SSP地震散射技術在公路采空區勘察中的應用研究

魏榮華，王 波

(中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100097)

1 工程概況

國家某高速公路工程某標段總長約92 km，設計速度80 km/h。公路沿線施工條件較差，以山嶺區為主，路面寬度25.5 m。經現場勘察查明，路線走廊帶穿越采空區且采空區范圍較大無法避讓，影響路線長度約2800 m，最大埋深457 m，采空區范圍內包含多座大橋，建設難度較大。

勘察是工程建設得以順利開展的必要前提，淺層高分辨率地震勘探的意義重大，能夠給設計與施工作業提供可靠的參考信息。對此，本文結合上述工程，以現階段較主流的SSP地震散射技術為例展開探討，闡述其具體的原理以及主要應用優勢。

2 SSP地震散射技術概況

采空區的存在明顯加大了公路施工難度，其后續運營期間也伴有較明顯的安全隱患。如果開采不規范易導致采空區的結構缺乏規律性，基于常規的物探法難以掌握實際情況。對此，本文提出采用SSP地震散射技術，進行公路采空區勘察。

2.1 基本原理

反射地震方法的關鍵在于對地質體采取優化手段，將其視為層狀地質模型，但事實上地層具有非均勻的特性，因此此法在采空區中所取得的勘察結果準確度不高。地震散射法的側重點在于圍繞非均勻地質體展開分析，由于地質體空間的變化，其對應的波阻抗隨之改變。SSP地震散射技術采取的是在地表激發并接收地震波的方式，可根據地震波在地下的傳播規律作出判斷，分析在各巖層下的地震波實際情況，包含波速、波阻抗等關鍵指標，以此為依據構建地層分布形態，準確反映地層的實際情況[1]。

2.2 SSP地震散射技術的物理學基礎

采空區的地層條件異常復雜，常伴有變形、斷裂、填充水等現象，而在地質條件復雜的地區，通過巖層分界面難以準確反映出采空區的具體情況。相較于完整巖體而言，采空區為典型的低波速區，SSP地震散射技術則正是借助該特性實現高精度的勘察。采空區邊界波阻抗具有較明顯的變動特性，同時其散射強度也較大，因此能夠確定采空區邊界。SSP波速分布圖的信息量豐富，包含采空區的具體發生位置、實際范圍，而通過偏移圖像則能夠反映出采空區的詳細輪廓，為后續的處理工作提供重要依據[2]。

2.3 SSP波速圖像地質解譯

通過SSP地震散射技術的應用，可根據采集到的數據創建波速剖面圖，其反映的是縱波波速情況，根據此方面的信息可呈現出介質模量和密度的具體值。隨著波速的提高，彈性模量與密度均呈同步增加的趨勢。在得到波速信息后，可較為精準地解釋地層、采空區等方面的特質特點。在松散和覆蓋層中該處產生的波速較低，通常在1000 m/s以內，若為未風化基巖該值將超過3000 m/s，采空區則介于兩項指標之間[3～6]。

3 SSP地震技術在采空區中的應用

3.1 現階段采空區勘察狀況

案例工程中，施工周邊分布大量小采空區，在雨水、壓力等外界因素的作用下持續發生塌陷，不利于公路建設與運營。為準確掌握采空區的分布地點以及覆蓋范圍，工程中采用了SSP地震散射技術，以期通過技術掌握采空區的情況，如圖1所示。

圖1 采空區導致路面塌陷示意

3.2 技術布置

根據現場地質特點，采用32道高分辨地震儀，通過錘擊方式提供震源，按照0.5 m的間距控制標準布設100 Hz檢波器。

SSP地震散射技術的應用流程主要為先采集地震散射數據，再執行波場分離與速度分析，最后創建縱波波速分布圖像。根據現場情況共布設5條測線，分別生成1組數據，從中挑選2條具有代表性的測線，對其所得的數據執行地質解譯。波速可分為三層：第1層指的是表層，該處的波速相對較小，約1100 m/s，可將其視為低速區，最大埋深6 m；第二層受采空區的影響較為明顯，波速雖有提高但依然偏低，約1100～1380 m/s，最大埋深24 m；第三層為基巖，該處的完整性較好，具有相對較高的波速，普遍超過1400 m/s。

