地震散射波法在巖溶區(qū)軌道工程中的應(yīng)用

謝延江，孫乾征，冉 彬

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,貴陽 550025; 2.貴陽市建筑勘察設(shè)計有限公司,貴陽 550081)

0 引 言

隨著地震勘探方法的不斷發(fā)展，反射波法等勘探技術(shù)手段在工程中得到廣泛應(yīng)用[1]。但傳統(tǒng)的反射波勘探技術(shù)不能解決工程中遇到的所有工程地質(zhì)問題，尤其當?shù)叵碌臉?gòu)造異常復(fù)雜且存在著孔、洞、縫等小尺度的非均勻構(gòu)造時，常規(guī)的反射波理論及均勻?qū)訝罱橘|(zhì)模型受到了限制。眾所周知，地球淺表介質(zhì)的非均勻性遠大于深部，因而工程勘察中地震波的散射效應(yīng)會更加明顯[2]。因此，針對非均勻介質(zhì)的散射波勘探技術(shù)更具有普適性[3]。地震散射技術(shù)是近年發(fā)展起來新的觀測與資料處理方法，其以波動傳播的逆散射成像技術(shù)為基礎(chǔ)，當?shù)卣鸩ㄈ肷涞讲ㄗ杩棺兓漠惓ｓw時，異常體作為新的被動震源向周圍介質(zhì)散射能量。根據(jù)觀測到的散射波的運動學(xué)與動力學(xué)記錄確定異常體的位置、形狀與力學(xué)性狀[4]。

巖溶區(qū)地下工程的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜且隱蔽性強，尤其在城市地下由于存在復(fù)雜的市政設(shè)施，如樁基、深埋管道等不均勻體，一定程度上阻礙了地下空間的開發(fā)利用，因此須進行事先探測，以避免不必要的損失[5]。針對巖溶區(qū)地下工程地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜且隱蔽性強的問題，中國科學(xué)院與地球物理研究所通過研究地震散射理論，創(chuàng)建了地震散射技術(shù)。近年來，地震散射理論是探測隱蔽介質(zhì)三維均勻性的有力工具，目前地震散射技術(shù)已在巖溶區(qū)地下工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 地震散射波法探測原理

根據(jù)惠更斯-菲涅爾原理,任意時刻波前面的每一點都可以看作是一個新的點源,由它產(chǎn)生二次擾動,形成元波前,而以后新波前的位置是各元波前的包絡(luò),由波前面各點所形成的新擾動,在觀測點上相互干涉疊加,其疊加結(jié)果是在該點觀測到的總擾動,所以在地面接收不到反射波的情況下,仍有波的能量傳回地面,這種波動是由入射波與地下非均勻介質(zhì)相互作用而產(chǎn)生的散射波,它含有地下介質(zhì)的不均勻性信息。

當?shù)卣鸩ㄈ肷涞骄鶆驈椥泽w內(nèi)時，波不改變傳播方向也不會激發(fā)任何波，但是當波入射到非均勻介質(zhì)時，就會在介質(zhì)中激發(fā)出散射波，此時介質(zhì)中不但有入射波傳播，還有散射波傳播。當?shù)刭|(zhì)界面尺度遠大于地震波的波長時，地震波傳播就遵從層狀介質(zhì)中的反射理論[6]。而根據(jù)散射理論，在非均勻介質(zhì)中，當?shù)刭|(zhì)體的尺度與地震波的波長能夠相比擬時，地震波遇到非均勻介質(zhì)產(chǎn)生的就是散射，而不是層狀結(jié)構(gòu)均勻介質(zhì)情況下的反射，而且尺度和組成不同的非均勻性引起的地震波散射形式也有不同。因此，可以根據(jù)散射現(xiàn)象對非均勻體的分布和性質(zhì)進行推斷[7]。地震散射波勘探方法的特點是地震波能量強，傳播遠，對巖溶等不良地質(zhì)現(xiàn)象反應(yīng)靈敏，能較好地判斷巖溶位置及規(guī)模。散射波法原理見圖1(地震散射波原理示意圖)。

圖1 地震散射波原理示意圖

地震散射勘探提供兩個結(jié)果：一個是反映巖土力學(xué)性狀的波速圖像，另一個是反映地質(zhì)界面的偏移圖像。地質(zhì)解釋就是根據(jù)速度圖像和偏移圖像來進行分析和推斷，其中以波速圖像為主，偏移圖像為輔。波速的高低，可以作為地層巖性、構(gòu)造、風(fēng)化層劃分的依據(jù)?；鶐r層波速高；風(fēng)化層、松散層、斷裂帶波速低；孤石、注漿體等具有高波速特征；采空區(qū)、巖溶、空洞、疏松區(qū)、滑動面、暗浜等地質(zhì)對象具有低波速特征；根據(jù)偏移中地震波的走時信息確定散射體的位置[8]，而偏移圖像則反映了散射界面的位置、強弱、連續(xù)性等特征，根據(jù)這些特征可對地層的巖性、厚度、成因等做出推斷。連續(xù)界面形態(tài)反映穩(wěn)定的生成環(huán)境，巖性多為沉積類型；斷續(xù)狀界面或為回填土、或為不均勻風(fēng)化的基巖界面；散射強，說明波阻抗反差大，散射弱說明層面不發(fā)育。

