二維瞬態(tài)面波在隧底隱伏巖溶探測中的應(yīng)用

王先龍

(云桂鐵路廣西有限責(zé)任公司， 南寧 530022)

隨著高速鐵路建設(shè)速度的加快和區(qū)域的擴(kuò)張，高速鐵路建設(shè)遇到的地質(zhì)問題越來越復(fù)雜。在我國南方石灰?guī)r地區(qū)，巖溶發(fā)育，巖溶形態(tài)復(fù)雜多樣，大小千差萬別，分布規(guī)律性差，若不能有效處理，將為高速鐵路運(yùn)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(jīng)判識的溶洞、溶腔、暗河等，可采取工程措施進(jìn)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(zhì)雷達(dá)方法、高密度地震映像方法等。本文結(jié)合工程實(shí)例，介紹一種新的探測方法，即基于共中心點(diǎn)道集的二維瞬態(tài)面波方法。

1 地面二維瞬態(tài)面波方法

1.1 二維瞬態(tài)面波簡介

早在1887年，英國數(shù)學(xué)物理學(xué)家瑞雷在求解自由表面半空間中的平面彈性波場時(shí)，就預(yù)言了一種振幅沿縱向指數(shù)衰減的面波的存在.這種面波的速度小于同一介質(zhì)中的縱波和橫波的速度，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡為一逆向橢圓。這一結(jié)論在天然地震記錄中得到了證實(shí)，人們稱其為瑞雷波或瑞雷面波[1]。之后,許多學(xué)者對瑞雷波在各種介質(zhì)中的傳播理論進(jìn)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(fā)展，他的總結(jié)在主動源面波發(fā)展方面具有巨大影響[3]；Kansas Geological Survey 發(fā)展了Tokimatsu在主動源面波方面的發(fā)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(wěn)定性和準(zhǔn)確率。同時(shí)該機(jī)構(gòu)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(xiàn)激發(fā)了很多學(xué)者對面波勘探的研究。面波方法最關(guān)鍵的理論是提取層狀介質(zhì)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(xué)者Hayashi, K.等人[12]仿照多次覆蓋地震反射技術(shù)，提出了共中心點(diǎn)互相關(guān)技術(shù)(CMPCC)。該方法利用共中心點(diǎn)互相關(guān)和同偏移距多炮集疊加技術(shù)，克服了低頻相速度精度與橫向分辨率的矛盾，對二維瞬態(tài)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(tài)面波方法。

1.2 共中心點(diǎn)二維瞬態(tài)面波方法

1.2.1觀測系統(tǒng)設(shè)置

CMPCC二維瞬態(tài)面波方法的數(shù)據(jù)采集仿照多次覆蓋地震反射技術(shù)，進(jìn)行連續(xù)滾動或固定排列數(shù)據(jù)采集，如圖1所示。

圖2 CMPCC二維瞬態(tài)面波排列布置圖(滾動式)

CMPCC二維瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)處理有兩個(gè)重要思想：

(1)共中心點(diǎn)互相關(guān)思想

對每一炮記錄，每兩道的中點(diǎn)記為共中心點(diǎn)，兩道做互相關(guān)分析，然后把相關(guān)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(diǎn)位置無關(guān)，也將去除道間差異，互相關(guān)波形的相位差記錄只與兩道之間的距離有關(guān)。

(2)疊加思想

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

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

1.2.2采集參數(shù)選擇

二維瞬態(tài)面波采集參數(shù)如表1所示。

表1 二維瞬態(tài)面波采集參數(shù)表

2 隧道中二維瞬態(tài)面波實(shí)施面臨的問題

在隧道中進(jìn)行巖溶探測不同于在具有覆蓋層的地表進(jìn)行勘探。隧底一般為混凝土結(jié)構(gòu)，同時(shí)震源敲擊點(diǎn)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(fā)出較低的頻率，是影響勘探效果的關(guān)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(fèi)較長的時(shí)間，對于生產(chǎn)來說效率低下。同時(shí)，當(dāng)采用較重的震源敲擊時(shí)，貼在地上的檢波器容易彈起脫落，導(dǎo)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(shí)較重的配重影響生產(chǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方式在檢波器耦合和生產(chǎn)效率上都相對較好。

