地震映像法在洋碰隧道病害處治效果檢驗(yàn)中的應(yīng)用

何志軍 張彥龍

（廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420）

巖溶區(qū)隧道水害問題頻發(fā)，洋碰隧道穿過的山體巖性主要為中厚層～薄層灰?guī)r，夾有泥巖及鈣質(zhì)頁(yè)巖，該區(qū)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，隧址區(qū)內(nèi)發(fā)育規(guī)模不等的主干斷層有17 條。在施工期至運(yùn)營(yíng)初期，洋碰隧道發(fā)生過多次嚴(yán)重的涌水涌泥，出水點(diǎn)水量大，泥沙含量曾高達(dá) 20%～50%。2015 年5 月在日常養(yǎng)護(hù)巡查中發(fā)現(xiàn)隧道南行北京端離洞口約 300m （K76+660 左右） 沿超車道路面中心集水井向外涌水涌泥，涌水量約為300m3/h，并含有大量泥沙，并迅速將隧道超車道側(cè)邊溝堵塞，造成路面大量積水積泥，隨即進(jìn)行隧道水害專項(xiàng)處治，針對(duì)地表巖溶塌陷及襯砌背后巖溶進(jìn)行回填處理，襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固同時(shí)加強(qiáng)隧道排水能力［1］，最終利用地震映像法對(duì)處治效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 地震映像法簡(jiǎn)介

地震映像 （又稱高密度地震勘探和地震多波勘察） 法是基于反射波法中的最佳偏移距技術(shù)發(fā)展起來的一種常用淺層地球物理勘探方法，常用于淺層單一的目標(biāo)層探測(cè)。該法以固定的小偏移距移動(dòng)激發(fā)點(diǎn)及接收點(diǎn)，從而對(duì)目的層進(jìn)行連續(xù)的掃描，利用接收的各類波形進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，最終確定目標(biāo)地質(zhì)體的位置及形態(tài)等信息。其采集方式與共偏移距反射波法相同，但是兩者數(shù)據(jù)處理方式不一樣，地震映像法不需要進(jìn)行動(dòng)校正、疊加等步驟，因此可以減少反射波動(dòng)校正引起的波形畸變而產(chǎn)生的誤差。數(shù)據(jù)處理可以在時(shí)間域、空間域和頻率域中進(jìn)行，結(jié)果可以用波形圖或彩色振幅圖顯示，同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面的解釋分析。

地震映像法可以利用除常見的反射波、折射波、繞射波外，還可以利用有一定規(guī)律的面波、橫波和轉(zhuǎn)換波，可以采用單一檢波器接收，也可用多道檢波器。在公路隧道的隱伏巖溶探測(cè)時(shí)，因?yàn)榻煌ńM織封閉存在一定的安全隱患，常采用單道檢波器，2～3 名施工人員，激發(fā)震源采用鐵錘即可，后期數(shù)據(jù)處理時(shí)不需要常規(guī)地震反射波繁瑣的處理流程，是一種可以適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境、快速、經(jīng)濟(jì)的物探方法。

2 地震映像法基本原理

地震映像法是采用共偏移距法，激發(fā)和接收的中點(diǎn)，反映中點(diǎn)兩側(cè)射線傳播范圍內(nèi)地下的巖層、巖性的變化，同時(shí)要進(jìn)行試驗(yàn)選定最佳偏移距，此最佳偏移距不只是局限于針對(duì)采用的反射波、折射波或面波的最佳，而且對(duì)于全波列而言是最佳偏移距。

2.1 采用折射波進(jìn)行地震映像法

在實(shí)際工作中，如選擇折射波作為有效波，則在地震映像波形圖上的第一個(gè)同相軸為折射波，折射波同相軸的變化，反映了折射界面深度和界面以上介質(zhì)速度的變化。界面水平時(shí)，折射波到達(dá)時(shí)間反映激發(fā)點(diǎn)下界面深度，也是界面上各點(diǎn)的深度，而界面起伏時(shí)，折射波到達(dá)時(shí)間只能表示滑行波傳播路徑內(nèi)界面的平均深度。需利用其它方法確定界面傾角、界面速度和上覆介質(zhì)速度，其波形傳播路徑圖如圖1 所示，折射波的傳播時(shí)間公式見 （1）。

