淺層地震勘探在公路工程質量檢測中的應用

管竹青

(上海陽旭建設工程檢測技術有限公司，上海 201600)

0 引言

隨著我國經濟社會的發展，交通體系也越來越發達，我國每年新增公路約10萬km[1]。部分地區公路修建在地質環境復雜，地質災害易發區[2]，易出現路基空區、公路變形等，給交通安全帶來隱患[3]。為保證公路的正常運營，公路工程質量檢測工作越來越受到重視。淺層地震勘探技術是工程勘探中的常用方法，其原理是根據地震波在不同介質中的傳播速度、路徑、頻率等參數不同的特點，反演出地下障礙物結構與幾何位置等參數，從而達到勘探的目的[4]。本文以某公路為例，說明淺層地震勘探技術的實際應用效果。

1 方法原理

工程淺層地震，即運用地震勘探方法解決淺層工程地質問題，其工作原理是利用人工震源在激發點所激發的地震波在地下不同介質中傳播特征不同，從而反演出地下結構與構造[5]。基本原理是當人工震源所激發的地震波遇到不同的物體或底層界面時(密度和波速發生變化時)，地震波的速度或傳播路徑會發生改變。實際工作中，使用儀器記錄各種波的傳播時間和波形特征的變化規律，分析解釋地震記錄，可以推斷出有關巖石性質、管線、地下障礙物結構和幾何位置等參數，從而達到勘探的目的[6]。

在工程勘察中，使用淺層反射波法研究的目標是淺層分層，確定十幾米以內的較小的地質構造以及尋找局部地質體、洞穴、沉陷帶、殘留孤石等地下異常以及地下工程和地下管線等，要求很高的分辨率。為了獲得較高的分辨率，淺層反射波法的工作頻率要比中、深層地震反射波法的頻率高一個數量級，一般為幾百赫茲。

地震波在其傳播過程中遇到介質性質不同的巖層界面時，根據波的傳播規律，其中的一部分能量被反射，一部分能量則透過界面而繼續傳播，因此任何兩種介質的分界面都可產生反射波[1-2,6]。可使用專業的地震勘探儀器，在地表面通過接收來自不同界面的反射波來詳細查明地下巖層的分層結構及其幾何形態。簡單的水平二層結構反射波路徑與時距曲線如圖1所示。

圖1 水平二層結構反射波路徑和時距曲線圖

地震映像法是基于反射波法中的最佳偏移距技術發展起來的，是一種常用的淺層地震勘探方法[5]，可以利用多種波作為有效波來進行探測，也可以根據特定的探測目標而選取某一種波作為有效波。除常見的折射波、反射波、繞射波外，還可以利用有一定規律的面波、橫波和轉換波。每一測點的波形記錄都采用相同的偏移距激發和接收，在該偏移距處收到的有效波具有較好的信噪比和分辨率，能夠反映出地質體沿垂直方向和水平方向的變化(圖2)。

圖2 地震映像工作示意圖

設水平大地模型為均勻兩層介質構成，L為偏移距，O1、O2為激發源，S1、S2為接收點，當界面水平時，反射點和接收點中點下的界面上，反射波的傳播時間與界面深度、圍巖的波速有關。反射波時距方程為：

(1)

式中，Z為V1介質的厚度；V1為速度；偏移距L為常數。

地震映像法是地震單道反射，利用介質的彈性波速差異來探測異常體。人工錘擊地面產生的地震波在向地下傳播過程中，遇到地下介質存在的波速差異時，便會產生反射波并反射回地面。當介質分布均勻，無地下空區、空洞等異常體存在時，則所得到的同相軸連續穩定，不會出現錯斷、缺失、能量減弱等現象。 若地下存在空區、空洞等不良地質情況，則地震波在其分界面上會產生波的繞射，使得同相軸出現錯斷、缺失、能量減弱等現象，從而識別空區。

2 儀器設備

本項目地震映像探測采用美國SI公司生產的S-Land數字化地震勘探采集系統進行探測，該儀器具有集成、高效、輕便和抗干擾能力強等優點(圖3)。

圖3 S-Land數字化地震勘探采集系統

該系統為國內外目前性能最為優良的淺層地震勘探儀器之一，最大的特點在于接收的地面振動信號經過極短距離的傳輸后就被△-Σ24A/D轉換成數字信號，全數字化的數據傳輸技術極大地降低了地震數據采集時反射、折射等信號的損耗和畸變，真正做到對傳感器的模擬信號進行最大程度地高保真模數轉換、數字化傳輸和數字化記錄，以獲得高信噪比、高分辨率、高保真度的原始數據。極大地降低了50 Hz工頻干擾對地震反射數據的干擾，體現了全數字化地震勘探儀器的優勢，尤其是在城市進行地震勘探時，可獲得高信噪比的地震數據。激發方式采用人工大錘激發，為確保能量集中，盡量往下傳播，錘擊時垂直重擊。激發能量大、頻帶寬。

3 勘探過程

本次工作嚴格遵守國家、地方的物探探測規范、規程并結合現場踏勘、調查結果進行。執行的技術標準主要包括《城市工程地球物理探測規范》(CJJ7—2017)、《淺層地震勘查技術規范》(DZ/T 0170—2020)等。

為獲得可靠的數據，施工過程中按照“達到目的、解決問題”的原則，滿足設計、施工、管理工作的需要；數據采集、處理和成果的移交、保密符合國家、地方、行業及業主、設計的要求；保證技術質量，保障措施健全、數據庫與成果圖一致性保障措施完善。

開始工作前需進行現場試驗，根據實驗結果采用地震映像法進行探測，選擇的數據采集參數如下：道間距0.5 m，炮間距0.5 m，記錄長度為200 ms,采樣率0.25 ms。數據處理主要流程為：原始數據→格式轉換→道編輯及切除→一維濾波、二維濾波→CDP分選→速度分析→迭加→預測反褶積→AGC→輸出。

針對物探任務，本次地震映像法采用0.5 m道間距，1 m線距。布設3條平行測線，L1測線布設在管道上方，L2測線布設在L1線右側1 m，L3測線布設在L1線左側1 m(圖4)。

圖4 地震映像測線布置示意圖

4 成果解釋

抽取三組不同偏移距數據(4、8、11 m)進行綜合解釋，成果剖面圖如圖5所示，解釋成果如下：

(1)從4 m偏移距地震映像數據來看，反射波組連續，頻率較為均一，推測測線控制位置，淺表地層較穩定均一。

(2)從8 m偏移距地震映像數據來看，L3反射波組連續，頻率較為均一，推測測線控制位置，淺表地層較穩定均一。L1與L2測線26～30 m附近，波組頻率相對較低，振幅相對較弱，推測該段地層與其他位置地層相比，較為松散。結合本次物探任務推測，該異常可能為水管破裂或者滲漏造成的地層松動，也可能為道路施工或者管道施工過程中回填土的橫向不均一造成。

圖5 不同偏移距地震映像物探成果剖面圖

(3)從11 m偏移距地震映像數據來看，反射波組連續，頻率較為均一，推測測線控制位置，相對較深位置的地層較穩定均一。

5 結論

(1)受地震映像方法本身特性的限制，地震映像法僅能判斷速度異常區域，不能精確反演異常深度。

(2)由于受城市地球物理條件的影響與制約，地下障礙物探測有一定的誤差，設計及施工需考慮增加一定的安全系數。

(3)城市地球物理勘探是一項非常復雜的工作，受到影響的因素也很多。地球物理勘查技術人員應科學嚴謹對待異常解譯，要充分考慮現場實際情況，不能盲目地以達到所謂的目標解譯成果。