地震散射波法在巖溶區軌道工程中的應用

2019-12-03 08:37:08謝延江孫乾征

水利科技與經濟 2019年11期

謝延江，孫乾征，冉彬

(1.貴州大學資源與環境工程學院,貴陽 550025; 2.貴陽市建筑勘察設計有限公司,貴陽 550081)

0 引言

隨著地震勘探方法的不斷發展，反射波法等勘探技術手段在工程中得到廣泛應用[1]。但傳統的反射波勘探技術不能解決工程中遇到的所有工程地質問題，尤其當地下的構造異常復雜且存在著孔、洞、縫等小尺度的非均勻構造時，常規的反射波理論及均勻層狀介質模型受到了限制。眾所周知，地球淺表介質的非均勻性遠大于深部，因而工程勘察中地震波的散射效應會更加明顯[2]。因此，針對非均勻介質的散射波勘探技術更具有普適性[3]。地震散射技術是近年發展起來新的觀測與資料處理方法，其以波動傳播的逆散射成像技術為基礎，當地震波入射到波阻抗變化的異常體時，異常體作為新的被動震源向周圍介質散射能量。根據觀測到的散射波的運動學與動力學記錄確定異常體的位置、形狀與力學性狀[4]。

巖溶區地下工程的地質環境復雜且隱蔽性強，尤其在城市地下由于存在復雜的市政設施，如樁基、深埋管道等不均勻體，一定程度上阻礙了地下空間的開發利用，因此須進行事先探測，以避免不必要的損失[5]。針對巖溶區地下工程地質環境復雜且隱蔽性強的問題，中國科學院與地球物理研究所通過研究地震散射理論，創建了地震散射技術。近年來，地震散射理論是探測隱蔽介質三維均勻性的有力工具，目前地震散射技術已在巖溶區地下工程中得到了廣泛的應用。

1 地震散射波法探測原理

根據惠更斯-菲涅爾原理,任意時刻波前面的每一點都可以看作是一個新的點源,由它產生二次擾動,形成元波前,而以后新波前的位置是各元波前的包絡,由波前面各點所形成的新擾動,在觀測點上相互干涉疊加,其疊加結果是在該點觀測到的總擾動,所以在地面接收不到反射波的情況下,仍有波的能量傳回地面,這種波動是由入射波與地下非均勻介質相互作用而產生的散射波,它含有地下介質的不均勻性信息。

當地震波入射到均勻彈性體內時，波不改變傳播方向也不會激發任何波，但是當波入射到非均勻介質時，就會在介質中激發出散射波，此時介質中不但有入射波傳播，還有散射波傳播。當地質界面尺度遠大于地震波的波長時，地震波傳播就遵從層狀介質中的反射理論[6]。而根據散射理論，在非均勻介質中，當地質體的尺度與地震波的波長能夠相比擬時，地震波遇到非均勻介質產生的就是散射，而不是層狀結構均勻介質情況下的反射，而且尺度和組成不同的非均勻性引起的地震波散射形式也有不同。因此，可以根據散射現象對非均勻體的分布和性質進行推斷[7]。地震散射波勘探方法的特點是地震波能量強，傳播遠，對巖溶等不良地質現象反應靈敏，能較好地判斷巖溶位置及規模。散射波法原理見圖1(地震散射波原理示意圖)。

圖1 地震散射波原理示意圖

地震散射勘探提供兩個結果：一個是反映巖土力學性狀的波速圖像，另一個是反映地質界面的偏移圖像。地質解釋就是根據速度圖像和偏移圖像來進行分析和推斷，其中以波速圖像為主，偏移圖像為輔。波速的高低，可以作為地層巖性、構造、風化層劃分的依據。基巖層波速高；風化層、松散層、斷裂帶波速低；孤石、注漿體等具有高波速特征；采空區、巖溶、空洞、疏松區、滑動面、暗浜等地質對象具有低波速特征；根據偏移中地震波的走時信息確定散射體的位置[8]，而偏移圖像則反映了散射界面的位置、強弱、連續性等特征，根據這些特征可對地層的巖性、厚度、成因等做出推斷。連續界面形態反映穩定的生成環境，巖性多為沉積類型；斷續狀界面或為回填土、或為不均勻風化的基巖界面；散射強，說明波阻抗反差大，散射弱說明層面不發育。

2 貴陽市軌道交通2號線工程中的應用

2.1 地質概況

本次探查工作范圍為誠信路站至觀山西路站區間，沿誠信南路敷設，設計起點里程為DK13+383，終點里程為DK14+176，區間長度793 m，線路區間內全部為暗挖區間礦山法隧道，結構為雙洞單線，洞高7.1 m，隧道底板高程為1 267.8～1 271.0 m，拱頂埋深6.5～10.0 m。

由2011年至今，在貴陽市軌道1號線的主體施工過程中，特別是在工程地質與水文地質特別復雜的中心城區(從區域地質的角度來講，中心城區位于貴陽向斜構造的核部)，由于各種施工過程中邊界條件的變化，誘發了幾次不同程度的路面塌陷問題。