圖1 折射波的波形傳播路徑圖

采用折射波為有效波適用于快速探測(cè)基巖面較淺、覆蓋層速度穩(wěn)定的情況。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜或要求精度較高時(shí)，不宜僅采用折射波為有效波。

2.2 采用反射波進(jìn)行地震映像法

采用反射波作為地震映像法適用于存在波阻抗差異的各種地質(zhì)條件，最終以反射波同相軸的變化作為地質(zhì)解釋的依據(jù)，其波形傳播路徑圖如圖2 所示，反射波的傳播時(shí)間公式見 （2）。

圖2 折射波的波形傳播路徑圖

當(dāng)界面深度發(fā)生變化時(shí)，反射波的傳播時(shí)間會(huì)發(fā)生變化，如在斷層兩側(cè)表現(xiàn)為突變；如果是傾斜界面，反射點(diǎn)的位置會(huì)偏移記錄點(diǎn)向界面的上傾方向移動(dòng)。同樣可根據(jù)反射波同相軸的變化情況定性推斷界面的起伏情況。

2.3 采用面波進(jìn)行地震映像法

地震映像法里利用的面波是在地下一定深度內(nèi)從震源傳播至接收點(diǎn)的含有多種頻率成分的、有多個(gè)相位的面波群。面波群的形態(tài)受偏移距范圍內(nèi)覆蓋介質(zhì)密度、泊松比等因素的影響；相位數(shù)與覆蓋層數(shù)的厚度、介質(zhì)物性和偏移距有關(guān)，面波群振幅的大小與介質(zhì)的松散情況有關(guān)；面波群的到達(dá)時(shí)間的變化與地層產(chǎn)狀、地層中局部地質(zhì)體的位置有關(guān)。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 地質(zhì)概況

洋碰隧道位于大瑤山山脈南端西麓構(gòu)造剝蝕、風(fēng)化、堆積的中低山溝谷區(qū)，處于近南北向的大瑤山復(fù)背斜南傾覆端偏南西的部位。隧道出口為寒武系砂巖，中部為隱晶質(zhì)灰?guī)r，LK77+570～870 段位于灰?guī)r與砂巖交界的灰?guī)r端，在巖性交界部位存在一主斷層，形成縱多的次生斷裂和裂隙，在長(zhǎng)期地下水活動(dòng)的作用下，在斷層附近形成了極為復(fù)雜的巖溶發(fā)育帶［2］，圖3 為位于F6 斷層的09T09 塌陷現(xiàn)場(chǎng)情況。

圖3 洋碰隧道F6 斷層的09T09 現(xiàn)場(chǎng)塌陷情況

3.2 工區(qū)地球物理特征

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的地震地質(zhì)條件及巖石標(biāo)本測(cè)定調(diào)查，發(fā)現(xiàn)隧道混凝土層與淺部基巖之間有明顯的波阻抗差異和波速差異，混凝土層P 波波速在 2500～4000m/s 之間，同時(shí)受風(fēng)化、剝蝕作用，淺部基巖為中至弱風(fēng)化灰?guī)r，P 波波速在2500～5000m/s 之間，空洞及巖溶中 P 波波速在300～2000m/s 之間，明顯具有不同物性差異層面，可形成反射界面。溶洞填充物與圍巖會(huì)有明顯的波阻抗差異和波速差異，可形成地震波反射或繞射，地層存在較大的波速差異，具備開展地震映像法的地球物理?xiàng)l件。

