任 登 富

(貴陽市城市軌道交通集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550000)

0 引言

西南多為巖溶地區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)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(guī)手段對地質(zhì)狀況的準(zhǔn)確探測，如何將地震勘探技術(shù)應(yīng)用于非均勻地質(zhì)模型成為了科學(xué)工作者們攻堅(jiān)的目標(biāo)。20世紀(jì)80年代，K.AKI[1]出版的《定量地震學(xué)》為大家?guī)砹耸锕猓瑥?003年開始，趙永貴[2]依靠K.AKI[1]建立的非均勻彈性介質(zhì)中地震散射波傳播的普適方程，在國內(nèi)率先開展了西南地區(qū)地震勘探技術(shù)的研究。通過對數(shù)據(jù)采集方式、數(shù)據(jù)處理方法、軟件技術(shù)、硬件技術(shù)、解釋原理等進(jìn)行系統(tǒng)的研究開發(fā)。散射波在非均勻介質(zhì)中的傳播——確定性和隨機(jī)性在非均勻介質(zhì)中地震波的傳播已成為當(dāng)今世界各國科學(xué)家研究波動理論熱點(diǎn)[3]。到2013年，已經(jīng)基本完成了地震散射實(shí)用勘探技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用研究工作。在山地構(gòu)造、采空區(qū)、巖溶、海底孤石、城市道路脫空區(qū)等探測的實(shí)際應(yīng)用取得了一大批成果，使散射波地震勘探技術(shù)不斷改進(jìn)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(qū)復(fù)雜的巖溶地質(zhì)條件，在軌道交通1號線、2號線施工過程中，出現(xiàn)多次地面沉降和塌陷、洞內(nèi)坍塌、涌水和突泥、基坑和邊坡坍塌、既有建(構(gòu))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(jiān)控量測、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等工作不能充分解決上述問題，巖土風(fēng)險(xiǎn)管控處于被動治理狀態(tài)。電法和電磁法受電磁干擾并不能有效真實(shí)的反映地質(zhì)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(qū)域、超前預(yù)處理，極大的降低了地下空間施工的巖土工程風(fēng)險(xiǎn)。

1 原理

地震散射理論是非均勻介質(zhì)中地震波傳播的普適理論，散射波是波與介質(zhì)相互作用的產(chǎn)物。當(dāng)波入射到均勻彈性體內(nèi)時(shí)不改變傳播方向，只是簡單地通過，不會激發(fā)任何波[4]，但是當(dāng)波入射到非均勻介質(zhì)時(shí)，就會在介質(zhì)中激發(fā)出散射波，此時(shí)介質(zhì)中不但有入射波傳播，還有散射波傳播。

1.1 散射波傳播產(chǎn)生與傳播規(guī)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(zhì)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(shí)。

1)波在介質(zhì)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(zhì)之間傳播，介質(zhì)差異性較大時(shí)，波速會發(fā)生陡變，陡變差異系數(shù)α(r)可表示為：

(3)

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

聯(lián)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(lì)下，非均勻體異常體相當(dāng)于二次震源，向周圍發(fā)射散射波；散射波的強(qiáng)度與陡變差異系數(shù)α與入射波的慣性力的乘積成正比。

1.2 散射波數(shù)據(jù)的采集

地震散射原理示意圖見圖1。

不同于均質(zhì)介質(zhì)中，檢波器主要接收地層界面處震源與檢波器中間點(diǎn)反射波信號的時(shí)間序列；在非均勻介質(zhì)中，檢波器能記錄該區(qū)域內(nèi)所有非均勻體散射延時(shí)疊加的總和，詳見式(5)：

(5)

α(r)表征該處波阻抗差異，其出現(xiàn)的位置也代表散射點(diǎn)所在的位置。

因?yàn)槊奎c(diǎn)的記錄包含著所有散射點(diǎn)散射的總合，據(jù)此可以使用多點(diǎn)激發(fā)和多點(diǎn)接收的散射記錄，通過反演重建地下介質(zhì)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(shù)據(jù)的處理分析

散射波法數(shù)據(jù)的處理流程分為5個(gè)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?；诘刭|(zhì)結(jié)構(gòu)的非均勻性以及散射波場的局限性，采用以共炮點(diǎn)記錄為對象的處理技術(shù)對散射波法的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理達(dá)到重建波阻抗界面與波速分布的圖像的目的。

其中關(guān)鍵的三個(gè)環(huán)節(jié)：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(diǎn)，且受各種信號干擾嚴(yán)重。須首先對共炮點(diǎn)記錄進(jìn)行濾波處理，消除干擾波和環(huán)境噪聲，提高散射波的信噪比。通常采取的濾波技術(shù)包括F-K二維濾波技術(shù)和Radon雙曲濾波技術(shù)。其中濾除具有線性走時(shí)的各類干擾波適采用F-K二維濾波技術(shù)；在城市地區(qū)地下環(huán)境復(fù)雜，像多次波、障礙物反射聲波及噪聲較多，Radon雙曲濾波技術(shù)更加適用。

2)速度分析。

散射波法數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是速度分析。它以共炮點(diǎn)記錄為對象，通過Radon變換，將時(shí)間—空間域的地震記錄，變換到時(shí)間—速度域，以方便地展現(xiàn)散射界面的時(shí)間深度和對應(yīng)的波速，如圖2所示。

時(shí)間—速度域地震記錄圖像中能量的極值點(diǎn)對應(yīng)這散射界面的時(shí)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(qiáng)度，構(gòu)建炮點(diǎn)的垂直速度結(jié)構(gòu)剖面。

