地震映像在城市軌道交通勘探中的應(yīng)用

李克友

（中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽550081）

1 引言

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴大，交通成為制約城市發(fā)展的瓶頸。城市軌道交通作為一種準時、快捷、綠色的出行方式越來越受到人們的歡迎。當(dāng)前，很多城市都在建設(shè)或規(guī)劃城市軌道交通。然而，國家對地方軌道交通的發(fā)展批復(fù)慎之又慎。其原因主要是軌道交通建設(shè)是地下工程，造價很高，特別是在西南巖溶地區(qū)，溶洞、斷層等不良地質(zhì)異常發(fā)育，地鐵建設(shè)造價更是驚人。如果在勘察時不能準確探測出這些隱伏構(gòu)造，在施工階段可能會造成無法彌補的損失。所以，做好前期勘探工作，查明地下隱伏構(gòu)造十分重要。

城市勘探有其自身特點，如人員密集、交通繁忙、路面被硬化、電磁干擾、機械振動等，這就要求勘探工作應(yīng)盡可能地快速、不影響交通、減小噪聲及不破壞路面,而地震映像法能規(guī)避其干擾，滿足城市勘探需要。地震映像是一種經(jīng)濟、高效的勘探方法，在探查地下隱伏構(gòu)造的過程中，有不可替代的作用。在探測溶洞、斷層、采空區(qū)、地下暗河等方面有一定的優(yōu)勢，學(xué)者單娜琳和程志平[1]在地震映像法及其應(yīng)用中討論了工程勘察中常見的土洞、巖溶塌陷、溶洞、基巖面起伏、斷裂帶等不同地質(zhì)條件下的5 個實例，探測過程中，均采用1 種以上的有效波進行綜合分析，提高了解釋的合理性；學(xué)者王治華等人[2]探討了地震映像法在構(gòu)造勘察、洞穴調(diào)查、隱伏巖溶勘察、堤壩隱患探測、管道探測和滑坡體探測等方面的運用；學(xué)者陸云祥和陳建榮[3]運用地震映像法對水庫大壩、地下障礙物、采空區(qū)和水下基巖面等工程進行探測；還有學(xué)者利用地震映像法對遂底巖溶進行探測，圈出遂底20m 范圍內(nèi)的巖溶分布；對青島地鐵隧道某區(qū)段地質(zhì)災(zāi)害探測，圈出了斷裂帶等異常體。

2 方法原理

地震映像法[6]是以最佳偏移距技術(shù)發(fā)展起來的一種淺層地震勘探方法，利用地層和巖石的彈性差異反映地下地質(zhì)信息，根據(jù)探測目的，既可選取單一特定波作為有效波，也可利用多種波作為有效波來進行探測。其原理如圖1 所示。

圖1 地震映像原理圖

地震映像法主要有以下特點：

1）數(shù)據(jù)采集速度快。這一特點能很好地契合城市勘探中盡可能少占用道路的要求。

2）剖面長度要求不高。適合于城市勘探中的一些狹小場地。

3）不受電磁干擾，主要應(yīng)避免的干擾是地面振動，特別是汽車振動較大。在深夜車輛較少時進行地震映像數(shù)據(jù)采集，既能夠避免影響交通，又能在相對安靜的環(huán)境采集到更好的原始數(shù)據(jù)。

4）探測深度適中。地震映像探測深度可達100m 以上，分辨率高，既能滿足探測精度，又能達到探測深度。

5）可以利用多種波的信息，數(shù)據(jù)解釋時不僅可以使用反射法，還可以是折射波、面波、繞射波，使成果解釋更加準確。

采集數(shù)據(jù)時，采用單個檢波器接收，或用多個檢波器接收，數(shù)據(jù)處理時抽道成單個檢波器數(shù)據(jù)，激發(fā)點和接收點同步沿測線移動一定距離的采集方式。激發(fā)點和接收點的中點為記錄點，反映該點及其附近地震波傳播范圍內(nèi)地下介質(zhì)的變化。重復(fù)上述過程，就可獲得1 條（或多條）地震映像剖面。

1）最佳偏移距確定。在正式數(shù)據(jù)采集前，一般先做一條試驗剖面, 通過實驗剖面確定最佳偏移距和最佳接收窗口。實際工作中，可以單道接收，也可以多道接收（最佳接收窗口內(nèi)），數(shù)據(jù)處理時抽道成不同偏移距的地震映像剖面。

2）激發(fā)方式的選擇。通過選擇不同重量的鐵錘和不同面積的墊板采樣后, 最后選擇最佳重量的鐵錘和鐵板為激發(fā)源，以滿足勘測深度所需能量要求。

3）采樣參數(shù)的確定。通過實踐經(jīng)驗或?qū)嶒炘O(shè)置最佳采樣參數(shù)，如采樣率，采樣點數(shù)，濾波頻率等。

數(shù)據(jù)處理過程為：預(yù)處理—抽道集—振幅均衡—頻譜分析—濾波—速度分析—時深轉(zhuǎn)換—地質(zhì)解釋。

地質(zhì)解釋：

1）結(jié)合地質(zhì)進行波的對比，確定反射波組與地層的關(guān)系；

2）分析波的頻率、相位、余振長短、波散射、振幅大小等變化情況與地下介質(zhì)橫向和縱向變化的關(guān)系；

3）根據(jù)同相軸呈水平、傾斜或起伏形態(tài)以及反射波組之間間距大小變化、波組尖滅定性判定地層產(chǎn)狀和地層厚度變化和尖滅；

4）根據(jù)基巖頂板和基巖中的地層界面反射波組出現(xiàn)的錯斷、扭曲、波形、振幅突變現(xiàn)象推斷斷層或破碎帶位置、斷距和視寬度、產(chǎn)狀等；

