高密度地震映像法在城市地鐵隧道隱伏地質災害探測中的應用

潘廣山， 孟慶生， 胡慶輝， 畢征峰， 肖志廣

(1.山東省第四地質礦產勘查院， 濰坊 261021；2. 中國海洋大學 山東省海洋環境地質工程重點實驗室,青島 266100)

高密度地震映像法在城市地鐵隧道隱伏地質災害探測中的應用

潘廣山1， 孟慶生2， 胡慶輝1， 畢征峰1， 肖志廣2

(1.山東省第四地質礦產勘查院， 濰坊 261021；2. 中國海洋大學 山東省海洋環境地質工程重點實驗室,青島 266100)

在復雜地質條件、復雜環境噪聲干擾情況下，城市地球物理探測法是一種實用的方法。這里以青島地鐵隧道某區間段地質災害探測為例，在分析外界環境噪聲干擾的前提下，提出了探測方法選擇的依據，進一步介紹了地震映像法應用中的一些具體問題。針對城市人類活動頻繁，采取夜間施工的方式消除了噪聲干擾。通過對場地地表條件的分析，改進了激發和接收條件。借助實測工程場地的試驗剖面，確定了最佳偏移距，實現了高信噪比地震資料的采集。通過對典型地質體引起的異常特征分析，確定了資料解釋的依據，并對探測剖面進行了詳細分析。探測結果表明，高密度地震映像法在城市地鐵隧道地質災害探測中是有效、可行的。

地震映像； 城市地鐵隧道； 地質災害； 環境影響因素

0 引言

隨著我國經濟持續快速發展與城市化水平的提高，開發地下空間成為21世紀結構工程的重要發展趨勢。作為一種重要的地下空間開發利用形式，城市地鐵隧道已經進入高速發展時期，預計今后五年我國城市地鐵將增加500 km～600 km或更多。城市地鐵隧道工程是一項隱蔽工程，由于地下地質情況變化多樣，經常會遇到斷層、破碎帶等不良地質體，而導致塌方、涌水和突水。與一般山區隧道、輸水隧道工程不同，這類隧道工程多位于城市繁華地段，人口密集，高樓林立，地下管網等公用設施復雜多變。由于這些地質災害地發生，不僅會導致設備損壞、人員傷亡，影響施工進度，甚至會導致局部城市基礎設施的癱瘓，影響居民正常生活，造成更為嚴重地經濟損失和社會影響。因此，加強隧道施工前的地質災害勘查工作，準確了解地質災害的類型、分布范圍，空間規模對于隧道建設具有十分重要的意義。

對隧道地質災害的探測，一般先采用物探方法沿線路進行帶狀調查，確定異常區后再用鉆探驗證[1]。常用的物探方法包括：①高密度電阻率法；②探地雷達法；③地震映像法；④折射波法等[2-7]。然而，由于場地條件和復雜的空間環境，再加上城市地鐵隧道工程要求物探成果的精度極高，使得城市地鐵隧道隱伏地質災害探查存在不少方法和技術上的困難。這就要求在選擇物探方法時，要綜合考慮各種影響因素，選擇合適的方式才能滿足地鐵隧道工程勘查的要求。我們針對青島地鐵某區間復雜地下與地表環境，在分析各種影響因素的基礎上，對利用地震映像法開展地質災害探測中的采集關鍵技術、異常特征進行了詳細分析，通過實例驗證了方法的有效性。

1 高密度地震映像法

城市地球物理探測(城市物探)是指將地球物理手段應用于特定環境下的一類探測技術[8]，具有探測深度小、精度要求高的特點。一般城市地鐵隧道位于地下十幾米至二、三十米的深度內，要查明淺層深度范圍內的地質災害發育狀況，對很多物探方法來說都存在很大地挑戰。常用的幾種方法中，①高密度電阻率法可以保證足夠的探測深度和分辨率，但因無法布設電極而難于開展工作；②探地雷達法的探測深度受限于發射天線的頻率，通常低頻天線穿透深度大，但目前低頻天線多為非屏蔽式天線，受外界干擾大，無法保證分辨率，同時高頻天線又不能保證足夠的探測深度；③多道反射地震方法需要布設較長的排列，難以保證檢波器與地面的良好耦合，其施工周期長、難度大，資料的信噪比也難以保證。綜合考慮各種因素，采用近年來廣泛應用的高密度地震映像法，將會在很大程度上消除上述不利影響。

