地震波C T在隧道地質災害探測中的應用

王 旭 ，張 晨 ，由 靜 ，胡玉瑞

（1.中國航空油料有限責任公司云南公司，云南 昆明650200；2.中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江 杭州310014）

0 引 言

地震波CT是一種新的工程物探方法，它可以從地質體（結構）的外部測量數據準確、可靠地反演出地質體內部結構的直觀圖像，具有分辨率高、可靠性好、圖像直觀等特點，在工程勘探中是一種很有效的勘測方法。故在本次隧道地質災害的探測中，選用地震波CT的工程物探方法[1-6]。

某隧道為上、下行線分離的連拱隧道，該隧道里程為 K235+745～K235+980，全長 235 m，隧道位于 R=150 m，Ls=120 m，I=10%～2.37% 的圓曲線上，隧道凈寬 25.24 m，中墻厚 2 m，最大埋深 63.96 m。隧道施工過程中，上行線K235+879～+889地段曾發生坍塌冒頂，隧道出口段 （K235+920～+970）邊墻、拱頂與中隔墻發生移位、變形、破壞，隧道的質量和施工安全受到了嚴重影響。高速公路建設指揮部對這一問題非常重視。為確保隧道的施工質量和以后的運營安全，需要對隧道病害進行徹底治理。

1 工作原理

大量研究結果表明，地球內部介質廣泛存在地震波各向異性[1]。在各向異性介質地震波的處理與解釋過程中，常常需要走時和射線路徑信息，如走時反演、偏移成像以及地震波層析成像等。地震波CT的探測方法也稱地震波層析成像方法，其原理為：利用地震波射線對地質體（結構）進行透視，通過地震波走時和能量衰減的觀測對地質體 （結構）成像。地震波CT技術是利用地震波在不同介質中傳播速度的差異，確定一個沿路徑積分的圖像函數[2]。

即Radon變化，地震波在檢測的物體中傳播時，縱波的走時是速度v（x,y）和幾何路徑的函數，對于第i條射線，假設射線的走時為ti，則有如下積分式。

式中，n為射線的總條數，Ri為第i條射線的路徑，將隧道斷面的被檢測區域離散成若干個規劃的網格單元。其中重要的是記錄每條射線穿過的單元和統計每個網格單元穿過的射線數目[3]。采用打靶法，由震源位置和接收點位置得到出射角，不考慮速度，從震源按直線路徑追蹤到接收點，記錄下射線所穿過的單元。

根據地震波信號初至時間數據的變化，利用計算機通過這種重建的測試區域地震波速度場的分布特征，由此獲得地震波走時數據，并進行速度v（x,y）分布反演來推斷地質構造的位置、形態和分布狀況。地震波CT特別適用于研究各類地層、構造、巖體、土體的分布界線及其力學性狀，在工程地質勘查中常用來探查斷裂帶、密集節理帶、含水帶、空洞、風化帶等不良地質體的位置、形狀及力學強度等。

2 地震波CT觀測系統布設和完成的工作量

為了查明隧道圍巖坍塌的地質原因、范圍和巖體中斷裂帶的發育、延伸情況及其力學性狀，在本次隧道圍巖的工程地質結構勘查中，地震波CT作為首選方法。地震波CT技術用于工程病害診斷時，最關鍵的環節是設計有效的觀測系統。為了保證本次探測的有效性和完備性，即保證足夠的射線密度和射線正交性，勘探中布置了6條地震波CT探測剖面，即觀測系統由3條橫向剖面、2條縱向剖面和1條隧道與小曼薩河道的側向剖面組成。觀測系統示意圖見圖1。

圖1 地震波CT觀測系統立體示意圖Fig.1ThreedimensionaldiagramoftheseismicCTdetection system

2.1 地震波CT觀測系統的布置

2.1.1 K235＋799、K235＋950、K235＋910 橫剖面

K235＋799剖面沿＋799里程垂直隧道軸向布置，從地表垂直向下，位于隧道入口端孤石之外，與山坡斜交。該剖面觀測由三個排列組成，第一排列是在上行線隧道內布置48個檢波器接收，沿山坡由下向上放炮，炮間距為2～4 m不等，炮點為100個；第二排列是將接收點移到下行線邊墻導洞中，24道接收，山坡上放炮，炮點分設在山腳下和山頂上，共放48炮；第三排列接受點在山腳下，48道接收，炮點在山坡上，炮點為 20 個。K235＋910、K235＋950剖面垂直于中線，在上行線和下行線內，沿邊墻和拱圈各布置24個檢波點，共48道60 Hz檢波器接收。在山上布置激發點，激發點與隧道內接收點保持在一個垂直面內，炮點為101個，炮間距為2 m，地面測線長200 m，采用爆炸震源。為了準確探明沿斜坡地表松散體及風化層的厚度和分布，在進行了洞內采集后，又將48道檢波器布置在地面激發測線的山下一側，道間距為2 m，在山上一側激發了8炮。

2.1.2 上行線中墻和中道、下行線右邊墻角坑縱剖面

在上行線 K235＋897.5～＋947 和下行線 K235＋894～＋959.2段中墻墻角分別布置了24和48道檢波器，在中道坑K235＋779～＋873段的右邊墻角布置了48道檢波器，共72道接收，道間距為2 m，測線長168 m。在K235＋759～＋965段地面，沿洞內接收排列方向布置激發點，激發點與隧道內接收點保持在一個垂直面內，炮間距為2 m，測線長206 m，采用爆炸震源，共激發了104炮。

