SSP地震散射技術(shù)在公路采空區(qū)勘察中的應用研究

魏榮華，王 波

(中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100097)

1 工程概況

國家某高速公路工程某標段總長約92 km，設(shè)計速度80 km/h。公路沿線施工條件較差，以山嶺區(qū)為主，路面寬度25.5 m。經(jīng)現(xiàn)場勘察查明，路線走廊帶穿越采空區(qū)且采空區(qū)范圍較大無法避讓，影響路線長度約2800 m，最大埋深457 m，采空區(qū)范圍內(nèi)包含多座大橋，建設(shè)難度較大。

勘察是工程建設(shè)得以順利開展的必要前提，淺層高分辨率地震勘探的意義重大，能夠給設(shè)計與施工作業(yè)提供可靠的參考信息。對此，本文結(jié)合上述工程，以現(xiàn)階段較主流的SSP地震散射技術(shù)為例展開探討，闡述其具體的原理以及主要應用優(yōu)勢。

2 SSP地震散射技術(shù)概況

采空區(qū)的存在明顯加大了公路施工難度，其后續(xù)運營期間也伴有較明顯的安全隱患。如果開采不規(guī)范易導致采空區(qū)的結(jié)構(gòu)缺乏規(guī)律性，基于常規(guī)的物探法難以掌握實際情況。對此，本文提出采用SSP地震散射技術(shù)，進行公路采空區(qū)勘察。

2.1 基本原理

反射地震方法的關(guān)鍵在于對地質(zhì)體采取優(yōu)化手段，將其視為層狀地質(zhì)模型，但事實上地層具有非均勻的特性，因此此法在采空區(qū)中所取得的勘察結(jié)果準確度不高。地震散射法的側(cè)重點在于圍繞非均勻地質(zhì)體展開分析，由于地質(zhì)體空間的變化，其對應的波阻抗隨之改變。SSP地震散射技術(shù)采取的是在地表激發(fā)并接收地震波的方式，可根據(jù)地震波在地下的傳播規(guī)律作出判斷，分析在各巖層下的地震波實際情況，包含波速、波阻抗等關(guān)鍵指標，以此為依據(jù)構(gòu)建地層分布形態(tài)，準確反映地層的實際情況[1]。

2.2 SSP地震散射技術(shù)的物理學基礎(chǔ)

采空區(qū)的地層條件異常復雜，常伴有變形、斷裂、填充水等現(xiàn)象，而在地質(zhì)條件復雜的地區(qū)，通過巖層分界面難以準確反映出采空區(qū)的具體情況。相較于完整巖體而言，采空區(qū)為典型的低波速區(qū)，SSP地震散射技術(shù)則正是借助該特性實現(xiàn)高精度的勘察。采空區(qū)邊界波阻抗具有較明顯的變動特性，同時其散射強度也較大，因此能夠確定采空區(qū)邊界。SSP波速分布圖的信息量豐富，包含采空區(qū)的具體發(fā)生位置、實際范圍，而通過偏移圖像則能夠反映出采空區(qū)的詳細輪廓，為后續(xù)的處理工作提供重要依據(jù)[2]。

2.3 SSP波速圖像地質(zhì)解譯

通過SSP地震散射技術(shù)的應用，可根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)創(chuàng)建波速剖面圖，其反映的是縱波波速情況，根據(jù)此方面的信息可呈現(xiàn)出介質(zhì)模量和密度的具體值。隨著波速的提高，彈性模量與密度均呈同步增加的趨勢。在得到波速信息后，可較為精準地解釋地層、采空區(qū)等方面的特質(zhì)特點。在松散和覆蓋層中該處產(chǎn)生的波速較低，通常在1000 m/s以內(nèi)，若為未風化基巖該值將超過3000 m/s，采空區(qū)則介于兩項指標之間[3～6]。

3 SSP地震技術(shù)在采空區(qū)中的應用

3.1 現(xiàn)階段采空區(qū)勘察狀況

案例工程中，施工周邊分布大量小采空區(qū)，在雨水、壓力等外界因素的作用下持續(xù)發(fā)生塌陷，不利于公路建設(shè)與運營。為準確掌握采空區(qū)的分布地點以及覆蓋范圍，工程中采用了SSP地震散射技術(shù)，以期通過技術(shù)掌握采空區(qū)的情況，如圖1所示。

圖1 采空區(qū)導致路面塌陷示意

3.2 技術(shù)布置

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)特點，采用32道高分辨地震儀，通過錘擊方式提供震源，按照0.5 m的間距控制標準布設(shè)100 Hz檢波器。

SSP地震散射技術(shù)的應用流程主要為先采集地震散射數(shù)據(jù)，再執(zhí)行波場分離與速度分析，最后創(chuàng)建縱波波速分布圖像。根據(jù)現(xiàn)場情況共布設(shè)5條測線，分別生成1組數(shù)據(jù)，從中挑選2條具有代表性的測線，對其所得的數(shù)據(jù)執(zhí)行地質(zhì)解譯。波速可分為三層：第1層指的是表層，該處的波速相對較小，約1100 m/s，可將其視為低速區(qū)，最大埋深6 m；第二層受采空區(qū)的影響較為明顯，波速雖有提高但依然偏低，約1100～1380 m/s，最大埋深24 m；第三層為基巖，該處的完整性較好，具有相對較高的波速，普遍超過1400 m/s。

