高密度地震映像法在城市地鐵隧道隱伏地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)中的應(yīng)用

潘廣山， 孟慶生， 胡慶輝， 畢征峰， 肖志廣

(1.山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院， 濰坊 261021；2. 中國(guó)海洋大學(xué) 山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266100)

高密度地震映像法在城市地鐵隧道隱伏地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)中的應(yīng)用

潘廣山1， 孟慶生2， 胡慶輝1， 畢征峰1， 肖志廣2

(1.山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院， 濰坊 261021；2. 中國(guó)海洋大學(xué) 山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266100)

在復(fù)雜地質(zhì)條件、復(fù)雜環(huán)境噪聲干擾情況下，城市地球物理探測(cè)法是一種實(shí)用的方法。這里以青島地鐵隧道某區(qū)間段地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)為例，在分析外界環(huán)境噪聲干擾的前提下，提出了探測(cè)方法選擇的依據(jù)，進(jìn)一步介紹了地震映像法應(yīng)用中的一些具體問(wèn)題。針對(duì)城市人類(lèi)活動(dòng)頻繁，采取夜間施工的方式消除了噪聲干擾。通過(guò)對(duì)場(chǎng)地地表?xiàng)l件的分析，改進(jìn)了激發(fā)和接收條件。借助實(shí)測(cè)工程場(chǎng)地的試驗(yàn)剖面，確定了最佳偏移距，實(shí)現(xiàn)了高信噪比地震資料的采集。通過(guò)對(duì)典型地質(zhì)體引起的異常特征分析，確定了資料解釋的依據(jù)，并對(duì)探測(cè)剖面進(jìn)行了詳細(xì)分析。探測(cè)結(jié)果表明，高密度地震映像法在城市地鐵隧道地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)中是有效、可行的。

地震映像； 城市地鐵隧道； 地質(zhì)災(zāi)害； 環(huán)境影響因素

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展與城市化水平的提高，開(kāi)發(fā)地下空間成為21世紀(jì)結(jié)構(gòu)工程的重要發(fā)展趨勢(shì)。作為一種重要的地下空間開(kāi)發(fā)利用形式，城市地鐵隧道已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，預(yù)計(jì)今后五年我國(guó)城市地鐵將增加500 km～600 km或更多。城市地鐵隧道工程是一項(xiàng)隱蔽工程，由于地下地質(zhì)情況變化多樣，經(jīng)常會(huì)遇到斷層、破碎帶等不良地質(zhì)體，而導(dǎo)致塌方、涌水和突水。與一般山區(qū)隧道、輸水隧道工程不同，這類(lèi)隧道工程多位于城市繁華地段，人口密集，高樓林立，地下管網(wǎng)等公用設(shè)施復(fù)雜多變。由于這些地質(zhì)災(zāi)害地發(fā)生，不僅會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞、人員傷亡，影響施工進(jìn)度，甚至?xí)?dǎo)致局部城市基礎(chǔ)設(shè)施的癱瘓，影響居民正常生活，造成更為嚴(yán)重地經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。因此，加強(qiáng)隧道施工前的地質(zhì)災(zāi)害勘查工作，準(zhǔn)確了解地質(zhì)災(zāi)害的類(lèi)型、分布范圍，空間規(guī)模對(duì)于隧道建設(shè)具有十分重要的意義。

對(duì)隧道地質(zhì)災(zāi)害的探測(cè)，一般先采用物探方法沿線(xiàn)路進(jìn)行帶狀調(diào)查，確定異常區(qū)后再用鉆探驗(yàn)證[1]。常用的物探方法包括：①高密度電阻率法；②探地雷達(dá)法；③地震映像法；④折射波法等[2-7]。然而，由于場(chǎng)地條件和復(fù)雜的空間環(huán)境，再加上城市地鐵隧道工程要求物探成果的精度極高，使得城市地鐵隧道隱伏地質(zhì)災(zāi)害探查存在不少方法和技術(shù)上的困難。這就要求在選擇物探方法時(shí)，要綜合考慮各種影響因素，選擇合適的方式才能滿(mǎn)足地鐵隧道工程勘查的要求。我們針對(duì)青島地鐵某區(qū)間復(fù)雜地下與地表環(huán)境，在分析各種影響因素的基礎(chǔ)上，對(duì)利用地震映像法開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)中的采集關(guān)鍵技術(shù)、異常特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了方法的有效性。

