地震映像法在鐵路隧道隧底巖溶探測(cè)中的應(yīng)用

王兆寧

(中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081)

巖溶是水對(duì)可溶性巖石(碳酸鹽巖、石膏、巖鹽等)進(jìn)行的以化學(xué)溶蝕作用為主，以流水的沖蝕、潛蝕和崩塌等機(jī)械作用為輔的地質(zhì)作用，以及由這些作用所產(chǎn)生的現(xiàn)象的總稱。巖溶洞穴常造成水庫滲漏，對(duì)壩體、交通線、廠礦建筑等構(gòu)成不穩(wěn)定的因素。研究和探測(cè)溶洞的分布，及時(shí)采取措施，是巖溶地區(qū)建設(shè)的關(guān)鍵。

目前，探測(cè)巖溶所采用的物探方法主要有高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)法、地震反射法、地震映像法、大地電磁法及電磁波CT法[1-3]。地震映像又稱高密度地震勘探和多波地震勘探，是基于反射波法中的最佳偏移距技術(shù)發(fā)展起來的一種勘探方法。本文將該方法應(yīng)用于西南某高速鐵路開通前的隧道隧底巖溶探測(cè)中，通過鉆孔驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，并結(jié)合探測(cè)結(jié)果對(duì)隧底有溶洞的隧道進(jìn)行注漿，確保鐵路安全開通和運(yùn)營(yíng)。

1 地震映像法的工作原理

地震映像法是以相同的偏移距逐步移動(dòng)測(cè)點(diǎn)接收地震信號(hào)，對(duì)隱伏地層或目標(biāo)體進(jìn)行連續(xù)掃描，利用多種地震波信息來探測(cè)地下介質(zhì)的變化。其應(yīng)用前提是地下介質(zhì)存在明顯的波阻抗差異。

地震映像法的原理：當(dāng)在地面某點(diǎn)激發(fā)(如敲擊)時(shí)，由于地下介質(zhì)的彈性作用，在激發(fā)所產(chǎn)生的沖擊力作用下，激發(fā)點(diǎn)附近的介質(zhì)產(chǎn)生彈性振動(dòng)。此彈性振動(dòng)以運(yùn)動(dòng)形式在地下巖層中傳播，就形成了地震波。當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ诘叵聜鞑ミ^程中遇到不同介質(zhì)性質(zhì)的巖層界面或地質(zhì)異常體時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生反射波或折射波返回地面。通過在地面上安置的檢波器來接收返回地表的多種地震波。通過對(duì)采集的地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以二維剖面圖的形式顯現(xiàn)，可以直觀地反映地下地質(zhì)體或地質(zhì)異常的變化和形態(tài)。該方法工作原理示意如圖1。

圖1 地震映像法工作原理示意

圖中：Z為反射層高度；V1，V2為反射層上、下2層介質(zhì)的波速；O為地震波激發(fā)點(diǎn)；S1,S2為地震波接收點(diǎn)；L為偏移距。

反射波傳播時(shí)間T的計(jì)算公式為

/V1

地震映像法以小偏移距、小點(diǎn)距密集采集人工激發(fā)的彈性波中折射波、反射波等地震波信息，可以利用多種地震波作為有效波來進(jìn)行探測(cè)[4]。該方法使得折射波和反射波能量得到協(xié)調(diào)，既保證有足夠的勘探深度，又能夠獲得地下隱伏地質(zhì)界面信息。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

西南某高速鐵路全長(zhǎng)857 km，為雙線電氣化鐵路，設(shè)計(jì)速度無砟軌道區(qū)段300 km/h、有砟軌道區(qū)段250～300 km/h。該鐵路穿越剝(侵)蝕高原，施工區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，特殊巖土類型較多，周圍巖溶廣布。巖溶覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土，沖洪積、坡洪積、殘坡積地層。基巖主要為石炭系中統(tǒng)黃龍群灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾白云巖；泥盆系上統(tǒng)堯梭組白云巖、灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r、頁巖；二疊系上統(tǒng)吳家坪組及長(zhǎng)興組硅質(zhì)巖、灰?guī)r、燧石灰?guī)r夾頁巖、炭質(zhì)頁巖、煤層；三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組鈣質(zhì)頁巖夾砂巖；奧陶系下統(tǒng)桐梓組白云巖、灰?guī)r；寒武系上統(tǒng)爐山組灰質(zhì)白云巖。地表水主要有河水、溝水、塘水、坡面水，地下水主要為第四系孔隙水、上層滯水、基巖裂隙水、巖溶水。

2.2 探測(cè)設(shè)備及探測(cè)參數(shù)設(shè)置

本次隧底隱伏巖溶探測(cè)使用的設(shè)備為工程地震儀、地震波激發(fā)器、檢波器和數(shù)據(jù)連接線，見圖2。

圖2 探測(cè)設(shè)備

確定地震映像法最優(yōu)的工作參數(shù)，以達(dá)到理想的探測(cè)效果。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)噪聲剖面，選定道間距為1.3 m，偏移距為4.6 m，采樣點(diǎn)數(shù)為 8 192，采樣間隔為25 μs，檢波器頻率為100 Hz。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，地震波在隧底的平均傳播速度在無砟軌道區(qū)段約為 2 000 m/s，在有砟軌道區(qū)段約為900 m/s。