1.1 方法原理

地震映像法[9-10]是以地下介質間的波阻抗差異為前提，利用人工激發的地震波，采用反射波法中的最佳偏移距技術，以相同的偏移距逐點移動來觀測近震源處地震波信號的一種方法。該方法施工快捷方便、數據信噪比高、處理方法簡單，且在資料處理過程中不需要進行動校正處理，能夠保留反射波的全部動力學特征，地震記錄上反射波同相軸隨時間的變化(地下地質體的反應)，極大地提高了成果解釋的準確性。在地質條件復雜、空間受限的區域得到了良好地應用。

1.2 城市物探影響因素分析

城市物探在城市規劃、城市建設中解決了很多巖土、工程和地質問題。但在應用各類物探方法時，應該充分認識城市特定環境對城市物探造成的各種影響因素。

城市地鐵隧道處于一種極其復雜的環境中，其最突出的特點是外界干擾源眾多，嚴重影響了各種物探方法的應用效果。如車輛震動、人為環境噪聲引起的地震反射波法數據中的附加噪聲；高壓電線、電纜和金屬障礙物產生的附加電磁場對探地雷達和電法測量數據的影響[11]。這些因素都會降低物探數據的質量，影響判讀的準確性。如何消除或減小這些影響因素的干擾，是目前提高探測效果所面臨的主要問題。

1.3 數據采集技術及措施

在利用高密度地震映像開展城市地鐵隧道地質災害探測時，除了考慮干擾因素的影響，采集參數的設置至關重要，應從以下幾個方面綜合確定。

1)激發條件。反射波地震映像勘探一般是針對工程場地進行的，受場地位置以及現場施工狀況的限制[12]。地表條件的不同會導致激發效果的差異。一般來說，地表為較低波阻抗介質時激發效果較好，如土質路面(需加墊板)、瀝青路面；而對于剛性較大的水泥混凝土路面，則會因地表波阻抗大于下層介質，導致大部分能量被屏蔽。城市地鐵隧道探測場地多為瀝青路面，這時可采用重錘直接敲擊地面的方式獲得地震波。在遇到水泥路面或者淺表層有水泥構筑物時，則需要改變激發方式。

2)接收條件。接收條件包括檢波器的選擇和地表耦合狀況。由于地層對高頻信號具有較強的吸收衰減作用，考慮到松散覆蓋層中面波的影響和分辨率因素，在選用檢波器時，應選擇固有頻率高的檢波器(60 Hz～100Hz)為主，這類檢波器可以有效消除低頻噪聲。此外，瀝青路面上直接布設檢波器難以保證良好的耦合效果，可以采用將檢波器安置在一定高度和體積的海綿墊內，然后在海綿墊上部附加重物的方式，這樣既可保證良好的耦合效果，還可以消除外界聲波地干擾。

3)最佳偏移距。就目前的數據處理和解釋手段而言，地震映像法主要利用縱波反射信息。野外數據采集時，偏移距決定了地震波類型和反射波能量的大小[13]。反射裝置中偏移距過小，反射波能量減小，面波干擾嚴重；偏移距過大，以縱波為主的反射能量就會向橫波轉化，增加資料的復雜程度。由于地質條件復雜程度和地表覆蓋層厚度未知，不能生搬硬套理論公式，需要在工作場地通過試驗剖面的方式來確定。利用試驗剖面確定最佳偏移距的總體原則，是在保證反射波能量的同時，盡量避開各種干擾噪聲，并確保直達波以及各層位的反射波能夠區分開來。

2 應用實例

以青島地鐵隧道勘探為例。

2.1 工程概況

青島地鐵隧道某區間段地處市區繁華路段。鉆孔資料揭示研究區內結晶巖系為元古界膠南群，缺失古生界沉積，中生代燕山晚期侵入巖地層，新生代地層喜馬拉雅期侵入巖地層，新生代地層發育有第四系山前組、泰安組地層。研究區內地層具有明顯的上軟下硬結構，淺部覆蓋層含砂量大，富水性強。大地構造位置為中朝準地臺東部的膠遼臺隆，處于膠南隆起區的東部，青島——嶗山凸起之上。區域斷裂構造以北東向張扭性斷裂為主，節理劈理發育，以NE、NEE、NW及NNW為主，構造面平直，傾角較陡。此外，鉆孔資料還揭示巖體內發育有煌斑巖脈。