2 貴陽市軌道交通2號線工程中的應(yīng)用

2.1 地質(zhì)概況

本次探查工作范圍為誠信路站至觀山西路站區(qū)間，沿誠信南路敷設(shè)，設(shè)計起點里程為DK13+383，終點里程為DK14+176，區(qū)間長度793 m，線路區(qū)間內(nèi)全部為暗挖區(qū)間礦山法隧道，結(jié)構(gòu)為雙洞單線，洞高7.1 m，隧道底板高程為1 267.8～1 271.0 m，拱頂埋深6.5～10.0 m。

由2011年至今，在貴陽市軌道1號線的主體施工過程中，特別是在工程地質(zhì)與水文地質(zhì)特別復(fù)雜的中心城區(qū)(從區(qū)域地質(zhì)的角度來講，中心城區(qū)位于貴陽向斜構(gòu)造的核部)，由于各種施工過程中邊界條件的變化，誘發(fā)了幾次不同程度的路面塌陷問題。

在進行問題研究分析和相關(guān)工程技術(shù)總結(jié)的基礎(chǔ)上，同時也充分地調(diào)閱了國內(nèi)其他省市相關(guān)軌道交通工程的案例資料，得出結(jié)論:地表與路面的塌陷，最直接原因就是下伏腔體的存在、形成以及既有邊界平衡的打破。腔體在地質(zhì)環(huán)境中往往以天然溶洞、溶蝕裂隙與天然土洞的形式存在，而在中心城區(qū)則多以雨污管的滲漏、淘蝕繼而形成的土洞最為普遍。路面的塌陷往往最終以土洞的塌陷為極端表現(xiàn)形式，而土洞的形成之必要條件是地下水的變化以及搬運淘蝕，極端天氣和工程行為則是誘發(fā)水文環(huán)境改變的直接因素。

2.2 地球物理特征

1)由于該段巖性為可溶性巖，在構(gòu)造充分作用下，使得隱伏性巖溶發(fā)育規(guī)模較大，屬于巖溶強發(fā)育區(qū)段，巖溶管道發(fā)育，區(qū)間范圍內(nèi)溶洞集中發(fā)育在2～7 m范圍內(nèi)，多位于隧道拱頂上方。

2)淺層地下水依托地形沿淺層排泄通道徑流，擬建線路范圍內(nèi)總體地勢南高北低，淺層地下水依托地形徑流，深部巖溶水豐富，間接接受大氣降水、河水補給為主，地下水沿巖溶裂隙、巖溶管道、構(gòu)造破碎帶、裂隙、層面徑流，帶走土體中的細顆粒，再加上工程擾動等因素極易發(fā)生隧道拱頂?shù)魤K、路面塌陷以及掌子面突泥涌水等現(xiàn)象。

由于研究區(qū)位于巖溶強發(fā)育地區(qū)，存在各種隱伏巖溶和非均勻介質(zhì)，為地震散射波勘探技術(shù)的運用提供了前提。

2.3 場區(qū)巖溶發(fā)育特征

2.3.1 地表巖溶

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)測繪及地質(zhì)調(diào)查，場區(qū)地表未見落水洞。地表巖溶主要為溶溝、溶槽及溶蝕裂隙、溶洞等。地表出露的溶洞，位于南湖路站附近的西普陀后方山體，該溶洞呈長條形，高約12 m，最大寬度2～3 m，向山體內(nèi)延伸5～8.0 m，溶洞為空洞，無充填。地表巖溶洼地位于南湖路站附近，目前大部分已經(jīng)回填。

2.3.2 地下巖溶特征

區(qū)間范圍內(nèi)的巖性為灰?guī)r，地下巖溶形體主要為溶洞、溶蝕裂隙、溶孔等。根據(jù)鉆探結(jié)果顯示，本區(qū)間初詳勘及工可研階段個鉆孔42個，其中有13個鉆孔揭露溶洞，鉆孔洞隙率約為30.95%，約30%充填軟塑狀紅黏土；70%無充填。溶洞發(fā)育高度0.8～7.5 m，溶洞發(fā)育高程為1 252.4～1 281.4 m。具體溶洞發(fā)育位置、規(guī)模及性狀詳見表1。

