散射波成像技術(shù)在地鐵空洞探測中的應(yīng)用

李純陽，周官群，章 俊

(1. 安徽惠洲地質(zhì)安全研究院股份有限公司研發(fā)部，安徽 合肥 231202； 2. 中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008)

截至2015 年末，中國大陸地區(qū)共26座城市開通運營城軌交通，共計116 條線路，其中地下線占總運營里程的57.8%[1]。與此同時，中國城市地鐵施工誘發(fā)的城市路面塌陷事故層出不窮，以地層空洞、溶洞等不良地質(zhì)體為誘因的占69%[2]。地層空洞在地鐵隧道施工影響下會顯著擴(kuò)展進(jìn)而喪失穩(wěn)定性，引起地層變形突增，大大增加地鐵隧道施工及路面塌陷風(fēng)險[3]。城市工程地球物理探測屬于超淺層范疇，其具備探測深度小、外界環(huán)境影響因素多、探測精度要求高及施工場地與時間受限等特點[4]。電法勘探體積效應(yīng)大，難以對小尺度復(fù)雜地質(zhì)體形態(tài)位置做出精確解釋；地質(zhì)雷達(dá)探測分辨率隨深度增加而急劇下降，且易受城市電磁場及地下水位影響，難以達(dá)到常規(guī)地鐵隧道深度上的小構(gòu)造的探查要求；地震彈性波波場信息豐富，分辨率較高，具備城市地下構(gòu)造精細(xì)探查的潛在能力，但傳統(tǒng)淺層地震方法易受施工場地影響。因此亟需一種能適應(yīng)城市施工環(huán)境的地震方法來提高城市地鐵施工中地下空洞的查明程度，以保障城市地鐵施工的安全與高效性。

等效偏移距偏移方法(Equivalent offset migration，EOM)是一種具有更高效率的散射波成像方法，此方法重點在于CSP(Common Scatter Point)道集的合成，通過推導(dǎo)不同勘探方式(二維地震勘探和VSP)與不同波(縱橫波、轉(zhuǎn)換波和全波場)的CSP道集映射方法，使得原始地震資料獲得更高的覆蓋次數(shù)[5-8]。目前等效偏移距散射波成像方法多用于金屬礦山勘探中，金屬礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，礦體的幾何尺度一般較小，且形狀極不規(guī)則，利用散射波成像可充分利用散射波的各類信息，提高金屬礦體的成像質(zhì)量[9-10]。等效偏移距散射波成像方法保留弱散射信號，在較少的炮檢對的基礎(chǔ)上便可獲得高覆蓋次數(shù)的地震記錄，適合地質(zhì)條件復(fù)雜下不規(guī)則小構(gòu)造的精細(xì)探測，能適應(yīng)城市施工場地受限的要求，具備對城市地鐵施工中空洞、溶洞等不良地質(zhì)體精細(xì)探查的潛在能力。

本文擬將散射波成像方法應(yīng)用于城市工程物探中，改變傳統(tǒng)淺層地震法受限于城市施工場地的現(xiàn)狀，嘗試解決當(dāng)前城市地鐵施工頻發(fā)的空洞、溶洞等不良地質(zhì)體成像精度不足的難題。本文設(shè)計一套適用于城市施工空間的散射波地震快速觀測系統(tǒng)與設(shè)備，結(jié)合EOM成像方法將散射波成像方法應(yīng)用于城市地鐵施工中的空洞探查工作中。

1 散射波的定義

散射波的定義廣泛，根據(jù)惠更斯-菲涅爾原理，任何由地質(zhì)三維空間的非均勻性造成的地震波的變化均可以被稱作地震散射波。同時認(rèn)為，點是構(gòu)成任何物體的基本單元，點組成面，面組成體，所以任何物質(zhì)都可以看作是無數(shù)個點組成，當(dāng)有入射波進(jìn)入地下介質(zhì)后，在地下介質(zhì)的點上形成擾動，此時可以將此擾動點看作一個向四周發(fā)射波新震源(即散射點)，而原始震源也可以看作為一個散射點向四周發(fā)散波。這樣看來，散射波的范圍就涵蓋了所有不同類型的地震波，它在幾何角度上包含了直達(dá)波、反射波、折射波、繞射波、回轉(zhuǎn)波、斷面波等(見圖1)。