1 高密度地震映像法

城市地球物理探測(cè)(城市物探)是指將地球物理手段應(yīng)用于特定環(huán)境下的一類(lèi)探測(cè)技術(shù)[8]，具有探測(cè)深度小、精度要求高的特點(diǎn)。一般城市地鐵隧道位于地下十幾米至二、三十米的深度內(nèi)，要查明淺層深度范圍內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育狀況，對(duì)很多物探方法來(lái)說(shuō)都存在很大地挑戰(zhàn)。常用的幾種方法中，①高密度電阻率法可以保證足夠的探測(cè)深度和分辨率，但因無(wú)法布設(shè)電極而難于開(kāi)展工作；②探地雷達(dá)法的探測(cè)深度受限于發(fā)射天線(xiàn)的頻率，通常低頻天線(xiàn)穿透深度大，但目前低頻天線(xiàn)多為非屏蔽式天線(xiàn)，受外界干擾大，無(wú)法保證分辨率，同時(shí)高頻天線(xiàn)又不能保證足夠的探測(cè)深度；③多道反射地震方法需要布設(shè)較長(zhǎng)的排列，難以保證檢波器與地面的良好耦合，其施工周期長(zhǎng)、難度大，資料的信噪比也難以保證。綜合考慮各種因素，采用近年來(lái)廣泛應(yīng)用的高密度地震映像法，將會(huì)在很大程度上消除上述不利影響。

1.1 方法原理

地震映像法[9-10]是以地下介質(zhì)間的波阻抗差異為前提，利用人工激發(fā)的地震波，采用反射波法中的最佳偏移距技術(shù)，以相同的偏移距逐點(diǎn)移動(dòng)來(lái)觀測(cè)近震源處地震波信號(hào)的一種方法。該方法施工快捷方便、數(shù)據(jù)信噪比高、處理方法簡(jiǎn)單，且在資料處理過(guò)程中不需要進(jìn)行動(dòng)校正處理，能夠保留反射波的全部動(dòng)力學(xué)特征，地震記錄上反射波同相軸隨時(shí)間的變化(地下地質(zhì)體的反應(yīng))，極大地提高了成果解釋的準(zhǔn)確性。在地質(zhì)條件復(fù)雜、空間受限的區(qū)域得到了良好地應(yīng)用。

1.2 城市物探影響因素分析

城市物探在城市規(guī)劃、城市建設(shè)中解決了很多巖土、工程和地質(zhì)問(wèn)題。但在應(yīng)用各類(lèi)物探方法時(shí)，應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)城市特定環(huán)境對(duì)城市物探造成的各種影響因素。

城市地鐵隧道處于一種極其復(fù)雜的環(huán)境中，其最突出的特點(diǎn)是外界干擾源眾多，嚴(yán)重影響了各種物探方法的應(yīng)用效果。如車(chē)輛震動(dòng)、人為環(huán)境噪聲引起的地震反射波法數(shù)據(jù)中的附加噪聲；高壓電線(xiàn)、電纜和金屬障礙物產(chǎn)生的附加電磁場(chǎng)對(duì)探地雷達(dá)和電法測(cè)量數(shù)據(jù)的影響[11]。這些因素都會(huì)降低物探數(shù)據(jù)的質(zhì)量，影響判讀的準(zhǔn)確性。如何消除或減小這些影響因素的干擾，是目前提高探測(cè)效果所面臨的主要問(wèn)題。

1.3 數(shù)據(jù)采集技術(shù)及措施

在利用高密度地震映像開(kāi)展城市地鐵隧道地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)時(shí)，除了考慮干擾因素的影響，采集參數(shù)的設(shè)置至關(guān)重要，應(yīng)從以下幾個(gè)方面綜合確定。

1)激發(fā)條件。反射波地震映像勘探一般是針對(duì)工程場(chǎng)地進(jìn)行的，受場(chǎng)地位置以及現(xiàn)場(chǎng)施工狀況的限制[12]。地表?xiàng)l件的不同會(huì)導(dǎo)致激發(fā)效果的差異。一般來(lái)說(shuō)，地表為較低波阻抗介質(zhì)時(shí)激發(fā)效果較好，如土質(zhì)路面(需加墊板)、瀝青路面；而對(duì)于剛性較大的水泥混凝土路面，則會(huì)因地表波阻抗大于下層介質(zhì)，導(dǎo)致大部分能量被屏蔽。城市地鐵隧道探測(cè)場(chǎng)地多為瀝青路面，這時(shí)可采用重錘直接敲擊地面的方式獲得地震波。在遇到水泥路面或者淺表層有水泥構(gòu)筑物時(shí)，則需要改變激發(fā)方式。

