地震映像法在铁路隧道隧底岩溶探测中的应用

王兆宁

(中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081)

岩溶是水对可溶性岩石(碳酸盐岩、石膏、岩盐等)进行的以化学溶蚀作用为主，以流水的冲蚀、潜蚀和崩塌等机械作用为辅的地质作用，以及由这些作用所产生的现象的总称。岩溶洞穴常造成水库渗漏，对坝体、交通线、厂矿建筑等构成不稳定的因素。研究和探测溶洞的分布，及时采取措施，是岩溶地区建设的关键。

目前，探测岩溶所采用的物探方法主要有高密度电法、地质雷达法、地震反射法、地震映像法、大地电磁法及电磁波CT法[1-3]。地震映像又称高密度地震勘探和多波地震勘探，是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的一种勘探方法。本文将该方法应用于西南某高速铁路开通前的隧道隧底岩溶探测中，通过钻孔验证其准确性，并结合探测结果对隧底有溶洞的隧道进行注浆，确保铁路安全开通和运营。

1 地震映像法的工作原理

地震映像法是以相同的偏移距逐步移动测点接收地震信号，对隐伏地层或目标体进行连续扫描，利用多种地震波信息来探测地下介质的变化。其应用前提是地下介质存在明显的波阻抗差异。

地震映像法的原理：当在地面某点激发(如敲击)时，由于地下介质的弹性作用，在激发所产生的冲击力作用下，激发点附近的介质产生弹性振动。此弹性振动以运动形式在地下岩层中传播，就形成了地震波。当地震波在地下传播过程中遇到不同介质性质的岩层界面或地质异常体时，就会产生反射波或折射波返回地面。通过在地面上安置的检波器来接收返回地表的多种地震波。通过对采集的地震波数据进行处理，以二维剖面图的形式显现，可以直观地反映地下地质体或地质异常的变化和形态。该方法工作原理示意如图1。

图1 地震映像法工作原理示意

图中：Z为反射层高度；V1，V2为反射层上、下2层介质的波速；O为地震波激发点；S1,S2为地震波接收点；L为偏移距。

反射波传播时间T的计算公式为

/V1

地震映像法以小偏移距、小点距密集采集人工激发的弹性波中折射波、反射波等地震波信息，可以利用多种地震波作为有效波来进行探测[4]。该方法使得折射波和反射波能量得到协调，既保证有足够的勘探深度，又能够获得地下隐伏地质界面信息。

2 应用实例

2.1 工程概况

西南某高速铁路全长857 km，为双线电气化铁路，设计速度无砟轨道区段300 km/h、有砟轨道区段250～300 km/h。该铁路穿越剥(侵)蚀高原，施工区地质情况复杂，地质构造发育，特殊岩土类型较多，周围岩溶广布。岩溶覆盖层主要为第四系全新统人工填土，冲洪积、坡洪积、残坡积地层。基岩主要为石炭系中统黄龙群灰岩、白云质灰岩夹白云岩；泥盆系上统尧梭组白云岩、灰岩夹泥质灰岩、页岩；二叠系上统吴家坪组及长兴组硅质岩、灰岩、燧石灰岩夹页岩、炭质页岩、煤层；三叠系下统飞仙关组钙质页岩夹砂岩；奥陶系下统桐梓组白云岩、灰岩；寒武系上统炉山组灰质白云岩。地表水主要有河水、沟水、塘水、坡面水，地下水主要为第四系孔隙水、上层滞水、基岩裂隙水、岩溶水。

2.2 探测设备及探测参数设置

本次隧底隐伏岩溶探测使用的设备为工程地震仪、地震波激发器、检波器和数据连接线，见图2。

图2 探测设备

确定地震映像法最优的工作参数，以达到理想的探测效果。根据试验现场噪声剖面，选定道间距为1.3 m，偏移距为4.6 m，采样点数为 8 192，采样间隔为25 μs，检波器频率为100 Hz。结合工程经验及现场试验，地震波在隧底的平均传播速度在无砟轨道区段约为 2 000 m/s，在有砟轨道区段约为900 m/s。