2.2 采集參數

野外探測采用吉林大學工程技術研究所生產的SE2404EE型工程地震儀。為避免外界噪聲的干擾，采取夜間施工的方式，主要采集參數為：時窗長度為204.8 ms；采樣點數為 2 048個；采樣間隔為0.1 ms；測量方式為點測；測點間距為0.3 m；震源類型為18磅重錘。

在高密度地震映像法數據采集中，選擇合適的偏移距非常重要，因此在工作場地采集了不同偏移距的試驗剖面(圖1)。

圖1 不同偏移距試驗剖面Fig.1 Test profile of different shot-receiver distance

由圖1可知，當偏移距為10 m時，反射波記錄中聲波、面波能量較強，完全掩蓋了深部地層的反射信號；偏移距為15 m時，聲波減弱，但仍然存在較強的面波干擾；偏移距為20 m時，聲波、面波干擾進一步減弱，同時深部地層的反射波可以辨識，并且直達波與各層位的反射波能夠區分開來；而在25 m、30 m、35 m偏移距時，雖然干擾波能量很弱，但此時有效波也很弱，說明反射波能量衰減嚴重，資料信噪比大大降低。因此在數據采集過程中采用20 m的偏移距。

2.3 探測成果

地震映像法資料解釋是根據獲得的地震剖面上反射波同相軸的變化規律，反射波的波形、振幅和相位等特征，并結合地質資料推斷地下層位、地質構造的過程。要獲得準確的探測結果，必須了解各種地質災害在剖面上的異常特征。

2.3.1 斷層、裂隙破碎帶

識別斷層破碎帶的主要特征包括：① 反射同相軸發生錯斷，產狀突變，反射波零亂或出現空白帶，這是由于斷層錯動，引起兩側地層產狀突變，以及斷層的屏蔽作用，引起斷面下反射波射線畸變等造成的；② 斷層或巖性接觸帶存在時，在斷層的棱角點或巖性突變點產生繞射波，由于在地震映像波形圖上的反射波同相軸基本上為平滑的曲線，繞射波產生的雙曲線型同相軸，在波形記錄上非常明顯，尤其是淺部的局部地質體。由圖2可見，斷層兩側反射波同相軸錯段，其邊緣有繞射波存在。

圖2 斷裂帶地震映像時間剖面圖Fig.2 Fault zone in seismic imaging time profile

2.3.2 巖脈

青島花崗巖地區廣泛發育有煌斑巖脈，巖脈處于不同的風化帶時，具有不同的物理性質。發育在中風化及微風化帶內的煌斑巖脈，一般其密度和縱波速度較高，但比相同區段內的花崗巖要低。由于煌斑巖結構整體性好，當地震波遇到脈體邊界時，會由于波阻抗的差異產生反射波，但在脈體內反射波能量降低。圖3為某測線剖面中解譯、并經鉆孔驗證的巖脈，其異常現象與上面描述的特征完全吻合。此外，呈條帶狀的巖脈有時會表現為斷層相同的現象，容易判別為斷層破碎帶。

圖3 煌斑巖脈地震映像時間剖面圖Fig.3 Lamprophyre vein in seismic imaging time profile

2.3.3 人工構筑物

城市地鐵隧道上方經常穿越有人防通道、大型管涵等構筑物，此時地震記錄上具有非常明顯的特征，即圖像中存在因空洞邊緣影響而改變傳播路徑的面波和繞射波。由圖4可看到明顯的空洞異常，此空洞為橫跨道路的人行通道，由于通道頂、底板為鋼混結構，反射波遇到頂、底板后被強烈反射回地面，對反射波傳播具有屏蔽作用，因而人行通道以下僅看到微弱的地層反射波，但在通道以上則可以看到振幅很強的反射回波。