2)接收條件。接收條件包括檢波器的選擇和地表耦合狀況。由于地層對(duì)高頻信號(hào)具有較強(qiáng)的吸收衰減作用，考慮到松散覆蓋層中面波的影響和分辨率因素，在選用檢波器時(shí)，應(yīng)選擇固有頻率高的檢波器(60 Hz～100Hz)為主，這類(lèi)檢波器可以有效消除低頻噪聲。此外，瀝青路面上直接布設(shè)檢波器難以保證良好的耦合效果，可以采用將檢波器安置在一定高度和體積的海綿墊內(nèi)，然后在海綿墊上部附加重物的方式，這樣既可保證良好的耦合效果，還可以消除外界聲波地干擾。

3)最佳偏移距。就目前的數(shù)據(jù)處理和解釋手段而言，地震映像法主要利用縱波反射信息。野外數(shù)據(jù)采集時(shí)，偏移距決定了地震波類(lèi)型和反射波能量的大小[13]。反射裝置中偏移距過(guò)小，反射波能量減小，面波干擾嚴(yán)重；偏移距過(guò)大，以縱波為主的反射能量就會(huì)向橫波轉(zhuǎn)化，增加資料的復(fù)雜程度。由于地質(zhì)條件復(fù)雜程度和地表覆蓋層厚度未知，不能生搬硬套理論公式，需要在工作場(chǎng)地通過(guò)試驗(yàn)剖面的方式來(lái)確定。利用試驗(yàn)剖面確定最佳偏移距的總體原則，是在保證反射波能量的同時(shí)，盡量避開(kāi)各種干擾噪聲，并確保直達(dá)波以及各層位的反射波能夠區(qū)分開(kāi)來(lái)。

2 應(yīng)用實(shí)例

以青島地鐵隧道勘探為例。

2.1 工程概況

青島地鐵隧道某區(qū)間段地處市區(qū)繁華路段。鉆孔資料揭示研究區(qū)內(nèi)結(jié)晶巖系為元古界膠南群，缺失古生界沉積，中生代燕山晚期侵入巖地層，新生代地層喜馬拉雅期侵入巖地層，新生代地層發(fā)育有第四系山前組、泰安組地層。研究區(qū)內(nèi)地層具有明顯的上軟下硬結(jié)構(gòu)，淺部覆蓋層含砂量大，富水性強(qiáng)。大地構(gòu)造位置為中朝準(zhǔn)地臺(tái)東部的膠遼臺(tái)隆，處于膠南隆起區(qū)的東部，青島——嶗山凸起之上。區(qū)域斷裂構(gòu)造以北東向張扭性斷裂為主，節(jié)理劈理發(fā)育，以NE、NEE、NW及NNW為主，構(gòu)造面平直，傾角較陡。此外，鉆孔資料還揭示巖體內(nèi)發(fā)育有煌斑巖脈。

2.2 采集參數(shù)

野外探測(cè)采用吉林大學(xué)工程技術(shù)研究所生產(chǎn)的SE2404EE型工程地震儀。為避免外界噪聲的干擾，采取夜間施工的方式，主要采集參數(shù)為：時(shí)窗長(zhǎng)度為204.8 ms；采樣點(diǎn)數(shù)為 2 048個(gè)；采樣間隔為0.1 ms；測(cè)量方式為點(diǎn)測(cè)；測(cè)點(diǎn)間距為0.3 m；震源類(lèi)型為18磅重錘。

在高密度地震映像法數(shù)據(jù)采集中，選擇合適的偏移距非常重要，因此在工作場(chǎng)地采集了不同偏移距的試驗(yàn)剖面(圖1)。

圖1 不同偏移距試驗(yàn)剖面Fig.1 Test profile of different shot-receiver distance

由圖1可知，當(dāng)偏移距為10 m時(shí)，反射波記錄中聲波、面波能量較強(qiáng)，完全掩蓋了深部地層的反射信號(hào)；偏移距為15 m時(shí)，聲波減弱，但仍然存在較強(qiáng)的面波干擾；偏移距為20 m時(shí)，聲波、面波干擾進(jìn)一步減弱，同時(shí)深部地層的反射波可以辨識(shí)，并且直達(dá)波與各層位的反射波能夠區(qū)分開(kāi)來(lái)；而在25 m、30 m、35 m偏移距時(shí)，雖然干擾波能量很弱，但此時(shí)有效波也很弱，說(shuō)明反射波能量衰減嚴(yán)重，資料信噪比大大降低。因此在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中采用20 m的偏移距。

