多偏移距橫向高分辨率瞬態(tài)面波在注漿質(zhì)量檢測中的應(yīng)用研究

張亦朋

廣東省化工地質(zhì)勘查院 廣東 廣州 510800

1 前言

瞬態(tài)面波法近年來在淺層地質(zhì)勘查、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、透明城市探測和無損檢測等方面應(yīng)用非常廣泛。與其它的地震探測方法相比，瞬態(tài)面波法具有高信噪比、野外采集便捷、垂直分辨率高等特點。作為一種無損、快速、連續(xù)且經(jīng)濟有效的物探檢測方法，已經(jīng)在鐵路、城市軌道交通巖溶注漿加固質(zhì)量檢測中廣泛應(yīng)用[1]。關(guān)于注漿質(zhì)量的檢測評定，文獻[2]目前瑞雷面波法用于評價注漿加固效果應(yīng)采用加固前與加固后兩次觀測對比的方法，以波速的提高和曲線頻散（曲線的形態(tài)和頻散特征、“之”字形拐點和曲率的變化特征）的改善作為依據(jù)。

目前在瞬態(tài)面波探測中大多采用多道瞬態(tài)面波分析法(簡稱MASW）[3]，這種面波分析方法是利用多道的疊加效應(yīng)提高頻散曲線計算的準(zhǔn)確性，從而提高了垂向探測精度。目前所采用的MASW方法由于多道疊加效應(yīng)，多道地震記錄只能計算出一條頻散曲線，這樣使得MASW方法由于其平均效應(yīng)導(dǎo)致在橫向上分辨率相對較低，不同偏移距的頻散曲線不穩(wěn)定性等問題。基于目前面波存在的問題，如何在面波探測中既能夠利用少量地震道提取頻散曲線，又能夠壓制干擾使得提取的頻散曲線精度較高，滿足探測的需要。針對這種情況，中南大學(xué)張大洲博士等發(fā)明的多偏移距二維橫向高分辨率瞬態(tài)面波（Multiple Offset Surface wave Tomography, 簡稱MOST）探測方法[5]，該方法已經(jīng)申請發(fā)明專利（發(fā)明專利號：ZL 2021 1 0950680.3）。該探測方法和裝置比目前常規(guī)瞬態(tài)面波，可以利用多偏移距多次激發(fā)的地震數(shù)據(jù)對同一位置的頻散曲線進行疊加，可以有效壓制干擾，提高頻散曲線提取的精度，能夠同時保證面波探測的縱向分辨率和橫向分辨率，具有更簡便、高效、縱橫向分辨率高、成果直觀、適用場地小等優(yōu)點。

2 多偏移距二維橫向高分辨率瞬態(tài)面波原理

MOST方法在數(shù)據(jù)采集時采用多偏移距且在排列兩邊激發(fā)并接收數(shù)據(jù)，在頻散曲線提取過程中利用兩個檢波器所接收到的多個偏移距數(shù)據(jù)所計算得到的頻散譜進行疊加，從而增強頻散曲線的穩(wěn)定性。由于是采用兩道計算頻散曲線，因此在一個排列中可以計算出多個頻散曲線，從而提高橫向分辨率。圖1為MOST方法和常規(guī)的MASW方法的對比示意圖。

圖1 多偏移距二維橫向高分辨率瞬態(tài)面波法和常規(guī)瞬態(tài)面波法對比

多偏移距二維橫向高分辨率瞬態(tài)面波探測方法（MOST）的第一個特點為：（1）在探測區(qū)域可以布設(shè)n個檢波器，其中，n＞2，檢波器呈線性排列，在檢波器排列的兩側(cè)不同偏移距分別設(shè)置m個震源，其中，m＞1；在設(shè)置的m個震源處分別激發(fā)地震波并通過布設(shè)的n個檢波器對激發(fā)的地震波數(shù)據(jù)進行采集接收，得到m個震源激發(fā)后的m×n道地震波數(shù)據(jù)；將一個震源激發(fā)后所接收到的n道地震波數(shù)據(jù)，通過模式分離方法對n道地震波數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，去除體波、聲波和其他干擾波，得到n道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)；對所述n道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)，通過多重濾波方法依次計算每相鄰兩個檢波器瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)的F-V譜，得到n-1個F-V譜；對所述步驟2中所接收到的每個震源的n道地震波數(shù)據(jù)執(zhí)行上述兩個步驟，得到m×（n-1）個F-V譜；將m×（n-1）個F-V譜中相同兩個檢波器不同震源的瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)計算出F-V譜進行疊加平均，得到n-1個合成的F-V譜；對每個合成的F-V譜進行頻散曲線拾取，得到n-1條頻散曲線；對n-1條頻散曲線進行迭代反演，獲得二維橫波速度剖面。

（2）多偏移距二維橫向高分辨率瞬態(tài)面波探測方法第二個特點為：多個檢波器按間距線性排列，每兩個檢波器間的間距設(shè)置為等距或不等距；定義偏移距為每個震源與首個檢波器之間的距離，設(shè)置的最小偏移距不小于一倍檢波器的間距，設(shè)置的最大偏移距為離震源最遠的一個檢波器能夠接收到明顯且完整的面波信號。