在進行問題研究分析和相關工程技術總結的基礎上，同時也充分地調閱了國內其他省市相關軌道交通工程的案例資料，得出結論:地表與路面的塌陷，最直接原因就是下伏腔體的存在、形成以及既有邊界平衡的打破。腔體在地質環境中往往以天然溶洞、溶蝕裂隙與天然土洞的形式存在，而在中心城區則多以雨污管的滲漏、淘蝕繼而形成的土洞最為普遍。路面的塌陷往往最終以土洞的塌陷為極端表現形式，而土洞的形成之必要條件是地下水的變化以及搬運淘蝕，極端天氣和工程行為則是誘發水文環境改變的直接因素。

2.2 地球物理特征

1)由于該段巖性為可溶性巖，在構造充分作用下，使得隱伏性巖溶發育規模較大，屬于巖溶強發育區段，巖溶管道發育，區間范圍內溶洞集中發育在2～7 m范圍內，多位于隧道拱頂上方。

2)淺層地下水依托地形沿淺層排泄通道徑流，擬建線路范圍內總體地勢南高北低，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、構造破碎帶、裂隙、層面徑流，帶走土體中的細顆粒，再加上工程擾動等因素極易發生隧道拱頂掉塊、路面塌陷以及掌子面突泥涌水等現象。

由于研究區位于巖溶強發育地區，存在各種隱伏巖溶和非均勻介質，為地震散射波勘探技術的運用提供了前提。

2.3 場區巖溶發育特征

2.3.1 地表巖溶

根據現場地質測繪及地質調查，場區地表未見落水洞。地表巖溶主要為溶溝、溶槽及溶蝕裂隙、溶洞等。地表出露的溶洞，位于南湖路站附近的西普陀后方山體，該溶洞呈長條形，高約12 m，最大寬度2～3 m，向山體內延伸5～8.0 m，溶洞為空洞，無充填。地表巖溶洼地位于南湖路站附近，目前大部分已經回填。

2.3.2 地下巖溶特征

區間范圍內的巖性為灰巖，地下巖溶形體主要為溶洞、溶蝕裂隙、溶孔等。根據鉆探結果顯示，本區間初詳勘及工可研階段個鉆孔42個，其中有13個鉆孔揭露溶洞，鉆孔洞隙率約為30.95%，約30%充填軟塑狀紅黏土；70%無充填。溶洞發育高度0.8～7.5 m，溶洞發育高程為1 252.4～1 281.4 m。具體溶洞發育位置、規模及性狀詳見表1。

2.3.3 巖溶發育程度分級

根據《城市軌道交通巖土工程勘察規范》(GB 50307-2012)，場區內存在較大規模的溶洞及溶蝕洼地，因此工程區巖溶強烈發育。

根據現場調查，地表有串珠狀溶洞及溶蝕洼地分布，根據鉆探結果顯示，本區間初詳勘及工可研階段42個鉆孔，其中有13個鉆孔揭露溶洞，鉆孔遇洞率為30.95%。此外，場區內基巖面起伏較大，一般相鄰兩個鉆孔間基巖面高差為2～8 m，局部相鄰兩個鉆孔間的基巖面相對高差可達15～16 m，經走訪調查，區間線路起點在小型的地下巖溶管道。根據《城市軌道交通巖土工程勘察規范》(GB 50307-2012)，工程區巖溶強等發育。

表1 鉆孔揭露巖溶發育情況統計表

2.4 野外施工

各區各工點探測平面范圍原則上依據工點特征進行劃分，順軌道交通2號線施工軸線方向：地下區間探測平面范圍為兩側隧道開挖邊線延伸2至3倍洞徑，探測深度為現狀地面至軌面標高。

根據擬建工點工程特征、管控對象的巖土工程特性、工程環境條件進行具有針對性的布置，以最小的工作量，達到最佳管控預警效果。本次探測共布置3條地震散射波測線，測線布置見圖2(地震散射波法測線布置平面圖)，工作量統計見表2。

圖2 地震法測線布置平面圖

探測方法測線號里程范圍測線長度/m合計/mL1K13+950～K14+160210地震散射波法L2K13+914.5～K14+020.5106418L3K14+065～K14+167102

2.5 數據處理

資料的整理工作為野外班報整理歸檔、原始記錄備份保存。整理工作在當天野外測試結束后進行。

資料的處理流程如下：坐標記錄→信號預處理→波場分離→速度掃描→偏移成像→顯示類控件→成果圖輸出。

2.6 剖面解釋

2.6.1 L1測線

L1測線里程范圍為ZDK13+950～ZDK14+160，測線總長210 m，探測深度20 m，從ZDK14+050 m處分為兩段，重建的地下結構圖像分別見圖3 L1測線一段(ZDK13+950-ZDK13+050)成果剖面圖和圖4 L1測線二段(ZDK13+050～ZDK14+160)成果剖面圖，各區域成像異常分析分別如下。

由圖3分析可知，①、③、④、⑤、⑥段地表以下8～18 m存在異常，推斷該區域隧道拱頂存在溶蝕破碎帶，導致拱頂巖石頂板較薄，且局部巖石頂板被溶槽貫穿；②、⑦段地表以下8～18 m存在異常，推斷該區域隧道拱頂存在溶蝕破碎帶及溶洞。