2.3 探測(cè)成果

地震映像法資料解釋是根據(jù)獲得的地震剖面上反射波同相軸的變化規(guī)律，反射波的波形、振幅和相位等特征，并結(jié)合地質(zhì)資料推斷地下層位、地質(zhì)構(gòu)造的過(guò)程。要獲得準(zhǔn)確的探測(cè)結(jié)果，必須了解各種地質(zhì)災(zāi)害在剖面上的異常特征。

2.3.1 斷層、裂隙破碎帶

識(shí)別斷層破碎帶的主要特征包括：① 反射同相軸發(fā)生錯(cuò)斷，產(chǎn)狀突變，反射波零亂或出現(xiàn)空白帶，這是由于斷層錯(cuò)動(dòng)，引起兩側(cè)地層產(chǎn)狀突變，以及斷層的屏蔽作用，引起斷面下反射波射線(xiàn)畸變等造成的；② 斷層或巖性接觸帶存在時(shí)，在斷層的棱角點(diǎn)或巖性突變點(diǎn)產(chǎn)生繞射波，由于在地震映像波形圖上的反射波同相軸基本上為平滑的曲線(xiàn)，繞射波產(chǎn)生的雙曲線(xiàn)型同相軸，在波形記錄上非常明顯，尤其是淺部的局部地質(zhì)體。由圖2可見(jiàn)，斷層兩側(cè)反射波同相軸錯(cuò)段，其邊緣有繞射波存在。

圖2 斷裂帶地震映像時(shí)間剖面圖Fig.2 Fault zone in seismic imaging time profile

2.3.2 巖脈

青島花崗巖地區(qū)廣泛發(fā)育有煌斑巖脈，巖脈處于不同的風(fēng)化帶時(shí)，具有不同的物理性質(zhì)。發(fā)育在中風(fēng)化及微風(fēng)化帶內(nèi)的煌斑巖脈，一般其密度和縱波速度較高，但比相同區(qū)段內(nèi)的花崗巖要低。由于煌斑巖結(jié)構(gòu)整體性好，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅矫}體邊界時(shí)，會(huì)由于波阻抗的差異產(chǎn)生反射波，但在脈體內(nèi)反射波能量降低。圖3為某測(cè)線(xiàn)剖面中解譯、并經(jīng)鉆孔驗(yàn)證的巖脈，其異常現(xiàn)象與上面描述的特征完全吻合。此外，呈條帶狀的巖脈有時(shí)會(huì)表現(xiàn)為斷層相同的現(xiàn)象，容易判別為斷層破碎帶。

圖3 煌斑巖脈地震映像時(shí)間剖面圖Fig.3 Lamprophyre vein in seismic imaging time profile

2.3.3 人工構(gòu)筑物

城市地鐵隧道上方經(jīng)常穿越有人防通道、大型管涵等構(gòu)筑物，此時(shí)地震記錄上具有非常明顯的特征，即圖像中存在因空洞邊緣影響而改變傳播路徑的面波和繞射波。由圖4可看到明顯的空洞異常，此空洞為橫跨道路的人行通道，由于通道頂、底板為鋼混結(jié)構(gòu)，反射波遇到頂、底板后被強(qiáng)烈反射回地面，對(duì)反射波傳播具有屏蔽作用，因而人行通道以下僅看到微弱的地層反射波，但在通道以上則可以看到振幅很強(qiáng)的反射回波。

圖4 人工構(gòu)筑物地震映像時(shí)間剖面圖Fig.4 Artificial structures in seismic imaging time profile

為增加資料解釋的準(zhǔn)確性，野外工作中沿兩條隧道正線(xiàn)上方布設(shè)了兩條相互平行的測(cè)線(xiàn)。圖5為其中一條測(cè)線(xiàn)獲得的高密度地震映像剖面圖像。由圖5可見(jiàn)，剖面中50 ms ～ 100 ms處為一組平滑的連續(xù)波組界面，界面處反射波能量強(qiáng)，反映出界面上、下地層具有明顯的波阻抗差異，為上覆第四系沉積地層與下伏基巖之間的分界面。此外，該反射界面以下還可看到其他兩組連續(xù)性好的反射波組，分別對(duì)應(yīng)強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化及微風(fēng)化巖體之間的分界面，但在部分區(qū)段(550道～750道)內(nèi)強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化地層分界面缺失。依據(jù)本次探測(cè)的工作目的和資料解釋依據(jù)，對(duì)地震映像剖面進(jìn)行了詳細(xì)地解釋?zhuān)餐茢喑?/p>