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)測線L1的勘察結(jié)果展開分析：表層巖性破碎并分布大量的黏性土、粉土及砂類土，隨之出現(xiàn)波速偏低的情況；推測整個勘察區(qū)域內(nèi)共有四處采空區(qū)，即樁號8340～8380處、樁號8980～9030處、樁號9150～9200處、樁號9240～9280處。

根據(jù)測線L2的勘察結(jié)果展開分析：推測該區(qū)域內(nèi)共分布4處采空區(qū)，具體情況為樁號9340～9380處、樁號9490～9540處、樁號9650～9700處、樁號9730～9760處。

4 煤礦采空區(qū)對公路工程的不良影響

采空區(qū)范圍內(nèi)的擬建工程施工難度較大，構(gòu)筑物包含路基、涵洞及多座橋梁，施工期間煤礦采空區(qū)易發(fā)生塌陷事故，對于工程施工的不良影響主要有如下幾方面。

(1)公路路基下沉，若發(fā)生拉伸變形現(xiàn)象則會導致路基自身伴有較明顯的松弛特性，或是在各土質(zhì)界面出現(xiàn)脫層現(xiàn)象，此時路基的承載力將大打折扣，可見地表處拉伸變形明顯，路基明顯失穩(wěn)。

(2)塌落通常缺乏連續(xù)性，同時沉降也不具有規(guī)律性，導致路基下沉不具有規(guī)律可循，路面原有坡度變化規(guī)律也較為特殊。若地表傾斜和路線坡度的方向相同，此條件下線路坡度將隨之加大，反之則表現(xiàn)出縮小的變化特點，由此形成反坡。隨著線路坡度的改變，又將對移動盆地內(nèi)的路線帶來不良影響，使其運行阻力發(fā)生變動，在使用時間延長之下路面將反復沉陷。

(3)路基下沉時通常伴有水平位移現(xiàn)象。由于橫向移動的存在導致路基的方向發(fā)生變化，使其表現(xiàn)出沿路基縱向水平變形的特點，路基受力狀態(tài)異常，具體表現(xiàn)為受壓或受拉，此時公路坡度偏離正常狀態(tài)、豎曲線形態(tài)也有所改變。

(4)地表各處下沉具有差異性，線路在豎直方向上發(fā)生彎曲，預先確定的曲率半徑受到影響，公路的使用效果欠佳，特殊情況下甚至會引發(fā)安全事故。

(5)采空區(qū)塌陷冒落后，將導致所在處橋墩(臺)出現(xiàn)偏位現(xiàn)象，對樁基形成負摩阻力，嚴重威脅到橋梁的穩(wěn)定性。

5 煤礦采空區(qū)治理方案

經(jīng)驗表明，采空區(qū)治理的可行方案較多，應用效果較好的主要有如下2種。

(1)井下巷道漿砌。通過煤礦井口進入井下，針對性處理未發(fā)生坍塌事故的巷道，以片石、砂漿為基礎(chǔ)材料對其充填，通過此方式優(yōu)化巷道的受力條件，為上覆巖層提供可靠的支撐力，以免上覆巖層發(fā)生冒落現(xiàn)象。此時，上覆巖層的穩(wěn)定性表現(xiàn)良好，地面沉陷變形得到有效的控制，路基可維持穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)全充填壓力注漿法。在地表指定位置鉆進成孔，配套注漿泵和注漿管，在兩者協(xié)同作用下向采空區(qū)注漿(通?？蛇x擇水泥粉煤灰)，使?jié){液可填充至上覆巖體裂隙內(nèi)，通過漿液的固化作用可有效膠結(jié)巖層裂隙帶，而漿液所構(gòu)成的結(jié)石體也具有較強的支撐能力，有助于維持上覆巖層的穩(wěn)定性，路基失穩(wěn)問題得到控制。此工法的優(yōu)勢在于施工便捷、采空區(qū)處理效果較好、所需成本較低。

從本工程采空區(qū)的實際情況來看，部分巷道已經(jīng)坍塌，危害較為嚴重，對此建議采用全充填壓力注漿的方法，以便從根本上解決采空區(qū)易塌陷的問題，給公路建設(shè)創(chuàng)造良好條件。

6 結(jié)語

鑒于公路采空區(qū)危害較大的特點，提出采用高分辨地震散射技術(shù)，明確采空區(qū)的具體范圍并于該處鉆孔檢驗，可知采空區(qū)在發(fā)生塌陷事故后的巖樣普遍表現(xiàn)出松散狀，與物探結(jié)果具有高度的一致性，由此表明：SSP地震散射技術(shù)具有可行性，在確定采空區(qū)位置和范圍方面的應用效果較好，可作為采空區(qū)勘察工作的重要方法，也可被應用于類似工程中。