(a)反射 (b)散射圖1 反射與散射波形成機(jī)制圖

2 EOM散射波偏移方法

EOM基于散射理論和散射波的波場特征，把地下介質(zhì)看做是由散射點組成，將地震道按產(chǎn)生的散射點，在給定的偏移距范圍內(nèi)映射出共散射點道集，并利用共散射點道集進(jìn)行偏移成像。共散射點道集不受觀測系統(tǒng)的限制，可通過設(shè)置抽取參數(shù)獲得更高覆蓋次數(shù)的地震記錄，其映射工作為EOM散射波成像的關(guān)鍵。

2.1 等效偏移距與共散射點道集的映射

等效偏移距(EO)的概念最早于1994年提出，此概念建立在地面反射波勘探的基礎(chǔ)上，根據(jù)散射波理論，散射波以散射點為傳遞介質(zhì)傳播于震源點與接收點之間的時間方程式為雙平方根(DSR)方程，而加入EO概念的作用就在于轉(zhuǎn)換雙平方根方程成單平方根(SSR)方程(見圖2～3)。

如圖2所示，在各向同性的地下介質(zhì)中任一散射點，散射點產(chǎn)生的散射波走時可以認(rèn)為該原始震源S到散射點時間ts和散射點SP到接收點時間tr之和，假設(shè)速度v為已知定值常量，則散射波總旅行時方程為

(1)

式中：h為震源點S到中心點M的距離(即半偏移距)，x為中心點M到散射點SP之間的距離，t0為零偏移距的雙程旅行時。

M為共中心點在地面的投影，SP為散射點地面投影。h為震源點S到中心點M的距離(即半偏移距)，x為M到SP之間的距離，t0為零偏移距的雙程旅行時。圖2 點散射波傳播路徑圖

SP為散射點在地面投影，R為接收點，E為等效的自激自收點，M為共中心點，S為震源點，he為等效偏移距，te為E點到散射點旅行時，ts為震源點圖3 等效偏移距概念示意圖

如圖3所示，于地面取一自激自收的點E，假定地震波從震源點經(jīng)過散射點回到接收點的時間等同于自激自收點E到散射點的地震波雙程旅行時，即2te=ts+tr，實際情況下速度是變化的，vmig為t0處的均方根速度，則定義he為等效偏移距EO(散射點地面投影到E點的距離)，此時

(2)

由方程(1)、(2)可得

(3)

依次化簡

(4)

整理得

(5)

公式(5)即為等效偏移距的計算公式，可以看出he和采樣時間t的關(guān)系為：he∝t。由其可知等效偏移距he是一條以變量x、h為函數(shù)的雙曲線。這樣散射波的雙平方根(DSR)方程就被轉(zhuǎn)換成了單平方根(SSR)方程，并且沒有發(fā)生數(shù)據(jù)時移[11]。根據(jù)此方法可將所有地震數(shù)據(jù)映射到CSP道集，此時CSP道集相當(dāng)于零偏移距自激自收剖面。

2.2 等效偏移距偏移(EOM)成像法

由CSP道集抽取方法可知，CSP道集中散射波的時距曲線為以道集中心為頂點的雙曲線，此時CSP道集可等價為CMP道集，基于CSP道集可以進(jìn)行速度譜分析，獲取速度信息。EOM成像法便是在CSP道集中心沿散射波雙曲線進(jìn)行Kirchhoff積分求和，以完成道集的偏移成像，最終形成EOM剖面。