圖4 人工構筑物地震映像時間剖面圖Fig.4 Artificial structures in seismic imaging time profile

為增加資料解釋的準確性，野外工作中沿兩條隧道正線上方布設了兩條相互平行的測線。圖5為其中一條測線獲得的高密度地震映像剖面圖像。由圖5可見，剖面中50 ms ～ 100 ms處為一組平滑的連續波組界面，界面處反射波能量強，反映出界面上、下地層具有明顯的波阻抗差異，為上覆第四系沉積地層與下伏基巖之間的分界面。此外，該反射界面以下還可看到其他兩組連續性好的反射波組，分別對應強風化、中風化及微風化巖體之間的分界面，但在部分區段(550道～750道)內強風化與中風化地層分界面缺失。依據本次探測的工作目的和資料解釋依據，對地震映像剖面進行了詳細地解釋，共推斷出

圖5 地震映像時間剖面Fig.5 Time profile of seismic imaging method(a) 0.0 m～385 m區段; (b) 386.0 m～770 m區段;(c) 771.0 m～1 155 m區段

斷層破碎帶9處，煌斑巖脈4處，人工構筑物2處，其中M1、M3、M4、F1、F2、F3、F5和F8為初勘階段發現的異常，M2、F4、F6和F7為本次探測發現的異常，后經鉆探資料驗證了異常體地存在。

3 結論與建議

城市內復雜的地質條件和空間環境影響因素是地鐵隧道地質災害調查最大的障礙，我們根據具體的實例，討論了高密度地震映像法應用于該領域的一些問題，并取得了良好的探測成果。通過本次應用，可以得出以下幾點結論和建議。

1)提高地震資料的信噪比，盡量避免環境噪聲的干擾是選擇勘探方法和施工方式的基礎。對地震映像法來說，最主要的環境影響是來自于外界的噪聲干擾，應選擇人類活動少的夜間施工方式。

2)高質量的地震映像數據是獲得準確解釋成果的基礎。采集數據時應保證良好的激發、接收條件，可采取一些特殊的措施保證震源激發的能量和頻率，以及檢波器與地面的良好耦合。

3)在以探測淺層目標體為特點的地震映像法中，數據采集過程中應設置合理的采集參數，既要避開面波、折射波、聲波等噪聲源的干擾，還要保證直達波、有效波之間清晰、可分辨。

4)對同一工區的探測資料進行解釋時，應充分認識不同地質體引起的異常特征，避免發生誤判和漏判。

5)地震映像法地質災害探測屬于一種間接的手段，存在解釋的非唯一性問題，為了獲得更加可靠的探測結論，在開展復雜環境下地鐵隧道地質災害探測時，需盡可能地采用多種物探手段，并在條件允許的情況下開展有針對性的鉆孔輔助驗證。

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Application of high density seismic imaging method to the detection of concealed geological disasters in city subway tunnel

PAN Guangshan1， MENG Qingsheng2， HU Qinghui1， BI Zhengfeng1， XIAO Zhiguang2

(1. Shandong 4th Institute of Geology and Mineral Resources Exploration, Weifang 261021, China;2. Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environment and Geological Engineering (Ocean University of China), Qingdao 266100, China)

In the complex geological conditions, and the complex noise environment, it is a simple and practical method by the engineering prospecting and testing in city. We presented an example of geological disasters prospecting in Qingdao subway tunnel in this paper. Based on the analysis of the external environment noise, we provided the basis of selecting geophysical method, and introduced some problems in the application of seismic imaging prospecting further. Due to the frequent human activities, the data collection of seismic imaging method should be implemented at night to eliminate noise interference. The excitation and receiving conditions has been improved by the analysis of the ground surface conditions. Using the test profile in field, the best offset was determined, and improved the signal-to-noise ratio of seismic data. Combination of the analysis of typical anomalous for different geological bodies, we determined the basis of data interpretation, and gave the results of the detection. The results show that it is effective and feasible to detect the geological disasters in city subway tunnel by the high density seismic imaging detection method.

seismic imaging; city subway tunnel; geological disasters; environmental influence factors

2016-02-29 改回日期：2016-03-30

國家重大科研儀器研制項目(41427803)

潘廣山(1982-)，男，工程師，主要從事環境與工程地球物理探測方面的研究工作，E-mail：sdmengqs@163.com。

孟慶生(1972-)，男，副教授，主要從事環境與工程地球物理方面的教學和科研工作，E-mail:8511707@qq.com。

1001-1749(2017)01-0116-06

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.01.17