（3）多偏移距二維橫向高分辨率瞬態(tài)面波探測方法第三個特點為：多個檢波器同時對地震波進行采集，其中，每一個檢波器采集一道地震波數(shù)據(jù)，多個檢波器獲得多道地震波數(shù)據(jù)，將多道地震波數(shù)據(jù)根據(jù)實際位置放置形成多道時間-空間域數(shù)據(jù)，將多道時間-空間域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為多道頻率-波數(shù)域數(shù)據(jù)或多道頻率-相速度域數(shù)據(jù)，通過模式分離方法分別將每道頻率-波數(shù)域數(shù)據(jù)或每道頻率-相速度域數(shù)據(jù)中的聲波、體波和其他干擾波進行去除，僅保留瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)，將保留的多道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)反變換為時間-空間域數(shù)據(jù)，得到多道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)。

3 工程實例

3.1 工程概況

廣州市軌道交通十二號線工程（潯峰崗-大學(xué)城南）某區(qū)間地處巖溶強發(fā)育地帶，盾構(gòu)下穿京廣鐵路后在鐵路周邊發(fā)生一處地面沉降塌陷，施工方迅速作出反應(yīng)，針對塌陷區(qū)采取注漿加固工作。為了保證完全消除地質(zhì)災(zāi)害隱患，多方達成一致意見對塌陷注漿加固區(qū)域進行瑞雷面波法檢測。主要是評價巖溶塌陷區(qū)的注漿加固效果。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

瑞雷面波法（瞬態(tài)）采用多道多偏移距觀測裝置，采用重慶地質(zhì)儀器廠的DZQ-24A型工程地震儀進行數(shù)據(jù)采集。瑞雷面波法采用36磅大錘作為錘擊震源激發(fā),記錄道24道，檢波使用固有頻率4.5Hz的垂直檢波器。道間距1m，偏移距采用6、8、10m，采樣間隔0.5ms，記錄長度2048樣點。

3.3 資料處理

（1） 瑞雷面波法數(shù)據(jù)處理

1）首先對同一個震源激發(fā)并接收到的一個排列多道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)通過模式分離方法進行預(yù)處理；

2）對預(yù)處理后的瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)取相鄰兩道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)計算出F-V譜，這樣在一個震源激發(fā)多個檢波器接收的數(shù)據(jù)就會得到不同位置的多個F-V譜；

3）對于多個震源激發(fā)并接收到的瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟1）和步驟2），這樣就可以在同一個位置得到多個F-V譜；

4）獲得同一個位置多次震源激發(fā)后計算得到的所有F-V譜進行疊加和平均，得到一個合成的F-V譜；

5）對一個排列獲得的不同位置的多個合成的F-V譜進行頻散曲線拾取；

6）對拾取出的頻散曲線進行多模式反演，獲得二維橫波速度剖面；

7）根據(jù)反演的結(jié)果，結(jié)合其他地質(zhì)資料進行綜合解釋。

（2）瑞雷面波法資料解釋

瑞雷面波法解釋主要是在數(shù)據(jù)處理后，通過波速的變化來進行對比解釋。

3.4 注漿效果對比分析

選取其中一條剖面為例子進行比對分析，對物探MB1線與MJ1線面波數(shù)據(jù)進行分析解釋，注漿效果作如下闡述：

如圖2所示，MB1線為第一次注漿加固后探測波速影像圖，圖中波速值顯示淺部較低，深部逐漸變大，局部存在低速封閉異常；其中在7-17m之間深度在2-4m出現(xiàn)低速和相對低速異常區(qū)，推測為土體疏松區(qū)（編號：SS1），其波速值小于170m/s；在21-22.5m之間深度在3.5-4.0m出現(xiàn)出現(xiàn)低速和相對低速異常區(qū)，推測為土體疏松區(qū)（編號：SS2），其波速值小于170m/s；在18-22m之間深度在10.2-14m出現(xiàn)出現(xiàn)低速和相對低速異常區(qū)，推測為巖溶發(fā)育區(qū)或土洞（編號：YT1），其波速值小于195m/s；推測注漿區(qū)域波速值小于210m/s。YT3異常經(jīng)過鉆探驗證，在埋深12.20-14.50m左右發(fā)現(xiàn)土洞一處，并對土洞進場二次注漿加固。

圖2 MB1線與MJ1視橫波波速影像圖

MJ1線為第二次注漿加固后探測波速影像圖，圖中波速值顯示波速可分三層，由淺至深波速為中-低-高的漸變過程，層狀較明顯；與MB1線成果對比：①淺地表經(jīng)過第二次注漿后，波速值有明顯的提升，注漿加固效果顯著；②SS1、SS2異常范圍經(jīng)過第二次注漿加固后，在MJ1線中未發(fā)現(xiàn)存在低速封閉異常，對應(yīng)范圍波速值為165-210m/s，注漿效果顯著；③YT3異常范圍經(jīng)第二次注漿加固后，在MJ1線中未發(fā)現(xiàn)存在低速封閉異常，波速值大于220m/s，注漿效果顯著；④MB1線推測注漿區(qū)域范圍與MJ1線相同位置波速值有明顯的提升，注漿較強效果較第一次有明顯改善。

4 結(jié)語

（1）經(jīng)對兩次注漿加固后的面波資料分析，說明巖溶塌陷區(qū)內(nèi)注漿較好的充填了淺層土洞，對淺層軟弱松散不均勻體產(chǎn)生了有效的固結(jié)作用，消除了不良地質(zhì)體可能會產(chǎn)生的地災(zāi)隱患。

（2）通過多偏移距二維橫向高分辨率瞬態(tài)面波探測方法在巖溶塌陷注漿檢測的應(yīng)用，并得到鉆孔驗證，說明該方法能夠全面、客觀、直觀、快速有效地檢測注漿質(zhì)量效果。