3 觀測系統(tǒng)設(shè)計

地鐵施工通常在城市路面的地下空間，城市環(huán)境施工空間與時間有限，為保證快速高效地獲得高覆蓋次數(shù)高保真地震散射波記錄，根據(jù)EOM成像方法，設(shè)計如圖4(a)所示觀測系統(tǒng)，16個檢波器全排列接收，道間距為1m，步距1m，排列內(nèi)激發(fā)三炮，分別位于4#和5#檢波器、8#和9#檢波器以及12#和13#檢波器中間位置。選取可穩(wěn)定站立于地面的檢波器，各檢波器之間利用PVC桿進(jìn)行連接，形成可快速移動的觀測裝置，具體見圖4(b)，為保證檢波器耦合效果與屏蔽聲波干擾，于檢波器上方分別放置一個重約3kg的沙袋。為獲取寬頻原始地震記錄，選取的檢波器響應(yīng)頻段為14～2 500Hz。

(a)示意圖 (b) 實物圖圖4 觀測系統(tǒng)圖

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

某城市軌道交通1號線經(jīng)過城市核心區(qū)域，區(qū)域內(nèi)包括重要建筑物、道路以及河流等。根據(jù)鉆探所揭示的地層情況，覆蓋層均為第四系全新統(tǒng)人工堆積物、第四系全新統(tǒng)沖積層、第四系晚更新沖積層，場地內(nèi)均勻分布，厚度隨地表起伏有所不同；下伏基巖地質(zhì)年代不一，主要為石炭系砂巖、頁巖和奧陶系石灰?guī)r等，基巖層標(biāo)高14.86～20.37m?；鶐r局部位置存在溶洞，溶洞內(nèi)土質(zhì)不均勻，局部夾碎石。地鐵隧道掘進(jìn)過程中，頂板至地表范圍內(nèi)的粉砂質(zhì)體空洞等地質(zhì)異常會造成路面沉降，威脅城市交通及安全，基巖內(nèi)溶洞可能會對隧道施工安全造成影響。為解決不良地質(zhì)體的威脅，于相應(yīng)線路開展散射波空洞探測以查明待探測區(qū)間內(nèi)地下空洞情況。

4.2 探測成果

采用可移動觀測系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場探測，獲取原始散射波地震記錄，進(jìn)行CSP道集的抽取及克希霍夫偏移成像，探測區(qū)域EOM時間剖面如圖5所示，圖中基巖面信號明顯且較連續(xù)，深度位于20～25ms范圍，由此進(jìn)行土層空洞與基巖溶洞的解釋?；鶐r面以上土層存在一信號異常處位于測線102～108m處，此處信號頻率降低，同相軸混亂，現(xiàn)場實際揭露此位置地下5m深處存在一直徑約為3m的土層空洞，上層空洞造成信號無法向下傳播，此處基巖面成像效果較差；基巖內(nèi)部存在三處信號異常，分別位于測線15～20m處、34～40m處和90～96m處，圖5為探測區(qū)間鉆探地質(zhì)剖面圖，由圖中可知，測線35m處的鉆探成果顯示此處基巖面以下存在多處溶洞，其余異常位置仍需進(jìn)一步驗證查明。由此可以看出，EOM散射地震在此次空洞探測中效果顯著。

圖5 EOM時間剖面圖

5 結(jié)論

城市工程地震勘探施工條件受城市環(huán)境與空間制約，在有限空間與時間內(nèi)，獲取高覆蓋次數(shù)的信號將有助于提高成像質(zhì)量，散射波成像技術(shù)從惠更斯-菲涅爾原理出發(fā)，可改變CSP道集映射的參數(shù)以獲得高覆蓋次數(shù)的信號；散射成像技術(shù)具備成像分辨率高、偏移歸位準(zhǔn)確的優(yōu)勢，更適用于環(huán)境影響大、信噪比低、探測目標(biāo)體不均勻、精度要求高的城市工程地震勘探；目前，在城市工程地震勘探領(lǐng)域，尤其是當(dāng)前地鐵工程快速發(fā)展的時期，散射波成像方法的研究與應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，進(jìn)一步研究符合城市環(huán)境的觀測系統(tǒng)設(shè)計與施工技術(shù)、針對不同目標(biāo)體的散射識別技術(shù)將有助于解決實際城市工程物探疑難問題。