二維瞬態面波在隧底隱伏巖溶探測中的應用

王先龍

(云桂鐵路廣西有限責任公司， 南寧 530022)

隨著高速鐵路建設速度的加快和區域的擴張，高速鐵路建設遇到的地質問題越來越復雜。在我國南方石灰巖地區，巖溶發育，巖溶形態復雜多樣，大小千差萬別，分布規律性差，若不能有效處理，將為高速鐵路運營帶來極大的安全隱患。對于在施工開挖過程中揭露出來或通過地面鉆探、地表物探等手段已經判識的溶洞、溶腔、暗河等，可采取工程措施進行處理。但是對于隱伏在隧道底部的溶洞，其探測方法的有效性就顯得非常重要。目前，在隧底隱伏巖溶探測中，常用的無損探測方法有地質雷達方法、高密度地震映像方法等。本文結合工程實例，介紹一種新的探測方法，即基于共中心點道集的二維瞬態面波方法。

1 地面二維瞬態面波方法

1.1 二維瞬態面波簡介

早在1887年，英國數學物理學家瑞雷在求解自由表面半空間中的平面彈性波場時，就預言了一種振幅沿縱向指數衰減的面波的存在.這種面波的速度小于同一介質中的縱波和橫波的速度，質點運動軌跡為一逆向橢圓。這一結論在天然地震記錄中得到了證實，人們稱其為瑞雷波或瑞雷面波[1]。之后,許多學者對瑞雷波在各種介質中的傳播理論進行了廣泛的研究[2]。Tokimatsu通過對主動源面波的研究推動了面波地震勘探方法的發展，他的總結在主動源面波發展方面具有巨大影響[3]；Kansas Geological Survey 發展了Tokimatsu在主動源面波方面的發展，并提出了多道分析的方法(MASW)[4-5]，極大地提高了面波分析方法的穩定性和準確率。同時該機構還提出了基于面波勘探的二維分析方法[6-9]，其在面波勘探方面的巨大貢獻激發了很多學者對面波勘探的研究。面波方法最關鍵的理論是提取層狀介質的頻散曲線， Saito等人[10-11]研究了提取頻散曲線的方法。日本學者Hayashi, K.等人[12]仿照多次覆蓋地震反射技術，提出了共中心點互相關技術(CMPCC)。該方法利用共中心點互相關和同偏移距多炮集疊加技術，克服了低頻相速度精度與橫向分辨率的矛盾，對二維瞬態面波勘探具有非常重要的意義。本文采用的就是基于CMPCC的二維瞬態面波方法。

1.2 共中心點二維瞬態面波方法

1.2.1觀測系統設置

CMPCC二維瞬態面波方法的數據采集仿照多次覆蓋地震反射技術，進行連續滾動或固定排列數據采集，如圖1所示。

圖2 CMPCC二維瞬態面波排列布置圖(滾動式)

CMPCC二維瞬態面波數據處理有兩個重要思想：

(1)共中心點互相關思想

對每一炮記錄，每兩道的中點記為共中心點，兩道做互相關分析，然后把相關波形記錄以兩道間的相位差的形式保存下來。這樣的記錄將與炮點位置無關，也將去除道間差異，互相關波形的相位差記錄只與兩道之間的距離有關。

(2)疊加思想

把所有炮的相同共中心點、相同道間距的“共中心點互相關記錄”疊加在一起，形成一個“共中心點互相關記錄”。這樣的一道記錄，隨著炮點的增加，將極大地壓制隨機干擾，其各種頻率成分也將趨于穩定。

把相同共中心點、不同道間距的“共中心點互相關記錄”，按道間距的大小，從小到大排列起來，形成共中心點互相關道集。這樣就形成了以共中心點為測點的CMPCC記錄。

1.2.2采集參數選擇

二維瞬態面波采集參數如表1所示。

表1 二維瞬態面波采集參數表

2 隧道中二維瞬態面波實施面臨的問題

在隧道中進行巖溶探測不同于在具有覆蓋層的地表進行勘探。隧底一般為混凝土結構，同時震源敲擊點也在混凝土表面，因此如何固定檢波器，保證檢波器和地面的耦合，保證震源能激發出較低的頻率，是影響勘探效果的關鍵。

2.1 檢波器的固定

檢波器一般采用石膏黏貼、加配底座和鉆孔等固定方式。石膏凝固需要耗費較長的時間，對于生產來說效率低下。同時，當采用較重的震源敲擊時，貼在地上的檢波器容易彈起脫落，導致采集到的信號失真，檢波器耦合差。加配重物的方式會使檢波器接觸地面的面積增大，同時較重的配重影響生產效率。因此，本文推薦采用在混凝土上鉆孔，將檢波器尖端插入孔中固定的方式，鉆孔直徑一般6～10 mm。實驗結果表明，該方式在檢波器耦合和生產效率上都相對較好。

2.2 震源的改造

為了激發較低的頻率，在生產中采用30 kg尼龍棒敲擊橡膠墊的方式增加低頻信號能量，從而達到增加勘探深度的效果。

3 探測方案及效果驗證

3.1 測線布置

隧道隱伏巖溶探測一般在仰拱布置3條測線，左右線軌道中線和隧道中線各1條。

3.2 二維瞬態面波方法采集參數及觀測系統

二維瞬態面波方法采用儀器為NZ48型48道地震儀，采樣長度為1 s，采樣間隔為250 us，道間距為1 m，48道采集。按照半波長理論，勘探深度可以達到20 m。