散射波法采用的是小排列觀測系統(tǒng)，采用小距離炮間距，每一炮點(diǎn)數(shù)據(jù)代表其附近垂直下方的地質(zhì)情況，多個(gè)炮點(diǎn)數(shù)據(jù)橫向聯(lián)合則會構(gòu)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(shí)疊加的原理，進(jìn)行合成孔徑成像。其中散射強(qiáng)度α為關(guān)鍵值，散射強(qiáng)度α大表征波阻抗差異大，散射界面散射強(qiáng)，界面兩邊介質(zhì)差異大；散射強(qiáng)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(shù)值大小表征地質(zhì)界面的空間分布和波阻抗差異的大小。

偏移成像結(jié)果主要反映地質(zhì)界面空間位置、分布形態(tài)，作為地質(zhì)結(jié)構(gòu)解譯的依據(jù)。

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(qiáng)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(fā)現(xiàn)；近炮點(diǎn)的散射波能量較強(qiáng)，容易被發(fā)現(xiàn)。

運(yùn)用地震法對城市地鐵工程地質(zhì)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(biāo)體大小在0.5m～10m左右。

2 工程實(shí)例

貴陽軌道交2號線某區(qū)間隧道長187m，為單洞雙線結(jié)構(gòu)，線間距為14m，隧頂埋深14.2m～14.6m，隧道底板標(biāo)高1 261.4m～1 261.5m，洞寬最大為21.7m，洞高最大為14.9m。區(qū)間隧道沿誠信北路敷設(shè)，采用礦山法雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)支護(hù)。

該段巖性為可溶性巖，局部地段地面可見落水洞，巖溶強(qiáng)發(fā)育，覆蓋層多為可塑狀紅粘土，局部呈硬塑狀，偶見鐵錳質(zhì)結(jié)核土質(zhì)純，具有高液限、遇水軟化、失水強(qiáng)烈收縮、裂隙發(fā)育、易剝落的工程性質(zhì)，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(nèi)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(bǔ)給為主，地下水沿巖溶裂隙、巖溶管道、構(gòu)造破碎帶、裂隙、層面徑流，帶走土體中的細(xì)顆粒，再加上工程擾動等因素極易發(fā)生隧道拱頂?shù)魤K、路面塌陷以及掌子面突泥涌水等現(xiàn)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(qū)域的巖溶、道路下方空洞等地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)精準(zhǔn)預(yù)處理，保證區(qū)間隧道開挖過程中工程安全及周邊(建)構(gòu)筑物及地表行車安全。沿地下區(qū)間隧道左線中線兩側(cè)布設(shè)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(jì)82m。SSP地震波散射采集系統(tǒng)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(jì)長度15.5m，炮間距為1m，采用24磅大錘錘擊激發(fā)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

探察成果及現(xiàn)場開挖驗(yàn)證結(jié)果如下：

經(jīng)過以下步驟：波場分離→速度重建→地質(zhì)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(tǒng)計(jì)見表1。

表1 地震散射波法(SSP)探察成果地層波速分布統(tǒng)計(jì)

根據(jù)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(qiáng)風(fēng)化巖體和中風(fēng)化巖體。

2)本次測線區(qū)域存在兩處異常區(qū)域，如表2所示。

表2 探測結(jié)果統(tǒng)計(jì)

經(jīng)參建各方論證，在異常區(qū)域二共布設(shè)3個(gè)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如下：

根據(jù)鉆孔驗(yàn)證資料，隧道大斷面掌子面④部左肩部位已經(jīng)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(jìn)行預(yù)處理，在開挖過程中極易掌子面涌水突泥，導(dǎo)致上部土體沉降過大，拉裂上部雨污水管，引起地表塌陷。

經(jīng)過地震散射波探察和鉆孔驗(yàn)證，精確定位了巖溶的空間分布，在驗(yàn)證孔處進(jìn)行了注漿加固，保證了后期隧道開挖、路面行車安全。

3 結(jié)語

散射波地震勘探技術(shù)具有分辨率高、抗干擾性強(qiáng)、不破損路面、不中斷交通等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)Φ叵?0 m內(nèi)的松散區(qū)和巖溶進(jìn)行精確探察，基本覆蓋大部分市區(qū)地鐵軌面以上區(qū)域。城市地鐵修建過程中通過地震散射技術(shù)的應(yīng)用，可在詳勘的基礎(chǔ)上有效的對不良地質(zhì)體進(jìn)行補(bǔ)充探察，能精確定位不良地質(zhì)體的規(guī)模、空間分布，從而對地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)處理，有效避免或降低地面沉降和塌陷、洞內(nèi)坍塌、涌水和突泥、基坑和邊坡坍塌、既有建(構(gòu))筑物沉降、管線沉降和破損等施工風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到了將巖土工程風(fēng)險(xiǎn)由被動治理轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃宇A(yù)控的效果。

散射波地震勘探技術(shù)在地下巖土工程風(fēng)險(xiǎn)管控中的研究與應(yīng)用目前還處于初級階段，現(xiàn)階段的探測成果需要專業(yè)軟件作后期分析處理，時(shí)效上還有待提高，硬軟件設(shè)施仍需在工程實(shí)踐中不斷發(fā)展完善，為地下巖土工程風(fēng)險(xiǎn)主動管控的實(shí)現(xiàn)起到關(guān)鍵作用。