圖5 地震映像時(shí)間剖面Fig.5 Time profile of seismic imaging method(a) 0.0 m～385 m區(qū)段; (b) 386.0 m～770 m區(qū)段;(c) 771.0 m～1 155 m區(qū)段

斷層破碎帶9處，煌斑巖脈4處，人工構(gòu)筑物2處，其中M1、M3、M4、F1、F2、F3、F5和F8為初勘階段發(fā)現(xiàn)的異常，M2、F4、F6和F7為本次探測(cè)發(fā)現(xiàn)的異常，后經(jīng)鉆探資料驗(yàn)證了異常體地存在。

3 結(jié)論與建議

城市內(nèi)復(fù)雜的地質(zhì)條件和空間環(huán)境影響因素是地鐵隧道地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查最大的障礙，我們根據(jù)具體的實(shí)例，討論了高密度地震映像法應(yīng)用于該領(lǐng)域的一些問(wèn)題，并取得了良好的探測(cè)成果。通過(guò)本次應(yīng)用，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論和建議。

1)提高地震資料的信噪比，盡量避免環(huán)境噪聲的干擾是選擇勘探方法和施工方式的基礎(chǔ)。對(duì)地震映像法來(lái)說(shuō)，最主要的環(huán)境影響是來(lái)自于外界的噪聲干擾，應(yīng)選擇人類(lèi)活動(dòng)少的夜間施工方式。

2)高質(zhì)量的地震映像數(shù)據(jù)是獲得準(zhǔn)確解釋成果的基礎(chǔ)。采集數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)保證良好的激發(fā)、接收條件，可采取一些特殊的措施保證震源激發(fā)的能量和頻率，以及檢波器與地面的良好耦合。

3)在以探測(cè)淺層目標(biāo)體為特點(diǎn)的地震映像法中，數(shù)據(jù)采集過(guò)程中應(yīng)設(shè)置合理的采集參數(shù)，既要避開(kāi)面波、折射波、聲波等噪聲源的干擾，還要保證直達(dá)波、有效波之間清晰、可分辨。

4)對(duì)同一工區(qū)的探測(cè)資料進(jìn)行解釋時(shí)，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)不同地質(zhì)體引起的異常特征，避免發(fā)生誤判和漏判。

5)地震映像法地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)屬于一種間接的手段，存在解釋的非唯一性問(wèn)題，為了獲得更加可靠的探測(cè)結(jié)論，在開(kāi)展復(fù)雜環(huán)境下地鐵隧道地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)時(shí)，需盡可能地采用多種物探手段，并在條件允許的情況下開(kāi)展有針對(duì)性的鉆孔輔助驗(yàn)證。

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Application of high density seismic imaging method to the detection of concealed geological disasters in city subway tunnel

PAN Guangshan1， MENG Qingsheng2， HU Qinghui1， BI Zhengfeng1， XIAO Zhiguang2

(1. Shandong 4th Institute of Geology and Mineral Resources Exploration, Weifang 261021, China;2. Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environment and Geological Engineering (Ocean University of China), Qingdao 266100, China)

In the complex geological conditions, and the complex noise environment, it is a simple and practical method by the engineering prospecting and testing in city. We presented an example of geological disasters prospecting in Qingdao subway tunnel in this paper. Based on the analysis of the external environment noise, we provided the basis of selecting geophysical method, and introduced some problems in the application of seismic imaging prospecting further. Due to the frequent human activities, the data collection of seismic imaging method should be implemented at night to eliminate noise interference. The excitation and receiving conditions has been improved by the analysis of the ground surface conditions. Using the test profile in field, the best offset was determined, and improved the signal-to-noise ratio of seismic data. Combination of the analysis of typical anomalous for different geological bodies, we determined the basis of data interpretation, and gave the results of the detection. The results show that it is effective and feasible to detect the geological disasters in city subway tunnel by the high density seismic imaging detection method.

seismic imaging; city subway tunnel; geological disasters; environmental influence factors

2016-02-29 改回日期：2016-03-30

國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目(41427803)

潘廣山(1982-)，男，工程師，主要從事環(huán)境與工程地球物理探測(cè)方面的研究工作，E-mail：sdmengqs@163.com。

孟慶生(1972-)，男，副教授，主要從事環(huán)境與工程地球物理方面的教學(xué)和科研工作，E-mail:8511707@qq.com。

1001-1749(2017)01-0116-06

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.01.17