地震波法檢測(cè)坍塌基坑注漿加固范圍的應(yīng)用研究

王寧WANG Ning

（南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，南京 210000）

0 引言

隨著城市建設(shè)進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，城市深度開發(fā)成為當(dāng)下的主題，但是在城市建設(shè)開發(fā)的過程中，諸多工程事故頻頻發(fā)生，基坑坍塌就是其中之一。在基坑發(fā)生險(xiǎn)情后，應(yīng)急處置方案啟動(dòng)，但如何檢測(cè)并評(píng)價(jià)應(yīng)急處置的效果是事故處置亟需解決的問題。物探技術(shù)作為一種新型技術(shù)手段，在檢測(cè)應(yīng)急處置效果方面能夠發(fā)揮重要作用。

1 地震波技術(shù)

1.1 地震波CT 技術(shù)

地震波CT 和超聲波CT 同屬彈性波CT，兩者的方法原理完全一致[1]。地震波CT 技術(shù)又稱地震層析成像技術(shù)，它通過接收、記錄在外部發(fā)射并且穿過物體的地震波，獲取地震波首波走時(shí)，借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)求解大型矩陣方程，能夠較為真實(shí)地反映出目標(biāo)區(qū)域的速度剖面，從而依據(jù)速度剖面判斷目標(biāo)區(qū)域異常情況[2]。

1.2 井地地震技術(shù)

井地地震技術(shù)是在地表附近激發(fā)，在井中不同深度布置檢波器進(jìn)行觀測(cè)的技術(shù)方法[3]。檢波器放在井中，測(cè)線沿井孔垂向布置，這種方法也稱為垂直地震剖面法[4-5]。

2 項(xiàng)目概況

2.1 事故概況

2020 年6 月，南京地鐵某工程基坑26～28 軸區(qū)段北側(cè)圍護(hù)樁樁后發(fā)生地面塌陷，局部圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形受損。經(jīng)消險(xiǎn)修復(fù)，受損段坑內(nèi)回填低標(biāo)號(hào)素混凝土和渣土，北側(cè)坑外塌陷區(qū)采用低標(biāo)號(hào)素混凝土回填。應(yīng)急處置后，為評(píng)價(jià)處置效果，采用地震波CT 和井地地震檢測(cè)混凝土灌注范圍。

2.2 物探方案

本次地震波法的工作區(qū)域?yàn)樘?6～28 軸區(qū)段北側(cè)基坑塌陷區(qū)，布置1 條地震波CT 布置1 條測(cè)線，2 條井地地震測(cè)線。測(cè)線布置見圖1。

圖1 測(cè)線布置

本次彈性波工作震源采用湖南湘潭無線電有限責(zé)任公司生產(chǎn)的1000J 電火花震源震源，考慮到鉆孔內(nèi)接收震動(dòng)，檢波器采用奧城12 道串珠式水聽器（間距1m），每提升0.5m 激發(fā)一次，探測(cè)儀器采用SUMMIT 地震探測(cè)儀。

井地地震VSP 工作采用地面錘擊震源，檢波器和探測(cè)儀器與彈性波CT 工作所采用的一致。本次工作總炮·檢波點(diǎn)數(shù)為5214 對(duì)，地震波CT 和井地地震工作布置見表1、表2。

表1 地震波CT 工作布置

表2 井地地震工作布置

3 資料解釋

3.1 數(shù)據(jù)處理

本次彈性波CT 數(shù)據(jù)處理工作采用走時(shí)反演成像，步驟包括：抽道集、初至?xí)r間拾取、初至?xí)r間檢查、射線平均波速計(jì)算、速度模型預(yù)測(cè)、建立空間屬性、彈性波CT 反演、波速影像圖繪制和地質(zhì)解釋。

井地地震VSP 數(shù)據(jù)處理流程包括：觀測(cè)系統(tǒng)建立、初至拾取、模型空間離散化、初始速度模型定義、射線追蹤與分割和速度反演。

3.2 地震波CT 資料解釋

圖2 為彈性波CT 成果圖，B1、B2、B3 為物探測(cè)試鉆孔，地面標(biāo)高27m 左右。DS6S2G38、DS6S2Z52、DS6S2G39、DS6S2Z53 為原巖溶專項(xiàng)勘察鉆孔。

圖2 測(cè)線1 彈性波CT 成果圖

圖2 顯示，淺層地表基本為雜填土、填土與粉質(zhì)粘土為主，地震縱波波速較低，為400～1400m/s；而圖2 中黑色線條圈出的區(qū)域地震波縱波波速較高，為2000～4000m/s，推測(cè)為混凝土灌漿區(qū)域，黑色線為混凝土灌漿底界面。

根據(jù)鉆孔柱狀圖，圖2 中五個(gè)紅線圈出的區(qū)域?yàn)槿芏?，從成果圖中看，五個(gè)紅線圈區(qū)域的縱波波速較低，為1800～2300m/s，與鉆孔對(duì)應(yīng)關(guān)系較為吻合，但由于低速巖溶的存在，其周圍的地層界面的地震縱波波速在剖面圖上與實(shí)際鉆孔存在一些誤差。圖2 兩個(gè)紫線圈出的區(qū)域（鉆孔之間區(qū)域），地震波縱波波速較低，為1800～2300m/s，但其縱波波速與五個(gè)紅線圈出的區(qū)域波速一致，因此推測(cè)為低速巖溶。底部洋紅色線圈出的區(qū)域，縱波波速為2200～3800m/s，地震縱波波速較大且穩(wěn)定無突變，因此推測(cè)為中風(fēng)化巖層。