2.3 探測(cè)流程

1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，沿軌道延伸方向，在線路兩側(cè)及線間布置3條平行的測(cè)線，如圖3所示。

圖3 地震映像法測(cè)線布置示意

2)根據(jù)隧道現(xiàn)場(chǎng)洞身里程標(biāo)記，并結(jié)合已有的線路里程，進(jìn)行里程校正。

3)按照測(cè)試獲得的最佳道間距放置檢波器，按照最佳偏移距布置激發(fā)點(diǎn)位置，采用錘擊激發(fā)，激發(fā)能量根據(jù)測(cè)試選定，以達(dá)到要求的探測(cè)深度。數(shù)據(jù)采集主機(jī)在采集完成后，跟隨激發(fā)點(diǎn)及檢波器同步移動(dòng)。

2.4 數(shù)據(jù)處理及圖像解釋

在采集的原始數(shù)據(jù)可靠的前提下,能否獲得用于地質(zhì)推斷的高質(zhì)量地震映像剖面,關(guān)鍵在于所用處理軟件的質(zhì)量和處理時(shí)所用的各種參數(shù)[5-6]。先對(duì)本次采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行速度分析、靜校正、振幅補(bǔ)償、頻域?yàn)V波、空間濾波，形成地震映像剖面。然后根據(jù)該剖面對(duì)地層和構(gòu)造進(jìn)行解釋。

由本次探測(cè)得到的地震映像剖面，推斷出有溶洞、溶蝕裂隙、淺層不密實(shí)等情況。

溶洞地震映像剖面見圖4。可見：淺層信號(hào)同相軸連續(xù)、平順，深部信號(hào)形成多條雙曲線型同相軸，振幅具有兩邊小、中間大等特點(diǎn)。

圖4 溶洞地震映像剖面

溶蝕裂隙地震映像剖面見圖5。可見：淺層信號(hào)同相軸基本連續(xù)，深部信號(hào)同相軸錯(cuò)斷、雜亂，相位反轉(zhuǎn)，主頻偏低。

圖5 溶蝕裂隙地震映像剖面

圖6 淺層不密實(shí)地震映像剖面

淺層不密實(shí)地震映像剖面見圖6。可見：直達(dá)波、淺層信號(hào)同相軸塌陷，會(huì)出現(xiàn)多條強(qiáng)振幅同相軸，主頻明顯偏低，一般在首波就有所反映。

2.5 鉆孔驗(yàn)證

根據(jù)地震映像法的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。孔深2.0～2.3 m有淤泥，縱波速度為150 m/s；孔深2.3～9.0 m有黃黏土，縱波速度為400 m/s；孔深9.0～11.0 m鉆桿下降速度過快。總進(jìn)尺11.8 m，總傳播時(shí)間約20 ms。鉆探揭露的溶洞與地震映像解釋結(jié)果大體吻合。

3 結(jié)論與建議

采用地震映像法對(duì)高鐵隧道隧底進(jìn)行巖溶探測(cè)，探明多處溶洞和溶蝕裂隙，經(jīng)鉆探得以驗(yàn)證并通過現(xiàn)場(chǎng)注漿進(jìn)行整治。表明該方法在鐵路隧道隧底巖溶探測(cè)中具有可行性。

由于儀器和施工場(chǎng)地的限制，特提出以下幾點(diǎn)建議：

1)巖溶地區(qū)的地形復(fù)雜，通過相關(guān)分析進(jìn)行精確的靜校正處理，可解決炮點(diǎn)和檢波器高程不一致問題。

2)實(shí)際工作中將屬于同一反射點(diǎn)的記錄道排序，由于震源不一致等原因使得道間和道內(nèi)存在嚴(yán)重的能量差異，需要做能量均衡。主要包括道內(nèi)均衡和道間均衡。道內(nèi)均衡是一種補(bǔ)償大地吸收衰減效應(yīng)的技術(shù)，它可以補(bǔ)償振幅衰減和頻率損失，從而改善同相軸的連續(xù)性，提高弱反射波的能量和地震映像剖面信噪比、分辨率。道間均衡解決震源不一致等原因造成的道間對(duì)比困難問題。

3)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件選擇適合的頻帶進(jìn)行頻域?yàn)V波。選擇不同頻帶反映不同地質(zhì)類型，合適的頻帶有利于后期成像處理及異常特征顯示，同時(shí)還可以在一定程度上壓制直達(dá)波或受其他固定頻率的干擾。

4)通過彈性波的走時(shí)、相位、振幅的變化特征，可以分析隱伏地質(zhì)構(gòu)造的空間分布和物理性質(zhì)。

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