2.3 探测流程

1)根据现场条件，沿轨道延伸方向，在线路两侧及线间布置3条平行的测线，如图3所示。

图3 地震映像法测线布置示意

2)根据隧道现场洞身里程标记，并结合已有的线路里程，进行里程校正。

3)按照测试获得的最佳道间距放置检波器，按照最佳偏移距布置激发点位置，采用锤击激发，激发能量根据测试选定，以达到要求的探测深度。数据采集主机在采集完成后，跟随激发点及检波器同步移动。

2.4 数据处理及图像解释

在采集的原始数据可靠的前提下,能否获得用于地质推断的高质量地震映像剖面,关键在于所用处理软件的质量和处理时所用的各种参数[5-6]。先对本次采集到的数据进行速度分析、静校正、振幅补偿、频域滤波、空间滤波，形成地震映像剖面。然后根据该剖面对地层和构造进行解释。

由本次探测得到的地震映像剖面，推断出有溶洞、溶蚀裂隙、浅层不密实等情况。

溶洞地震映像剖面见图4。可见：浅层信号同相轴连续、平顺，深部信号形成多条双曲线型同相轴，振幅具有两边小、中间大等特点。

图4 溶洞地震映像剖面

溶蚀裂隙地震映像剖面见图5。可见：浅层信号同相轴基本连续，深部信号同相轴错断、杂乱，相位反转，主频偏低。

图5 溶蚀裂隙地震映像剖面

图6 浅层不密实地震映像剖面

浅层不密实地震映像剖面见图6。可见：直达波、浅层信号同相轴塌陷，会出现多条强振幅同相轴，主频明显偏低，一般在首波就有所反映。

2.5 钻孔验证

根据地震映像法的检测结果进行钻孔验证。孔深2.0～2.3 m有淤泥，纵波速度为150 m/s；孔深2.3～9.0 m有黄黏土，纵波速度为400 m/s；孔深9.0～11.0 m钻杆下降速度过快。总进尺11.8 m，总传播时间约20 ms。钻探揭露的溶洞与地震映像解释结果大体吻合。

3 结论与建议

采用地震映像法对高铁隧道隧底进行岩溶探测，探明多处溶洞和溶蚀裂隙，经钻探得以验证并通过现场注浆进行整治。表明该方法在铁路隧道隧底岩溶探测中具有可行性。

由于仪器和施工场地的限制，特提出以下几点建议：

1)岩溶地区的地形复杂，通过相关分析进行精确的静校正处理，可解决炮点和检波器高程不一致问题。

2)实际工作中将属于同一反射点的记录道排序，由于震源不一致等原因使得道间和道内存在严重的能量差异，需要做能量均衡。主要包括道内均衡和道间均衡。道内均衡是一种补偿大地吸收衰减效应的技术，它可以补偿振幅衰减和频率损失，从而改善同相轴的连续性，提高弱反射波的能量和地震映像剖面信噪比、分辨率。道间均衡解决震源不一致等原因造成的道间对比困难问题。

3)根据实际地质条件选择适合的频带进行频域滤波。选择不同频带反映不同地质类型，合适的频带有利于后期成像处理及异常特征显示，同时还可以在一定程度上压制直达波或受其他固定频率的干扰。

4)通过弹性波的走时、相位、振幅的变化特征，可以分析隐伏地质构造的空间分布和物理性质。

[1]丁荣胜,张殿成,王仕昌,等.高密度电阻率法和地震映像法在采空区勘察中的应用[J].物探与化探,2010,34(6):732-736.

[2]王永,王治华,仇恒永,等.水上高密度地震映像法勘探在水利工程中的应用[J].工程地球物理学报,2005,2(6):442-448.

[3]夏金儒.地震映像和瞬变电磁法在采区空洞勘查中的综合应用[J].地质找矿论丛,2006,21(增1):174-177.

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