散射波地震勘探在巖溶地區地鐵建設中的應用

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，地質構造十分復雜，溶洞、孤石、土洞及基巖面起伏較大等因素限制了地勘常規手段對地質狀況的準確探測，如何將地震勘探技術應用于非均勻地質模型成為了科學工作者們攻堅的目標。20世紀80年代，K.AKI[1]出版的《定量地震學》為大家帶來了曙光，從2003年開始，趙永貴[2]依靠K.AKI[1]建立的非均勻彈性介質中地震散射波傳播的普適方程，在國內率先開展了西南地區地震勘探技術的研究。通過對數據采集方式、數據處理方法、軟件技術、硬件技術、解釋原理等進行系統的研究開發。散射波在非均勻介質中的傳播——確定性和隨機性在非均勻介質中地震波的傳播已成為當今世界各國科學家研究波動理論熱點[3]。到2013年，已經基本完成了地震散射實用勘探技術的開發與應用研究工作。在山地構造、采空區、巖溶、海底孤石、城市道路脫空區等探測的實際應用取得了一大批成果，使散射波地震勘探技術不斷改進與完善，初步完善形成了地震散射剖面法SSP(Seismic Scattering Profile)。

由于貴陽地區復雜的巖溶地質條件，在軌道交通1號線、2號線施工過程中，出現多次地面沉降和塌陷、洞內坍塌、涌水和突泥、基坑和邊坡坍塌、既有建(構)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控量測、超前地質預報等工作不能充分解決上述問題，巖土風險管控處于被動治理狀態。電法和電磁法受電磁干擾并不能有效真實的反映地質情況，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、空洞等異常區域、超前預處理，極大的降低了地下空間施工的巖土工程風險。

1 原理

地震散射理論是非均勻介質中地震波傳播的普適理論，散射波是波與介質相互作用的產物。當波入射到均勻彈性體內時不改變傳播方向，只是簡單地通過，不會激發任何波[4]，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。

1.1 散射波傳播產生與傳播規律

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

(3)

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

聯立式(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于二次震源，向周圍發射散射波；散射波的強度與陡變差異系數α與入射波的慣性力的乘積成正比。

1.2 散射波數據的采集

地震散射原理示意圖見圖1。

不同于均質介質中，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；在非均勻介質中，檢波器能記錄該區域內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，據此可以使用多點激發和多點接收的散射記錄，通過反演重建地下介質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 散射波法數據的處理分析

散射波法數據的處理流程分為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→三維數據結構。基于地質結構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對散射波法的數據進行處理達到重建波阻抗界面與波速分布的圖像的目的。

其中關鍵的三個環節：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重。須首先對共炮點記錄進行濾波處理，消除干擾波和環境噪聲，提高散射波的信噪比。通常采取的濾波技術包括F-K二維濾波技術和Radon雙曲濾波技術。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；在城市地區地下環境復雜，像多次波、障礙物反射聲波及噪聲較多，Radon雙曲濾波技術更加適用。

2)速度分析。

散射波法數據處理關鍵的環節就是速度分析。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，以方便地展現散射界面的時間深度和對應的波速，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，構建炮點的垂直速度結構剖面。

散射波法采用的是小排列觀測系統，采用小距離炮間距，每一炮點數據代表其附近垂直下方的地質情況，多個炮點數據橫向聯合則會構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的數值大小表征地質界面的空間分布和波阻抗差異的大小。

偏移成像結果主要反映地質界面空間位置、分布形態，作為地質結構解譯的依據。

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，難以發現；近炮點的散射波能量較強，容易被發現。

運用地震法對城市地鐵工程地質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體大小在0.5m～10m左右。

2 工程實例

貴陽軌道交2號線某區間隧道長187m，為單洞雙線結構，線間距為14m，隧頂埋深14.2m～14.6m，隧道底板標高1 261.4m～1 261.5m，洞寬最大為21.7m，洞高最大為14.9m。區間隧道沿誠信北路敷設，采用礦山法雙側壁導坑法施工，為復合式襯砌結構支護。

該段巖性為可溶性巖，局部地段地面可見落水洞，巖溶強發育，覆蓋層多為可塑狀紅粘土，局部呈硬塑狀，偶見鐵錳質結核土質純，具有高液限、遇水軟化、失水強烈收縮、裂隙發育、易剝落的工程性質，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。

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域的巖溶、道路下方空洞等地質風險，及時精準預處理，保證區間隧道開挖過程中工程安全及周邊(建)構筑物及地表行車安全。沿地下區間隧道左線中線兩側布設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磅大錘錘擊激發的方式進行數據采集。

探察成果及現場開挖驗證結果如下：

經過以下步驟：波場分離→速度重建→地質界面偏移成像，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計見表1。

表1 地震散射波法(SSP)探察成果地層波速分布統計

根據地震散射波法(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，表征著強風化巖體和中風化巖體。

2)本次測線區域存在兩處異常區域，如表2所示。

表2 探測結果統計

經參建各方論證，在異常區域二共布設3個鉆孔進行驗證，結果如下：

根據鉆孔驗證資料，隧道大斷面掌子面④部左肩部位已經被豎向溶槽貫穿，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，如不進行預處理，在開挖過程中極易掌子面涌水突泥，導致上部土體沉降過大，拉裂上部雨污水管，引起地表塌陷。

經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 結語

散射波地震勘探技術具有分辨率高、抗干擾性強、不破損路面、不中斷交通等優點，能夠對地下40 m內的松散區和巖溶進行精確探察，基本覆蓋大部分市區地鐵軌面以上區域。城市地鐵修建過程中通過地震散射技術的應用，可在詳勘的基礎上有效的對不良地質體進行補充探察，能精確定位不良地質體的規模、空間分布，從而對地質風險預處理，有效避免或降低地面沉降和塌陷、洞內坍塌、涌水和突泥、基坑和邊坡坍塌、既有建(構)筑物沉降、管線沉降和破損等施工風險，達到了將巖土工程風險由被動治理轉變為主動預控的效果。

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