2.2 震源的改造

為了激發(fā)較低的頻率，在生產(chǎn)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(dá)到增加勘探深度的效果。

3 探測方案及效果驗(yàn)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(tài)面波方法采集參數(shù)及觀測系統(tǒng)

二維瞬態(tài)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(dá)到20 m。

現(xiàn)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(gè)檢波器同時(shí)連續(xù)固定在已完成的鉆孔上。滾動排列時(shí)，將前36個(gè)檢波器整體拔出，然后重新固定在第49～84個(gè)鉆孔位置上。

數(shù)據(jù)采集時(shí)，在排列的-0.5 m、0.5 m、1.5 m、2.5 m等位置進(jìn)行敲擊，敲擊點(diǎn)間距為1 m，每敲擊1次采集1炮記錄。固定排列時(shí)，從-0.5～47.5 m共敲擊49炮。當(dāng)排列滾動后，仍按照上述規(guī)律進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)測線的多次覆蓋。

檢波器應(yīng)固定牢靠，不可晃動，以用手輕輕碰觸不晃動為標(biāo)準(zhǔn)。在數(shù)據(jù)采集時(shí)，首先要保證沒有震動的影響，基于CMPCC的二維瞬態(tài)面波方法雖具有較好的抗干擾能力，但現(xiàn)場的隨機(jī)強(qiáng)震動仍會對數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生影響。其次要記錄好每個(gè)炮點(diǎn)和檢波器位置，記錄文件號和炮點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系，以便于準(zhǔn)確確定異常點(diǎn)的位置。

3.3 二維瞬態(tài)面波方法數(shù)據(jù)處理流程

二維瞬態(tài)面波方法數(shù)據(jù)處理主要內(nèi)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(chǔ)上繪制探測成果剖面圖。二維瞬態(tài)面波方法數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 二維瞬態(tài)面波方法數(shù)據(jù)處理流程圖

其中頻散曲線是通過數(shù)據(jù)采集所取得的多道記錄計(jì)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(jìn)行估計(jì)。計(jì)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(jié)果可靠性的重要手段是對頻散曲線中相關(guān)變化點(diǎn)的真實(shí)性和重復(fù)性進(jìn)行檢驗(yàn)和確認(rèn)。

3.4 物探地質(zhì)解釋

(1)測區(qū)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(nèi)的溶洞溶孔等巖溶發(fā)育帶組成。按照物理性質(zhì)，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?guī)r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(fā)育帶的形態(tài)復(fù)雜多變，但不變的規(guī)律是在基巖內(nèi)部形成低速區(qū)，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(tài)面波速度斷面如圖3所示，為面波反演結(jié)果。

圖3 二維瞬態(tài)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(qū)，推測為巖溶裂隙發(fā)育區(qū),部分區(qū)域巖溶內(nèi)部有充填。樁號里程77～110段位于泄水洞洞口外側(cè)小里程方向，同樣存在低速異常。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)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(tǒng)采集的數(shù)據(jù)不能分辨出表層30 cm的混凝土，因此該段整體表現(xiàn)為雜填土和棄渣的地震面波相速度。

3.5 鉆孔驗(yàn)證

物探工作完成后，現(xiàn)場進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證工作，在樁號里程176 m處布置鉆孔，鉆探結(jié)果如圖4所示。

圖4 標(biāo)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(jié)果基本與二維瞬態(tài)面波方法判斷結(jié)果吻合。

4 結(jié)論

(1)由于隧道內(nèi)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特殊性，將二維瞬態(tài)面波方法應(yīng)用于隧底隱伏巖溶探測，必須解決檢波器的固定和激發(fā)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(shí)采用尼龍棒敲擊橡膠墊的方式，可保證低頻信號具有較強(qiáng)的能量。不僅滿足了生產(chǎn)效率的要求，也解決了檢波器和地面耦合的問題，達(dá)到了提高面波信噪比的目的。

(2)基于共中心點(diǎn)道集的(CMPCC)多次覆蓋疊加二維瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理方法的應(yīng)用，使二維瞬態(tài)面波方法具有較好的橫向分辨率，能分辨出不規(guī)則的具有橫向特征的地質(zhì)體，對于解決探測隱伏巖溶這種不規(guī)則地質(zhì)體問題具有一定的優(yōu)勢。

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