地震映像法在洋碰隧道病害处治效果检验中的应用

何志军 张彦龙

（广东华路交通科技有限公司，广东 广州 510420）

岩溶区隧道水害问题频发，洋碰隧道穿过的山体岩性主要为中厚层～薄层灰岩，夹有泥岩及钙质页岩，该区断裂构造十分发育，隧址区内发育规模不等的主干断层有17 条。在施工期至运营初期，洋碰隧道发生过多次严重的涌水涌泥，出水点水量大，泥沙含量曾高达 20%～50%。2015 年5 月在日常养护巡查中发现隧道南行北京端离洞口约 300m （K76+660 左右） 沿超车道路面中心集水井向外涌水涌泥，涌水量约为300m3/h，并含有大量泥沙，并迅速将隧道超车道侧边沟堵塞，造成路面大量积水积泥，随即进行隧道水害专项处治，针对地表岩溶塌陷及衬砌背后岩溶进行回填处理，衬砌结构进行加固同时加强隧道排水能力［1］，最终利用地震映像法对处治效果进行验证。

1 地震映像法简介

地震映像 （又称高密度地震勘探和地震多波勘察） 法是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的一种常用浅层地球物理勘探方法，常用于浅层单一的目标层探测。该法以固定的小偏移距移动激发点及接收点，从而对目的层进行连续的扫描，利用接收的各类波形进行动力学分析，最终确定目标地质体的位置及形态等信息。其采集方式与共偏移距反射波法相同，但是两者数据处理方式不一样，地震映像法不需要进行动校正、叠加等步骤，因此可以减少反射波动校正引起的波形畸变而产生的误差。数据处理可以在时间域、空间域和频率域中进行，结果可以用波形图或彩色振幅图显示，同时进行运动学和动力学方面的解释分析。

地震映像法可以利用除常见的反射波、折射波、绕射波外，还可以利用有一定规律的面波、横波和转换波，可以采用单一检波器接收，也可用多道检波器。在公路隧道的隐伏岩溶探测时，因为交通组织封闭存在一定的安全隐患，常采用单道检波器，2～3 名施工人员，激发震源采用铁锤即可，后期数据处理时不需要常规地震反射波繁琐的处理流程，是一种可以适应复杂工作环境、快速、经济的物探方法。

2 地震映像法基本原理

地震映像法是采用共偏移距法，激发和接收的中点，反映中点两侧射线传播范围内地下的岩层、岩性的变化，同时要进行试验选定最佳偏移距，此最佳偏移距不只是局限于针对采用的反射波、折射波或面波的最佳，而且对于全波列而言是最佳偏移距。

2.1 采用折射波进行地震映像法

在实际工作中，如选择折射波作为有效波，则在地震映像波形图上的第一个同相轴为折射波，折射波同相轴的变化，反映了折射界面深度和界面以上介质速度的变化。界面水平时，折射波到达时间反映激发点下界面深度，也是界面上各点的深度，而界面起伏时，折射波到达时间只能表示滑行波传播路径内界面的平均深度。需利用其它方法确定界面倾角、界面速度和上覆介质速度，其波形传播路径图如图1 所示，折射波的传播时间公式见 （1）。

图1 折射波的波形传播路径图

采用折射波为有效波适用于快速探测基岩面较浅、覆盖层速度稳定的情况。当地质条件复杂或要求精度较高时，不宜仅采用折射波为有效波。

2.2 采用反射波进行地震映像法

采用反射波作为地震映像法适用于存在波阻抗差异的各种地质条件，最终以反射波同相轴的变化作为地质解释的依据，其波形传播路径图如图2 所示，反射波的传播时间公式见 （2）。

图2 折射波的波形传播路径图

当界面深度发生变化时，反射波的传播时间会发生变化，如在断层两侧表现为突变；如果是倾斜界面，反射点的位置会偏移记录点向界面的上倾方向移动。同样可根据反射波同相轴的变化情况定性推断界面的起伏情况。

2.3 采用面波进行地震映像法

地震映像法里利用的面波是在地下一定深度内从震源传播至接收点的含有多种频率成分的、有多个相位的面波群。面波群的形态受偏移距范围内覆盖介质密度、泊松比等因素的影响；相位数与覆盖层数的厚度、介质物性和偏移距有关，面波群振幅的大小与介质的松散情况有关；面波群的到达时间的变化与地层产状、地层中局部地质体的位置有关。

