基本原理。

1.3 散射波法數(shù)據(jù)的處理分析

散射波法數(shù)據(jù)的處理流程分為5個步驟：幾何編輯→二維濾波→速度分析→散射界面合成孔徑成像→三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?；诘刭|(zhì)結(jié)構(gòu)的非均勻性以及散射波場的局限性，采用以共炮點記錄為對象的處理技術(shù)對散射波法的數(shù)據(jù)進行處理達到重建波阻抗界面與波速分布的圖像的目的。

其中關(guān)鍵的三個環(huán)節(jié)：二維濾波、速度分析、散射界面成像。

1)二維濾波。

散射波屬于二次波，因此具有能量弱，傳播距離短的特點，且受各種信號干擾嚴(yán)重。須首先對共炮點記錄進行濾波處理，消除干擾波和環(huán)境噪聲，提高散射波的信噪比。通常采取的濾波技術(shù)包括F-K二維濾波技術(shù)和Radon雙曲濾波技術(shù)。其中濾除具有線性走時的各類干擾波適采用F-K二維濾波技術(shù)；在城市地區(qū)地下環(huán)境復(fù)雜，像多次波、障礙物反射聲波及噪聲較多，Radon雙曲濾波技術(shù)更加適用。

2)速度分析。

散射波法數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是速度分析。它以共炮點記錄為對象，通過Radon變換，將時間—空間域的地震記錄，變換到時間—速度域，以方便地展現(xiàn)散射界面的時間深度和對應(yīng)的波速，如圖2所示。

時間—速度域地震記錄圖像中能量的極值點對應(yīng)這散射界面的時間、平均波速和散射能量的大小，由此可獲得散射界面的深度、地層的波速和散射強度，構(gòu)建炮點的垂直速度結(jié)構(gòu)剖面。

散射波法采用的是小排列觀測系統(tǒng)，采用小距離炮間距，每一炮點數(shù)據(jù)代表其附近垂直下方的地質(zhì)情況，多個炮點數(shù)據(jù)橫向聯(lián)合則會構(gòu)成二維速度分布剖面圖。這就是速度分析的基本原理。

3)合成孔徑成像。

對濾波后的地震記錄按著延時疊加的原理，進行合成孔徑成像。其中散射強度α為關(guān)鍵值，散射強度α大表征波阻抗差異大，散射界面散射強，界面兩邊介質(zhì)差異大；散射強度α小或者為0，則表示該處沒有分界面。偏移圖像是空間域的圖像，以α的數(shù)值大小表征地質(zhì)界面的空間分布和波阻抗差異的大小。

偏移成像結(jié)果主要反映地質(zhì)界面空間位置、分布形態(tài)，作為地質(zhì)結(jié)構(gòu)解譯的依據(jù)。

1.4 散射波法的適用對象

地震勘探對象是否能被探察到，主要取決于三要素：1)異常體的尺寸與地震波長的比值;2)波阻抗異常的幅值;3)異常埋深。散射波的強度與波阻抗差異及體積成正比，與距離成反比。波阻抗差異小、體積小于波長1/10的異常體散射波太弱，難以發(fā)現(xiàn)；近炮點的散射波能量較強，容易被發(fā)現(xiàn)。

運用地震法對城市地鐵工程地質(zhì)的勘探屬于淺層勘探，使用的地震波的主頻在100Hz～1 000Hz范圍，巖土波速在500m/s～3 500m/s范圍，地震波的波長介于1m～10m之間，散射探測的主要目標(biāo)體大小在0.5m～10m左右。

2 工程實例

貴陽軌道交2號線某區(qū)間隧道長187m，為單洞雙線結(jié)構(gòu)，線間距為14m，隧頂埋深14.2m～14.6m，隧道底板標(biāo)高1 261.4m～1 261.5m，洞寬最大為21.7m，洞高最大為14.9m。區(qū)間隧道沿誠信北路敷設(shè)，采用礦山法雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)支護。

該段巖性為可溶性巖，局部地段地面可見落水洞，巖溶強發(fā)育，覆蓋層多為可塑狀紅粘土，局部呈硬塑狀，偶見鐵錳質(zhì)結(jié)核土質(zhì)純，具有高液限、遇水軟化、失水強烈收縮、裂隙發(fā)育、易剝落的工程性質(zhì)，局部具弱膨脹性，層厚0.7m～8.5m，故隧道拱頂基本位于巖土交界面；淺層地下水依托地形沿淺層排泄通道徑流，擬建線范圍內(nèi)總體地勢東高西低，淺層地下水依托地形徑流，深部巖溶水豐富，間接接受大氣降水、河水補給為主，地下水沿巖溶裂隙、巖溶管道、構(gòu)造破碎帶、裂隙、層面徑流，帶走土體中的細(xì)顆粒，再加上工程擾動等因素極易發(fā)生隧道拱頂?shù)魤K、路面塌陷以及掌子面突泥涌水等現(xiàn)象。