2.3.3 巖溶發(fā)育程度分級

根據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50307-2012)，場區(qū)內(nèi)存在較大規(guī)模的溶洞及溶蝕洼地，因此工程區(qū)巖溶強烈發(fā)育。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，地表有串珠狀溶洞及溶蝕洼地分布，根據(jù)鉆探結(jié)果顯示，本區(qū)間初詳勘及工可研階段42個鉆孔，其中有13個鉆孔揭露溶洞，鉆孔遇洞率為30.95%。此外，場區(qū)內(nèi)基巖面起伏較大，一般相鄰兩個鉆孔間基巖面高差為2～8 m，局部相鄰兩個鉆孔間的基巖面相對高差可達15～16 m，經(jīng)走訪調(diào)查，區(qū)間線路起點在小型的地下巖溶管道。根據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50307-2012)，工程區(qū)巖溶強等發(fā)育。

表1 鉆孔揭露巖溶發(fā)育情況統(tǒng)計表

2.4 野外施工

各區(qū)各工點探測平面范圍原則上依據(jù)工點特征進行劃分，順軌道交通2號線施工軸線方向：地下區(qū)間探測平面范圍為兩側(cè)隧道開挖邊線延伸2至3倍洞徑，探測深度為現(xiàn)狀地面至軌面標高。

根據(jù)擬建工點工程特征、管控對象的巖土工程特性、工程環(huán)境條件進行具有針對性的布置，以最小的工作量，達到最佳管控預(yù)警效果。本次探測共布置3條地震散射波測線，測線布置見圖2(地震散射波法測線布置平面圖)，工作量統(tǒng)計見表2。

圖2 地震法測線布置平面圖

探測方法測線號里程范圍測線長度/m合計/mL1K13+950～K14+160210地震散射波法L2K13+914.5～K14+020.5106418L3K14+065～K14+167102

2.5 數(shù)據(jù)處理

資料的整理工作為野外班報整理歸檔、原始記錄備份保存。整理工作在當天野外測試結(jié)束后進行。

資料的處理流程如下：坐標記錄→信號預(yù)處理→波場分離→速度掃描→偏移成像→顯示類控件→成果圖輸出。

2.6 剖面解釋

2.6.1 L1測線

L1測線里程范圍為ZDK13+950～ZDK14+160，測線總長210 m，探測深度20 m，從ZDK14+050 m處分為兩段，重建的地下結(jié)構(gòu)圖像分別見圖3 L1測線一段(ZDK13+950-ZDK13+050)成果剖面圖和圖4 L1測線二段(ZDK13+050～ZDK14+160)成果剖面圖，各區(qū)域成像異常分析分別如下。

由圖3分析可知，①、③、④、⑤、⑥段地表以下8～18 m存在異常，推斷該區(qū)域隧道拱頂存在溶蝕破碎帶，導(dǎo)致拱頂巖石頂板較薄，且局部巖石頂板被溶槽貫穿；②、⑦段地表以下8～18 m存在異常，推斷該區(qū)域隧道拱頂存在溶蝕破碎帶及溶洞。

圖3 L1測線一段(ZDK13+950～ZDK13+050)成果剖面圖

圖4 L1測線二段(ZDK13+050～ZDK14+160)成果剖面圖

由圖4可知，①、⑤、⑥段地表以下9～18 m，②段地表以下8～16 m，③段地表以下12～18 m，④段地表以下9～16 m存在異常，推斷該區(qū)域隧道拱頂存在溶蝕破碎帶，導(dǎo)致拱頂巖石頂板較薄，且局部巖石頂板被溶槽貫穿。

2.6.2 L2測線

L2測線里程范圍為YDK13+914.5～YDK14+020.5，測線總長106 m，探測深度20 m，成像見圖5(L2測線成果剖面圖)。

各區(qū)域成像異常分析分別如下：①、②、③、⑤段地表以下9～18 m存在異常，推斷該區(qū)域隧道拱頂存在溶蝕破碎帶，導(dǎo)致拱頂巖石頂板較薄，且局部巖石頂板被溶槽貫穿，隧道頂板自穩(wěn)能力較差；④段地表以下8～15 m存在異常，推斷該區(qū)域存在溶洞，隧道頂板自穩(wěn)能力較差。

2.6.3 L3測線

L3測線里程范圍為YDK14+065～YDK14+167，測線總長102 m，探測深度20 m，成像見圖6(L3測線成果剖面圖)。

各區(qū)域成像異常分析分別如下：①、②、③、④、⑤段地表以下8～16 m，⑥、⑦段地表以下9～18 m存在異常，推斷為隧道拱頂存在溶蝕破碎帶，導(dǎo)致拱頂巖石頂板較薄，且局部巖石頂板被溶槽貫穿，隧道頂板自穩(wěn)能力較差。

3 結(jié) 論

1) 地震散射波法在巖溶區(qū)淺部路基局部填土不密實、含水量較高等情況下異常明顯。

2) 地震散射波法在巖溶區(qū)深部溶溝溶槽、破碎帶、溶洞等情況下異常明顯。