3.3 病害處治前地球物理勘察

本次地震映像法使用美國(guó)產(chǎn)NZ24 淺層地震儀，國(guó)產(chǎn)反射檢波器。先進(jìn)行振幅、相位一致性的試驗(yàn)，將振幅誤差控制在0.01%，相位一致性誤差控制在20μs 以內(nèi)，以滿足地震映像法試驗(yàn)要求。

（1） 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及工作參數(shù)的確定

數(shù)據(jù)采集選取5m 的偏移距，主要根據(jù)目標(biāo)層的有效波信號(hào)來確定最佳偏移距。其他采樣參數(shù)選為采樣間隔 0.0625ms，記錄長(zhǎng)度 256ms，帶通預(yù)波20～300Hz，大功率高頻磁致震源，測(cè)點(diǎn)距1.0m，共設(shè)置測(cè)線五條，測(cè)線布置圖如圖4 所示。

圖4 地震映像法測(cè)線位置斷面圖

（2） 野外數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場(chǎng)采集時(shí)，根據(jù)提供的里程樁號(hào)，用皮尺測(cè)量并布置激發(fā)點(diǎn)及檢波點(diǎn)，定位誤差一般小于0.05m。檢波器用石膏安裝在水泥地上，并逐個(gè)檢查，確定檢波器安裝狀態(tài)良好才開始激發(fā)接收。采集記錄時(shí)，開啟儀器的噪聲監(jiān)測(cè)功能，確保環(huán)境噪聲較小時(shí)才激發(fā)接收?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)不合格記錄馬上重測(cè)，以保證合格率為100%。

（3） 數(shù)據(jù)處理及地質(zhì)解釋

本次探測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)7 處構(gòu)造異常處，8 處溶槽、溶蝕帶，疑似巖溶共64 處，且可能存在充填物，總計(jì)異常79 處。

表1 物探推斷異常說明

3.4 洋碰隧道在水害處治后的物探效果驗(yàn)證

（1） 工作參數(shù)及數(shù)據(jù)采集

通過地震映像法對(duì)滲漏水處治效果進(jìn)行驗(yàn)證，與處治前相比偏移距、采樣間隔、記錄長(zhǎng)度、測(cè)線數(shù)量及測(cè)線布置都相同，而點(diǎn)距進(jìn)一步加密采用0.5m，最終采集原始記錄1004 張 （不包含廢炮），測(cè)線長(zhǎng)度500m，全部記錄合格 （已剔除不合格記錄，不合格記錄經(jīng)一次或多次重測(cè)后合格），其中優(yōu)良以上記錄950 張，占94.6%，滿足規(guī)程相關(guān)規(guī)定。

（2） 資料處理

一般地震資料需進(jìn)行靜校正、動(dòng)校正的處理，但由于地震映像法采用同一偏移距，且為單炮激發(fā)及單道接收，因此采集的信號(hào)在時(shí)間軸上的變化可直接反映底下連續(xù)體的初步形態(tài)，只需進(jìn)行激發(fā)點(diǎn)及接收點(diǎn)的高程校正，無(wú)需進(jìn)行動(dòng)校正處理，本次數(shù)據(jù)處理與處治前數(shù)據(jù)處理大致相同，但增加了聲波壓制及二次反褶積的步驟，主要步驟如圖5 所示。

圖5 帶聲波壓制的的地震映像法數(shù)據(jù)處理流程

在記錄輸入后進(jìn)行解編、抽道集以及壞道填充等預(yù)處理，之后將炮點(diǎn)及接收點(diǎn)高程輸入軟件進(jìn)行地形校正；由于本工區(qū)預(yù)先已知溶洞較發(fā)育，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行道均衡處理，主要針對(duì)波形的球面擴(kuò)散及隨深度變化的吸收進(jìn)行補(bǔ)償；道均衡處理完畢后對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，找出采集信號(hào)的主頻范圍從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各類濾波處理，圖6 （a） 頻譜可知，采集信號(hào)的主頻范圍大概是20Hz～150Hz 之間，其中 100Hz 左右有明顯的聲波干擾，因此采用F-K 濾波等可以較好的壓制在隧道內(nèi)采集時(shí)由于激發(fā)點(diǎn)的敲擊或過往車輛造成的聲波、面波等干擾信號(hào)，提供數(shù)據(jù)的信噪比，但需要注意的是要盡量較少濾波處理對(duì)有效信號(hào)的傷害，最終通過壓制聲波后的信息頻譜分析圖如圖6 （b） 所示，可見 100Hz 左右的聲波得到了較明顯的壓制。