現場檢波器沿測線布置，每隔1 m采用沖擊鉆鉆孔，鉆孔深度為5 cm，孔徑6～10 mm。鉆孔完畢后將檢波器固定在鉆孔上，固定排列方式是將48個檢波器同時連續固定在已完成的鉆孔上。滾動排列時，將前36個檢波器整體拔出，然后重新固定在第49～84個鉆孔位置上。

數據采集時，在排列的-0.5 m、0.5 m、1.5 m、2.5 m等位置進行敲擊，敲擊點間距為1 m，每敲擊1次采集1炮記錄。固定排列時，從-0.5～47.5 m共敲擊49炮。當排列滾動后，仍按照上述規律進行數據采集，從而實現整個測線的多次覆蓋。

檢波器應固定牢靠，不可晃動，以用手輕輕碰觸不晃動為標準。在數據采集時，首先要保證沒有震動的影響，基于CMPCC的二維瞬態面波方法雖具有較好的抗干擾能力，但現場的隨機強震動仍會對數據質量產生影響。其次要記錄好每個炮點和檢波器位置，記錄文件號和炮點對應關系，以便于準確確定異常點的位置。

3.3 二維瞬態面波方法數據處理流程

二維瞬態面波方法數據處理主要內容包括面波頻散曲線提取、分層反演剪切波速度和厚度。利用面波頻散曲線生成速度彩色剖面，并在此基礎上繪制探測成果剖面圖。二維瞬態面波方法數據處理流程如圖2所示。

圖2 二維瞬態面波方法數據處理流程圖

其中頻散曲線是通過數據采集所取得的多道記錄計算得到，頻散曲線的可信度可通過測定沿曲線顯示的信噪比進行估計。計算頻散曲線的反演是通過迭代的方法尋找最可能的解。保證探測結果可靠性的重要手段是對頻散曲線中相關變化點的真實性和重復性進行檢驗和確認。

3.4 物探地質解釋

(1)測區地球物理特征

一般情況下，隧底由鋼筋混凝土、隧底松動擾動帶、基巖、基巖內的溶洞溶孔等巖溶發育帶組成。按照物理性質，鋼筋混凝土的地震面波相速度一般為 1 000～2 000 m/s， 擾動帶變化范圍較大， 是明顯的低速帶。完整灰巖的地震面波相速度為 1 500～4 000 m/s之間，變化范圍較大。巖溶發育帶的形態復雜多變，但不變的規律是在基巖內部形成低速區，一般充填型溶洞面波速度小于800 m/s，空溶洞的面波速度更低。

(2)資料解釋

二維瞬態面波速度斷面如圖3所示，為面波反演結果。

圖3 二維瞬態面波速度斷面圖

從圖3可以看出，樁號里程118～125段深度6～15 m處、樁號里程145～155段深度6～17 m處和樁號里程165～178段深度4～19 m處地震面波相速度均低于800 m/s。以上范圍存在面波相速度低速區，推測為巖溶裂隙發育區,部分區域巖溶內部有充填。樁號里程77～110段位于泄水洞洞口外側小里程方向，同樣存在低速異常。根據現場調查，該段表層僅有30 cm素混凝土，混凝土下層為雜填土及棄渣，按1 m道間距觀測系統采集的數據不能分辨出表層30 cm的混凝土，因此該段整體表現為雜填土和棄渣的地震面波相速度。

3.5 鉆孔驗證

物探工作完成后，現場進行了鉆探驗證工作，在樁號里程176 m處布置鉆孔，鉆探結果如圖4所示。

圖4 標號里程176 m處鉆孔柱狀圖

從圖4可以看出，地表以下0.5～3.2 m為半充填溶洞，充填物為硬塑狀黏土；4.1～12.9 m 為全充填溶洞，充填物為硬塑狀黏土，鉆探結果基本與二維瞬態面波方法判斷結果吻合。

4 結論

(1)由于隧道內鋼筋混凝土結構的特殊性，將二維瞬態面波方法應用于隧底隱伏巖溶探測，必須解決檢波器的固定和激發低頻面波信號的特殊要求。本文采用在鉆孔中固定檢波器，同時采用尼龍棒敲擊橡膠墊的方式，可保證低頻信號具有較強的能量。不僅滿足了生產效率的要求，也解決了檢波器和地面耦合的問題，達到了提高面波信噪比的目的。

(2)基于共中心點道集的(CMPCC)多次覆蓋疊加二維瞬態面波數據采集與數據處理方法的應用，使二維瞬態面波方法具有較好的橫向分辨率，能分辨出不規則的具有橫向特征的地質體，對于解決探測隱伏巖溶這種不規則地質體問題具有一定的優勢。

(3)鉆孔驗證結果顯示，二維瞬態面波的探測結果和鉆探結論基本吻合，證明基于CMPCC的二維瞬態面波在隧道基底巖溶探測中具有一定的優勢，可作為一種隧底隱伏巖溶探測的新方法使用。