5）分析同相軸的形態(tài)和反射波組間的間距大小變化以及波組的錯斷、分叉、合并、尖滅，波形振幅突變等現(xiàn)象得出地層巖性構(gòu)造變化的關(guān)系，確定是否存在溶洞、暗河等不良地質(zhì)體。

3 工程實例

本文通過3 個具體實例分別說明地震映像在城市軌道交通斷層、溶洞和沖溝探測中的應(yīng)用效果。

3.1 斷層探測

在某城市軌道交通線路路口，人流密集，2 條城市主干道相交。設(shè)計規(guī)劃擬在此設(shè)地鐵站。經(jīng)前期地質(zhì)調(diào)查可知，該區(qū)域有一條斷層穿過，但是否經(jīng)過該路口有待核實。在道路兩側(cè)四角均布置了鉆孔，但都未鉆遇。起初，欲通過CT 探測（電子計算機斷層掃描探測），但因道路太寬，鉆孔間距太遠，鉆孔深度相對較淺而不能實施。欲增加鉆孔深度，造價會大幅增加。欲運用地質(zhì)雷達，但周圍供電、通信、燃氣等管線密布，電磁干擾響較大。最終，沿垂直推斷斷層走向布置了1 條長100m 的地震映像剖面進行探測。

為不影響交通，且能采集到最佳數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集在凌晨2點至凌晨4 點車輛最少時進行。數(shù)據(jù)采集過程中，遇到車輛經(jīng)過時，暫停采集數(shù)據(jù)，待車駛過后繼續(xù)采集。

圖2 斷層探測成果圖

圖2 為地震映像探測成果圖，在樁號30m 處水平同相軸發(fā)生錯位、此處向下有一較強連續(xù)能量帶，且傾向大樁號方向，傾角∠75°，判斷此處為斷層。在樁號60m 處，水平同相軸錯斷，電磁能量被吸收，與周邊地質(zhì)體差異較大，判斷此處為水體，且其包絡(luò)為一規(guī)則的圓形，綜合判斷此處為一飽水的輸水管道，后經(jīng)地面調(diào)查得以驗證。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理解釋，該斷層經(jīng)過該路口，于測線樁號30m 位置穿過，破碎帶寬度約8m，傾角∠75°。后在此處布置鉆探，鉆孔顯示此處為斷層。

3.2 溶洞探測

在某城市軌道交通線路通過的尖山小區(qū)鉆孔時鉆遇一溶洞。為了解溶洞發(fā)育規(guī)模及其在橫跨規(guī)劃線路的延伸情況，在垂直線路方向布置了一條長約50m 的地震映像測線。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集處理解釋，圖3 為溶洞探測的成果圖。

圖3 溶洞探測成果圖

縱觀整條剖面，同相軸連續(xù)，地層分界清晰。但在樁號9m處，地層表面同相軸有稍許扭曲，其下有一個集中能量團，距地表約6m，與鉆探所遇溶洞所在深度近視，判斷此異常為溶洞，該溶洞埋深6m，規(guī)模2m×2m。該溶洞位于規(guī)劃線路一側(cè)，且規(guī)模較小，為延伸到其他部位，對線路的設(shè)計和施工影響不大。后在此處布置鉆探，驗證了此處為溶洞。

3.3 沖溝探測

在某城市軌道交通一線路馬王廟汽修廠探測填埋沖溝。該汽修廠建于20 世紀80 年代，為建設(shè)廠區(qū)，將沖溝進行了填埋。據(jù)廠區(qū)老人介紹，前些年廠區(qū)有一泉眼不時有泉水冒出，據(jù)推斷和沖溝有關(guān)，但因年代久遠，無人記得當(dāng)時的沖溝的具體位置。規(guī)劃設(shè)計欲在廠址處設(shè)置地鐵站，但沖溝的存在會影響站臺的位置和以后的施工。為了解沖溝的位置及發(fā)育規(guī)模，布置了一條長180m 地震映像測線進行探測。圖4 為探測成果圖。

經(jīng)數(shù)據(jù)采集處理解釋，在樁號118～178m 處，同相軸能量較強，同相軸錯斷、波形雜亂、頻率和相位變化，且在該段的中心位置同相軸下凹，往底部延伸能量較同深度其他部位較強，包絡(luò)呈一凹槽狀，底部為18m，判斷該處為原沖溝所在位置。該沖溝發(fā)育規(guī)模較大，寬度約40m，深度約18m，為后續(xù)地鐵設(shè)計和施工提供了科學(xué)的依據(jù)。后在此處布置鉆探，鉆孔顯示此處為沖溝。

圖4 沖溝探測成果圖

4 結(jié)語

本文將地震映像法應(yīng)用在城市軌道交通地質(zhì)缺陷探測中，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理解釋，準確探測出斷層、溶洞和埋填沖溝等不良地質(zhì)體的具體位置。后均通過鉆探得以驗證。在城市軌道勘探中，地震映像法是快速、經(jīng)濟、準確可靠的物探方法，值得推廣應(yīng)用。