3.3 結果分析

根據測線L1的勘察結果展開分析：表層巖性破碎并分布大量的黏性土、粉土及砂類土，隨之出現波速偏低的情況；推測整個勘察區域內共有四處采空區，即樁號8340～8380處、樁號8980～9030處、樁號9150～9200處、樁號9240～9280處。

根據測線L2的勘察結果展開分析：推測該區域內共分布4處采空區，具體情況為樁號9340～9380處、樁號9490～9540處、樁號9650～9700處、樁號9730～9760處。

4 煤礦采空區對公路工程的不良影響

采空區范圍內的擬建工程施工難度較大，構筑物包含路基、涵洞及多座橋梁，施工期間煤礦采空區易發生塌陷事故，對于工程施工的不良影響主要有如下幾方面。

(1)公路路基下沉，若發生拉伸變形現象則會導致路基自身伴有較明顯的松弛特性，或是在各土質界面出現脫層現象，此時路基的承載力將大打折扣，可見地表處拉伸變形明顯，路基明顯失穩。

(2)塌落通常缺乏連續性，同時沉降也不具有規律性，導致路基下沉不具有規律可循，路面原有坡度變化規律也較為特殊。若地表傾斜和路線坡度的方向相同，此條件下線路坡度將隨之加大，反之則表現出縮小的變化特點，由此形成反坡。隨著線路坡度的改變，又將對移動盆地內的路線帶來不良影響，使其運行阻力發生變動，在使用時間延長之下路面將反復沉陷。

(3)路基下沉時通常伴有水平位移現象。由于橫向移動的存在導致路基的方向發生變化，使其表現出沿路基縱向水平變形的特點，路基受力狀態異常，具體表現為受壓或受拉，此時公路坡度偏離正常狀態、豎曲線形態也有所改變。

(4)地表各處下沉具有差異性，線路在豎直方向上發生彎曲，預先確定的曲率半徑受到影響，公路的使用效果欠佳，特殊情況下甚至會引發安全事故。

(5)采空區塌陷冒落后，將導致所在處橋墩(臺)出現偏位現象，對樁基形成負摩阻力，嚴重威脅到橋梁的穩定性。

5 煤礦采空區治理方案

經驗表明，采空區治理的可行方案較多，應用效果較好的主要有如下2種。

(1)井下巷道漿砌。通過煤礦井口進入井下，針對性處理未發生坍塌事故的巷道，以片石、砂漿為基礎材料對其充填，通過此方式優化巷道的受力條件，為上覆巖層提供可靠的支撐力，以免上覆巖層發生冒落現象。此時，上覆巖層的穩定性表現良好，地面沉陷變形得到有效的控制，路基可維持穩定狀態。

(2)全充填壓力注漿法。在地表指定位置鉆進成孔，配套注漿泵和注漿管，在兩者協同作用下向采空區注漿(通常可選擇水泥粉煤灰)，使漿液可填充至上覆巖體裂隙內，通過漿液的固化作用可有效膠結巖層裂隙帶，而漿液所構成的結石體也具有較強的支撐能力，有助于維持上覆巖層的穩定性，路基失穩問題得到控制。此工法的優勢在于施工便捷、采空區處理效果較好、所需成本較低。

從本工程采空區的實際情況來看，部分巷道已經坍塌，危害較為嚴重，對此建議采用全充填壓力注漿的方法，以便從根本上解決采空區易塌陷的問題，給公路建設創造良好條件。

6 結語

鑒于公路采空區危害較大的特點，提出采用高分辨地震散射技術，明確采空區的具體范圍并于該處鉆孔檢驗，可知采空區在發生塌陷事故后的巖樣普遍表現出松散狀，與物探結果具有高度的一致性，由此表明：SSP地震散射技術具有可行性，在確定采空區位置和范圍方面的應用效果較好，可作為采空區勘察工作的重要方法，也可被應用于類似工程中。