散射波地震勘探技术在喀斯特地区地铁建设岩土风险管控中的应用

散射波地震勘探技术在喀斯特地区地铁建设岩土风险管控中的应用

西南地区尤其是贵阳地区，地质构造十分复杂，且为喀斯特地貌，溶洞、孤石、土洞及基岩面起伏较大等因素极大的限制了反射地震技术的应用。如何将地震勘探技术应用于非均匀地质模型成为了科学工作者们攻坚的目标，上世纪80年代，K.Aki出版的《定量地震学》为大家带来了曙光。从2003年开始，赵永贵、蒋辉团队依靠K.AKI建立的非均匀弹性介质中地震散射波传播的普适方程，在国内率先开展了西南地区地震勘探技术的研究。在山地构造、采空区、海底孤石、地铁道路脱空区等探测的实际应用取得了一大批成果，使散射勘探技术不断改进与完善，形成了SSP（Seismic Scattering Profile）地震散射剖面法。

原理

地震散射是在地震反射基础上发展起来的新技术，它以非均匀地质模型为基础。当地震波在非均匀介质内传播时，遇到波阻抗变化界面就会激发出散射波。波阻抗差异界面相当于二次震源。通过接收散射波，可以对差异界面的位置与介质的波速分布进行精细成像。在散射理论中，反射波只是散射界面规则排列时的一种特殊情况。

散射波传播产生与传播规律

在入射波场惯性力的激励下，非均匀体异常体相当于二次震源，向周围发射散射波；散射波的强度与陡变差异系数和入射波的惯性力的乘积成正比：

（二次震源）

式中：u为纵波位移，v为波速，t为波的走时，uI为入射波，us为散射波，V0为入射波速，α(r)为陡变差异系数。

散射波数据的采集

图1中，地层界面视为无数异常体的规则排列；反射波为规则排列界面上散射波的相干；地质异常体为波速异常α不为零的地质体。不同于均质介质中，检波器主要接收地层界面处震源与检波器中间点反射波信号的时间序列；在非均匀介质中，检波器能记录该区域内所有非均匀体散射延时叠加的总和。因为每点的记录包含着所有散射点散射的总合，据此可以使用多点激发和多点接收的散射记录，通过反演重建地下介质的散射体与波速分布的图像。这就是地震散射波勘探的基本原理。

图1地震散射原理示意

散射波法数据的处理分析

散射波法数据的处理流程分为5个步骤：①几何编辑→②二维滤波→③速度分析→④散射界面合成孔径成像→⑤三维数据结构。基于地质结构的非均匀性以及散射波场的局限性，采用以共炮点记录为对象的处理技术对散射波法的数据进行处理达到重建波阻抗界面与波速分布的图像的目的。其中最关键的三个环节：二维滤波、速度分析、散射界面成像。

工程实例

工程概况

某地铁区间隧道停车线，设计起讫里程为：K15+080K15+267，隧长187m。隧洞为单洞双线结构，线间距为14m，隧道拱顶埋深14.214.6m，隧道底板标高1261.4~1261.5m，洞宽最大为21.7m，洞高最大为14.9m。区间隧道停车线均沿诚信北路敷设，采用矿山法双侧壁导坑法施工，为复合式衬砌结构支护。根据前期详勘资料显示：1.该段岩性为可溶性岩，局部地段地面可见落水洞，且钻遇串珠状溶洞，该段岩溶发育程度等级为岩溶强发育，场地范围内溶洞多位于隧道洞身及拱顶上方，部分发育在8～15m范围内，极个别位于15m以下。2.且覆盖层多为红粘土，呈可塑状为主，局部呈硬塑状，偶见铁锰质结核土质纯，具有高液限、遇水软化、失水强烈收缩、裂隙发育、易剥落的工程性质，局部具弱膨胀性，层厚0.7～8.5m，故隧道拱顶基本位于岩土交界面；3.浅层地下水依托地形沿浅层排泄通道径流，拟建线范围内总体地势东高西低，浅层地下水依托地形径流，深部岩溶水丰富，间接接受大气降水、河水补给为主，地下水沿岩溶裂隙、岩溶管道、构造破碎带、裂隙、层面径流，带走土体中的细颗粒，再加上工程扰动等因素极易发生隧道拱顶掉块、路面塌陷以及掌子面突泥涌水等现象。

因此，提前探明掌子面前方是否存在岩溶，及时精准预处理，保证后期开挖过程中工程安全及周边建构筑物及地表行车安全，是重要且必要的。由于该段地表为城市主干道，故采取地震散射剖面法这类不损毁路面、对交通影响极小的探察方法。

测线布置

地铁某线 X 标某区间某段地下岩土工程风险综合管控探察，沿地下区间隧道左线中线两侧布设3条测线，测线里程分别为：ZDK15+124-154、ZDK15+137-160、ZDK15+131-160总计82m。地震波散射采集系统采用32道检波器（主频分别为40Hz与20Hz），道间距为0.5m，单次排列长度15.5m，炮间距为1米，采用24磅大锤锤击激发的方式进行数据采集。

图2测线平面布置图
(图2建议重画，在百度地图等地图上描出测线即可，这个图太糙)

探察成果及现场开挖验证结果

数据反演得到测区二维层速度图，如图3所示。根据岩土物探特性（见表1），测区地层可划分为两层：1.覆盖层，波速在600-1600m/s之间，二维层速度剖面图中呈深蓝-浅蓝色，表征红黏土层和回填层，埋深5-8米；2.下伏岩体，波速较高（1600-3500m/s），在二维层速度剖面图中呈黄-深红色，表征着强风化岩体和中风化岩体。

图3 SSP二维层速度剖面图：(a) L1测线,(b) L2测线,(c)L3测线

表1岩土介质物探特性

图3中显示，本次测线区域存在两处物探异常区域，如表2所示：

表2异常区域统计

在异常区域二布设三个钻孔进行验证，如图4所示。钻孔结果如图5所示。根据钻孔验证资料显示，隧道大断面掌子面④部左肩部位已经被竖向溶槽贯穿。相关资料显示，地下水位高于隧道拱顶，且该处上方同时存在一根雨水管和一根污水管。如不进行预处理，在开挖过程中极易发生掌子面涌水突泥，还会导致上部土体沉降过大，拉裂上部雨污水管，引起地表塌陷。经过地震散射波探察和钻孔验证，精确定位了岩溶的空间分布后，在验证孔处进行了注浆加固，保证了后期隧道开挖通过的安全。

图4 ZDK15+143钻孔剖面图

图5钻孔剖面图:(a) ZK-2钻孔,(b) ZK-3钻孔,(c) ZK-7钻孔

结语

通过大量理论与应用研究对比，地震散射波技术能够对地下40m内的松散区和岩溶进行精确探测，基本能覆盖绝大部分市区地铁轨面以上区域。在市区进行探察时，由于电磁干扰，电法和电磁法并不能有效真实的反映地质情况，而普通的地震勘测又不能满足探察的精度需求，地震波散射法正好弥补了空白。地震散射技术具有分辨率高、抗干扰性强、不破损路面、不中断交通等优点。在详勘的基础上，可以有效的对不良地质体进行探察，精确定位不良地质体的规模、空间分布，提前做出预处理指导，能有效避免地面沉降和塌陷、洞内坍塌、涌水和突泥、基坑和边坡坍塌、既有建（构）筑物沉降、管线沉降和破损等施工风险。

地震散射理论适合复杂的非均匀地质模型，但是其应用研究还处于初级阶段，仍需在工程实践中不断摸索完善。相信在将来的地下岩土工程风险管控中，地震散射技术必将发挥其优势为工程安全保驾护航。