地震散射剖面技術(shù)在隧道病害診斷中的應(yīng)用

SSP地震散射勘探技術(shù)是一種精細(xì)的地震勘探方法，適用于城市、水上、山區(qū)、場(chǎng)地復(fù)雜地質(zhì)條件的勘查。

-它利用地下介質(zhì)的非均勻性產(chǎn)生的散射波對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)成像，分辨率高，圖像直觀。

-將SSP應(yīng)用到隧道塌方的地質(zhì)病害診斷，查清了病害的地質(zhì)原因及影響范圍，為隧道病害治理提供了可信依據(jù)。本文介紹其在某隧道病害診斷中的應(yīng)用。

地震散射剖面技術(shù)在隧道病害診斷中的應(yīng)用

某隧道地質(zhì)病害概況

某隧道單洞總長(zhǎng)1.6公里，埋深150米，該隧道所處地區(qū)為白云巖，地質(zhì)條件復(fù)雜，山勢(shì)陡峻，溝壑縱橫，地形起伏較大，斷裂構(gòu)造發(fā)育。隧道開(kāi)挖中發(fā)生坍塌，坍塌范圍40米。為對(duì)隧道地質(zhì)病害進(jìn)行有效治理，需要開(kāi)展物探工作，查清塌方的地質(zhì)原因和影響范圍。隧址地質(zhì)條件復(fù)雜，垂向和橫向地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化劇烈，地震反射效果不佳。山體表面巖體裸露，接地條件不好，高密度電法無(wú)法應(yīng)用。隧道坍塌段埋深80m，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)能力不及，所以采用地震散射勘察技術(shù)。主要勘探任務(wù)是：

① 查明該隧道塌方的地質(zhì)原因；

② 查明隧道塌方的影響范圍和是否形成空區(qū)；

③為隧道塌方的綜合治提供建議方案。

隧道病害診斷觀測(cè)方案

本次隧道病害診斷采用大排列觀測(cè)方式。使用24道高分辨地震儀，采樣率22.5微秒，A/D轉(zhuǎn)換24Bit。使用速度型縱波檢波器24只，自振頻率100Hz。實(shí)際使用采樣率45微秒，記錄長(zhǎng)度2048樣點(diǎn)，設(shè)計(jì)探測(cè)深度180m。測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)20m，在地表布置，沿隧道軸線(xiàn)，以坍塌地段為中心。檢波器間距2m，單排列長(zhǎng)度48m。24磅錘擊震源，間距4m，兩端偏移距12m，每排列錘擊點(diǎn)19個(gè)，每點(diǎn)錘擊3-4次進(jìn)行疊加?？碧街泄彩┕?個(gè)排列，首尾相接。共得到有效地震記錄57個(gè)。

地震散射數(shù)據(jù)的處理流程

SSP地震數(shù)據(jù)的處理的主要為方向?yàn)V波、速度掃描和地質(zhì)體的偏移成像三個(gè)環(huán)節(jié)。方向?yàn)V波的作用是濾除面波和直達(dá)波干擾，突出地下反射與散射波，實(shí)現(xiàn)波場(chǎng)的分離，這是成功獲取散射信息的關(guān)鍵措施。特別是地下孤立體的散射信號(hào)很弱，如果不采用方向?yàn)V波手段濾除面波干擾，該孤立體的散射能量很難被發(fā)現(xiàn)。下圖是地震記錄方向?yàn)V波前后的比較，濾除面波后的記錄（圖2右部分）中可以清楚地看到地下的散射信號(hào)。

圖2 方向?yàn)V波前（左）后（右）地震記錄的比較

散射地震數(shù)據(jù)處理中的速度掃描不同于反射地震中的速度譜分析，散射地震數(shù)據(jù)處理中的速度掃描是以偏移疊加的能量為依據(jù)，獲得偏移波速。地震偏移成像中使用合成孔徑成像技術(shù)，同時(shí)適合反射層和散射點(diǎn)的走時(shí)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)介質(zhì)的散射系數(shù)成像。圖像表征了地質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要特征和巖土介質(zhì)的力學(xué)性狀。散射系數(shù)正的區(qū)域用紅色表示，表示介質(zhì)波速升高，巖石變得堅(jiān)硬，承載力提高；反之介質(zhì)變的松軟，承載力下降。

圖3 SSP地質(zhì)構(gòu)造偏移圖像

隧道塌方的勘查結(jié)果與解釋

通過(guò)上述地震散射勘探，得到深度120m，長(zhǎng)100m的地質(zhì)斷面（圖3）。實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)介質(zhì)的散射系數(shù)成像。圖像表征了地質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要特征和巖土介質(zhì)的力學(xué)性狀。散射系數(shù)正的區(qū)域用紅色表示，表示介質(zhì)波速升高，巖石變得堅(jiān)硬，承載力提高；反之用藍(lán)色表示，介質(zhì)變的松軟，承載力下降。勘測(cè)獲得的偏移圖像中呈現(xiàn)以下幾個(gè)特點(diǎn):

1．剖面內(nèi)巖體特性上下差異明顯。地表淺層40m范圍內(nèi)圖像以藍(lán)色為主，圍巖波速低，波速小于2.5km/s，為坡積體，碎石堆積與強(qiáng)風(fēng)化巖；下部圖像以紅黃色主，波速在3.0-3.5km/s范圍，為中等分化和微風(fēng)化白云巖；

2． 隧道ZK41+465--+415的50m范圍內(nèi)為斷裂破碎帶，產(chǎn)狀陡峭，視傾角50°。塌方上方20m的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)3-4處零散松動(dòng)空區(qū)（藍(lán)色區(qū)域），推斷為塌方影響帶。

以上地震散射勘測(cè)結(jié)果表明，隧道的塌方是由于斷裂破碎帶引起，斷裂帶在隧道走向的視長(zhǎng)度50m。塌方影響高度達(dá)20m，形成松動(dòng)區(qū)，但未發(fā)現(xiàn)大的空洞。建議在隧道內(nèi)對(duì)松動(dòng)區(qū)進(jìn)行注漿處理，處理范圍+415--+465的50m，沿?cái)嗔褞ё{，注漿深度15m。

結(jié)論

基于地震散射的SSP勘探技術(shù)比傳統(tǒng)的地震反射技術(shù)更適合復(fù)雜地質(zhì)與地形條件工程勘察。其排列小，采集密集，成像精度高，特別適合城市道路、煤礦采空區(qū)、隧道病害等領(lǐng)域的精細(xì)探測(cè)。