綜合彈性波CT 成果圖和鉆孔柱狀圖可以看出，淺部地層波速較低，多為雜填土和粉質(zhì)粘土，中部地層波速與淺部地層波速大致接近，主要為粉質(zhì)粘土和溶洞，深部從標(biāo)高5m 往下波速較高，主要地層介質(zhì)為中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r。B2 孔附近在標(biāo)高14～27m 深度范圍內(nèi)，地層波速表現(xiàn)為高速，推測(cè)有混凝土填充，且較為完整，成果圖與鉆孔柱狀圖對(duì)應(yīng)較好；B1、B2 孔之間6～20m 深度范圍內(nèi)為低速，推測(cè)為填土層和粉質(zhì)粘土層，混凝土注漿并未完全覆蓋該區(qū)域；B3 孔附近，淺部地層均為低速，推測(cè)為填土和粉質(zhì)粘土，未有混凝土填充，物探成果與鉆探結(jié)果相符合。

3.3 井地地震資料解釋

圖3 為距井口線水平距離0～2m 處VSP 測(cè)線典型地震剖面圖，圖4 為距井口線水平距離0～4m 處VSP 測(cè)線典型地震剖面圖。根據(jù)圖3 和圖4 顯示，淺部地層主要為填土和粉質(zhì)粘土，地震縱波波速為200～1200m/s；黑色區(qū)域縱波波速較高，為1600～2800m/s，初步推測(cè)為混凝土灌漿區(qū)域，但由于地面震源受到的干擾比電火花井中震源大，且地面震源頻率較低，因此該區(qū)域的異常應(yīng)結(jié)合彈性波CT 成果進(jìn)一步驗(yàn)證。圖3 和圖4 中紫色線條以下縱波波速較高，為2600～4000m/s，推測(cè)為中風(fēng)化巖界面。

圖3 和圖4 中兩條紫色線以下的區(qū)域，存在地震縱波波速為2400～3200m/s 的情況，該區(qū)域的縱波波速與巖溶的縱波波速相比存在一定差異，但此區(qū)域的縱波波速與周圍的縱波波速存在變化，說明該區(qū)域的巖石與周圍巖石的巖性或者破碎程度存在差異，推測(cè)該區(qū)域的巖體存在破碎情況。值得一提的是，在距離井口線0～2m 范圍的VSP 數(shù)據(jù)缺少單孔約束和鉆孔CT 數(shù)據(jù)，其成果宜結(jié)合彈性波CT成果對(duì)比分析。

圖3 測(cè)線2 井地地震成果

圖4 測(cè)線3 井地地震成果

圖5 為井地地震VSP 成果在深度1m、3m、5m、7m 和10m 處沿水平面的切片。從圖中可以看出，在深度方向上，高速異常在B2 孔位置附近反映最為明顯，由淺至深高速異常的范圍逐漸減小，推測(cè)為灌注的混凝土，這一情況與鉆孔資料吻合。在水平方向上，高速異常依然集中于B2孔附近，推測(cè)為灌注的混凝土，灌注范圍大致呈扇形分布，在距井口線4m 處依然分布有灌注的混凝土。

圖5 井地地震水平切片圖

需要注意的是，在井地地震VSP 數(shù)據(jù)采集過程中，由于在深度1m 處接收到淺層的數(shù)據(jù)信號(hào)最少，且易受車輛行駛和施工振動(dòng)干擾，數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)較低，但從1m 以下深度處的水平切片看，高速異常具有一定的延續(xù)性，并且突變較少，因此可以推測(cè)在深度1m 處的水平切片成果具有一定的可信度。

4 結(jié)論

①彈性波CT 技術(shù)與井地地震技術(shù)（VSP），基本探明了工作區(qū)域內(nèi)灌注的混凝土范圍和地質(zhì)情況，可以供治理方案的設(shè)計(jì)和施工方參考使用。②井間CT 需要地下水作為傳播振動(dòng)的介質(zhì)，而場(chǎng)地內(nèi)地下水位較深，無法獲取淺部數(shù)據(jù)。對(duì)于井口線以下的探測(cè)，利用井地地震彌補(bǔ)不足，通過井間CT 與井地地震聯(lián)合成像，能夠更全面地反映地質(zhì)情況。③對(duì)于距井口線水平距離0～2m 和0～4m 范圍內(nèi)的井地地震（VSP）數(shù)據(jù)，由于井口線以北缺少鉆孔，未能進(jìn)行井口VSP 和鉆孔CT，不能采集到更加精確和密集的數(shù)據(jù)，所以在距離井口線水平距離0～2m 和0～4m 范圍內(nèi)的淺部地震數(shù)據(jù)較少，對(duì)物探成果的精度有一定的影響。④井地地震（VSP）的地震波頻率沒有井間CT 高，相應(yīng)的探測(cè)精度與分辨率也就沒有井間CT 高。由于巖溶范圍小且此處地震數(shù)據(jù)量少，分辨率較低，因此較小巖溶無法在典型地震剖面圖中體現(xiàn)出來。