圖6 測(cè)線2 采集信號(hào)的頻譜分析圖對(duì)比圖

反褶積處理是進(jìn)一步增加采集信號(hào)的信噪比，壓制多次波等干擾信號(hào)，同時(shí)起到對(duì)高頻信號(hào)的補(bǔ)償作用，選擇的方法有脈沖反褶積及預(yù)測(cè)反褶積，通過選擇合適的算子長(zhǎng)度及預(yù)測(cè)步長(zhǎng)，不斷調(diào)試實(shí)驗(yàn)從而選取最佳處理參數(shù)；最后利用鉆孔資料計(jì)算土層平均速度進(jìn)行速度分析，修飾處理后得出地震映像時(shí)間典型剖面圖及地質(zhì)解釋圖［3］。最終采用常規(guī)的地震折射波處理流程處理效果如圖7 （a） 所示，采用本文聲波壓制的處理流程解釋圖如圖7 （b） 所示，可見聲波壓制后信息同相軸連續(xù)性變好，分辨率有所提高。

圖7 測(cè)線2 采集信號(hào)的數(shù)據(jù)處理效果對(duì)比

（3） 地質(zhì)解釋

在地震映像波形圖上，若折射波或反射波能量減少且波形不易識(shí)別，面波能量突然增大，振幅增大，且波形變寬，則推斷有巖溶異常區(qū)。通過與處治前同一測(cè)線位置信息處理結(jié)果對(duì)比，可得到本次采用聲波壓制數(shù)據(jù)處理流程解釋后推斷巖溶異常處有10 處，具體情況見表2 所示，其中異常寬度是指物探異常在橫向上起止里程間的距離，異常深度是指物探異常在垂向上的埋深，相對(duì)于處治前87 處推斷巖溶異常處減少了87.3%，處治效果良好。

表2 隧道巖溶勘察物探異常一覽表

4 結(jié)論及建議

采用聲波壓制的地震映像數(shù)據(jù)處理方式，可以有效的對(duì)隧道內(nèi)因車輛引起的聲波干擾信號(hào)進(jìn)行壓制，最終通過對(duì)洋碰隧道滲漏水病害處治前后進(jìn)行驗(yàn)證，相對(duì)于處治前推斷異常處減少87%，但仍需對(duì)推斷異常區(qū)進(jìn)一步核查和加固，同時(shí)在運(yùn)營(yíng)期間加強(qiáng)對(duì)路面的沉降變形觀測(cè)和結(jié)構(gòu)層觀測(cè)。根據(jù)本次地震映像法在隧道水害處治前后驗(yàn)證及信息數(shù)據(jù)處理的實(shí)踐，提出以下建議。

（1） 地震映像法數(shù)據(jù)采集速度快，但抗干擾能力弱，且勘察深度有限。在單一的目的層、只需研究橫向地質(zhì)變化情況下，該法效果較好，當(dāng)存在多個(gè)目標(biāo)層時(shí)，數(shù)據(jù)處理難度較大，且采集時(shí)不易確定最佳偏移距。

（2） 對(duì)采集數(shù)據(jù)解釋時(shí)要追蹤隧道結(jié)構(gòu)層底面反射，分析反射同相軸的連續(xù)可追蹤性，如連續(xù)性不佳，則從濾波步驟開始重新處理，直至輸出合格的結(jié)果為止，但聲波壓制的濾波技術(shù)不宜過度使用，否則會(huì)對(duì)有效信號(hào)產(chǎn)生損害。