2.1.3 上行線中墻和中道坑與河道側向剖面

在上行線 K235＋897.5～＋947 段中墻墻角布置24道檢波器，在中道坑K235＋779～＋873段的右邊墻角布置48道檢波器，共72道接收，測線長168 m。采用爆炸震源，炮間距為2.5 m，在河道內激發195炮。

2.2 實際完成工作量

地震波CT剖面實際測量點共1 047個，其中檢波點408個，炮點789個，實際激發789炮，觀測地震波射線計43 896條。具體見表1。

2.3 觀測系統的合理性及完整性評價

觀測系統的合理性及完整性是通過地震波射線穿過觀測區域內每個單元的射線密度和正交性來衡量的[4]，射線密度和射線正交性是評價觀測系統合理性及完整性的兩個重要指標，也是地震波CT方法自身評價其完備性及可靠性的有效手段。為保證地震波CT探測結果的分辨率和可靠性，要求探測區域內每個單元穿過的射線超過40條，并且要求每個單元內穿過的射線其交角的正弦大于0.87，即至少有一組射線的交角大于60°。實際工作中，嚴格按照以上的技術要求對觀測系統進行了認真的設計和布置。兩條地震波CT剖面主要研究區的射線密度均大于100，射線正交性大于0.87的面積為90%。最后得到的成像結果是可靠的，分辨率可以達到理論數值，即單元尺度的1／2。

表1 各斷面完成的工作量Table 1 :Workload completed on each cross section

3 探測結果

此次探測使用地震波CT方法取得了豐富的資料，6個地震波CT剖面共觀測地震射線43 896條。由于上行線K235＋879～＋889地段曾發生坍塌冒頂，隧道出口段（K235＋920～＋970）邊墻、拱頂與中隔墻發生移位、變形、破壞，所以這是探測中的重中之重，圖2和圖3為探測成果圖，其中圖（a）為速度色譜圖，圖（b）為地質解釋剖面圖。

由圖2、圖3可看出，微風化和未風化的巖體波速為 2.0～4.0 km／s，中等風化巖體的波速為 1.3～2.0 km／s，強風化巖體的波速為 1.0～1.3 km／s，與花崗巖類同等級的風化層相比都偏低0.5 km／s左右，松散土層的波速小于1.0 km／s。該隧道地震CT剖面的觀測結果清楚地顯示了隧道周圍的工程地質結構特征，以及巖體的力學強度分布。地震CT與地質分析結果說明，隧道周圍的花崗片麻巖節理、裂隙十分發育，風化嚴重，屬節理裂隙巖體類型。節理風化帶寬達幾米到十幾米，由砂與粘土填充，K235＋879～＋889處的塌方冒頂就與節理帶有關。隧道出口段圍巖的類型略有不同，為松散堆積。堆積體由巖塊、砂與粘土組成，砂與粘土的含量較多。隧道圍巖波速偏低，整體完整性較差，特別是上行隧道頂部。

圖2 隧道上行線中墻和中導坑縱剖面地震波CT探測成果圖Fig.2 Detection result by seismic CT of the longitudinal cross section ofthemiddlewallandmiddleheadingontheuplink of the tunnel

圖3 隧道上行線、中導坑與河道剖面地震波CT探測成果圖Fig.3 Detection result by seismic CT of the cross section of the middle wall,middle heading and the river on the uplink of the tunnel

4 結語

本次綜合物探基本查清了隧道出口段破壞與山體側移的原因，查清了隧道中部塌方冒頂的地質背景，對隧道病害治理提出了參考性建議，達到了預期目的。勘測的主要結論可歸為以下幾點：

（1）隧道所處山體的基礎是穩定的，不存在大型滑坡的條件。

（2）隧道圍巖有3個局部非穩定區，分別為出口段（里程 K235＋940～＋970）松散堆積，中段拱頂（里程 K235+820～+940）5～20 m 的松散層， 以及山坡淺表松散層。

（3）隧道出口段非穩定區的產生及隧道的破壞，是由于出口段松散堆物在飽水情況下發生變形和側移，對隧道產生側向推力造成的。

（4）隧道中部K235+879～+889段的塌方冒頂是拱頂松散層與垂向節理帶填充松散物失穩的結果。

[1]趙愛華，張美根，丁志峰.橫向各向同性介質中地震波走時模擬[J].地球物理學報，2006，49(6)：1762～1769.

[2]王建軍,廖全濤,曹建偉,等.應用井間地震CT探測某橋墩基礎斷裂[J].物探與化探,2006,30(2):186～188.

[3]段心標，金維浚.井間地震層析成像初始速度模型[J].地球物理學進展，2007，22(6)：1831～1835.

[4]肖寬懷,劉浩,孫宇,等.地震CT勘探在昆石公路隧道病害診斷中的應用[J].地球物理學進展,2003,18(3):472～476.

[5]李丹,李川,趙永貴.地震CT與FBG傳感器技術在隧道結構診斷中的應用[J].工程地質學報,2008,16(6):839～843.

[6]賈瑩,孟剛,榮寧,等.地震CT在箱型梁橋檢測中的應用[J].山東理工大學學報(自然科學版),2008,22(4):71～75.