該段地表為城市主干道，采取地震散射剖面法(SSP)這類不損壞路面、對交通影響極小的探察方法提前探明未施工區(qū)域的巖溶、道路下方空洞等地質(zhì)風(fēng)險，及時精準(zhǔn)預(yù)處理，保證區(qū)間隧道開挖過程中工程安全及周邊(建)構(gòu)筑物及地表行車安全。沿地下區(qū)間隧道左線中線兩側(cè)布設(shè)3條測線，測線里程分別為：ZDK15+124～ZDK15+154,ZDK15+137～ZDK15+160,ZDK15+131～ZDK15+160總計82m。SSP地震波散射采集系統(tǒng)分別配40Hz主頻檢波器和20Hz主頻檢波器；采用32道檢波器，每道檢波器間距0.5m，檢波器鏈共計長度15.5m，炮間距為1m，采用24磅大錘錘擊激發(fā)的方式進行數(shù)據(jù)采集。

探察成果及現(xiàn)場開挖驗證結(jié)果如下：

經(jīng)過以下步驟：波場分離→速度重建→地質(zhì)界面偏移成像，生成剖面圖如圖3所示。地震散射波法(SSP)探察成果地層波速分布統(tǒng)計見表1。

表1 地震散射波法(SSP)探察成果地層波速分布統(tǒng)計

根據(jù)地震散射波法(SSP)探察成果地層波速分布剖面可知：

1)覆蓋層的波速較低(600 m/s～1 600 m/s)，為深色～淺色，表征紅黏土層和回填層，該段地層巖土分界面為5 m～8 m。下伏巖體的波速較高(1 600 m/s～3 500 m/s)，為淺色～深色，表征著強風(fēng)化巖體和中風(fēng)化巖體。

2)本次測線區(qū)域存在兩處異常區(qū)域，如表2所示。

表2 探測結(jié)果統(tǒng)計

經(jīng)參建各方論證，在異常區(qū)域二共布設(shè)3個鉆孔進行驗證，結(jié)果如下：

根據(jù)鉆孔驗證資料，隧道大斷面掌子面④部左肩部位已經(jīng)被豎向溶槽貫穿，且地下水位高于隧道拱頂，且該處破裂且上方存在一根雨水管和一根污水管，如不進行預(yù)處理，在開挖過程中極易掌子面涌水突泥，導(dǎo)致上部土體沉降過大，拉裂上部雨污水管，引起地表塌陷。

經(jīng)過地震散射波探察和鉆孔驗證，精確定位了巖溶的空間分布，在驗證孔處進行了注漿加固，保證了后期隧道開挖、路面行車安全。

3 結(jié)語

散射波地震勘探技術(shù)具有分辨率高、抗干擾性強、不破損路面、不中斷交通等優(yōu)點，能夠?qū)Φ叵?0 m內(nèi)的松散區(qū)和巖溶進行精確探察，基本覆蓋大部分市區(qū)地鐵軌面以上區(qū)域。城市地鐵修建過程中通過地震散射技術(shù)的應(yīng)用，可在詳勘的基礎(chǔ)上有效的對不良地質(zhì)體進行補充探察，能精確定位不良地質(zhì)體的規(guī)模、空間分布，從而對地質(zhì)風(fēng)險預(yù)處理，有效避免或降低地面沉降和塌陷、洞內(nèi)坍塌、涌水和突泥、基坑和邊坡坍塌、既有建(構(gòu))筑物沉降、管線沉降和破損等施工風(fēng)險，達到了將巖土工程風(fēng)險由被動治理轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃宇A(yù)控的效果。

散射波地震勘探技術(shù)在地下巖土工程風(fēng)險管控中的研究與應(yīng)用目前還處于初級階段，現(xiàn)階段的探測成果需要專業(yè)軟件作后期分析處理，時效上還有待提高，硬軟件設(shè)施仍需在工程實踐中不斷發(fā)展完善，為地下巖土工程風(fēng)險主動管控的實現(xiàn)起到關(guān)鍵作用。