3 应用实例

3.1 地质概况

洋碰隧道位于大瑶山山脉南端西麓构造剥蚀、风化、堆积的中低山沟谷区，处于近南北向的大瑶山复背斜南倾覆端偏南西的部位。隧道出口为寒武系砂岩，中部为隐晶质灰岩，LK77+570～870 段位于灰岩与砂岩交界的灰岩端，在岩性交界部位存在一主断层，形成纵多的次生断裂和裂隙，在长期地下水活动的作用下，在断层附近形成了极为复杂的岩溶发育带［2］，图3 为位于F6 断层的09T09 塌陷现场情况。

图3 洋碰隧道F6 断层的09T09 现场塌陷情况

3.2 工区地球物理特征

通过对现场进行的地震地质条件及岩石标本测定调查，发现隧道混凝土层与浅部基岩之间有明显的波阻抗差异和波速差异，混凝土层P 波波速在 2500～4000m/s 之间，同时受风化、剥蚀作用，浅部基岩为中至弱风化灰岩，P 波波速在2500～5000m/s 之间，空洞及岩溶中 P 波波速在300～2000m/s 之间，明显具有不同物性差异层面，可形成反射界面。溶洞填充物与围岩会有明显的波阻抗差异和波速差异，可形成地震波反射或绕射，地层存在较大的波速差异，具备开展地震映像法的地球物理条件。

3.3 病害处治前地球物理勘察

本次地震映像法使用美国产NZ24 浅层地震仪，国产反射检波器。先进行振幅、相位一致性的试验，将振幅误差控制在0.01%，相位一致性误差控制在20μs 以内，以满足地震映像法试验要求。

（1） 现场试验及工作参数的确定

数据采集选取5m 的偏移距，主要根据目标层的有效波信号来确定最佳偏移距。其他采样参数选为采样间隔 0.0625ms，记录长度 256ms，带通预波20～300Hz，大功率高频磁致震源，测点距1.0m，共设置测线五条，测线布置图如图4 所示。

图4 地震映像法测线位置断面图

（2） 野外数据采集

现场采集时，根据提供的里程桩号，用皮尺测量并布置激发点及检波点，定位误差一般小于0.05m。检波器用石膏安装在水泥地上，并逐个检查，确定检波器安装状态良好才开始激发接收。采集记录时，开启仪器的噪声监测功能，确保环境噪声较小时才激发接收。现场发现不合格记录马上重测，以保证合格率为100%。

（3） 数据处理及地质解释

本次探测结果发现7 处构造异常处，8 处溶槽、溶蚀带，疑似岩溶共64 处，且可能存在充填物，总计异常79 处。

表1 物探推断异常说明

3.4 洋碰隧道在水害处治后的物探效果验证

（1） 工作参数及数据采集

通过地震映像法对渗漏水处治效果进行验证，与处治前相比偏移距、采样间隔、记录长度、测线数量及测线布置都相同，而点距进一步加密采用0.5m，最终采集原始记录1004 张 （不包含废炮），测线长度500m，全部记录合格 （已剔除不合格记录，不合格记录经一次或多次重测后合格），其中优良以上记录950 张，占94.6%，满足规程相关规定。

（2） 资料处理

一般地震资料需进行静校正、动校正的处理，但由于地震映像法采用同一偏移距，且为单炮激发及单道接收，因此采集的信号在时间轴上的变化可直接反映底下连续体的初步形态，只需进行激发点及接收点的高程校正，无需进行动校正处理，本次数据处理与处治前数据处理大致相同，但增加了声波压制及二次反褶积的步骤，主要步骤如图5 所示。

图5 带声波压制的的地震映像法数据处理流程

在记录输入后进行解编、抽道集以及坏道填充等预处理，之后将炮点及接收点高程输入软件进行地形校正；由于本工区预先已知溶洞较发育，需对数据进行道均衡处理，主要针对波形的球面扩散及随深度变化的吸收进行补偿；道均衡处理完毕后对原数据进行频谱分析，找出采集信号的主频范围从而对数据进行各类滤波处理，图6 （a） 频谱可知，采集信号的主频范围大概是20Hz～150Hz 之间，其中 100Hz 左右有明显的声波干扰，因此采用F-K 滤波等可以较好的压制在隧道内采集时由于激发点的敲击或过往车辆造成的声波、面波等干扰信号，提供数据的信噪比，但需要注意的是要尽量较少滤波处理对有效信号的伤害，最终通过压制声波后的信息频谱分析图如图6 （b） 所示，可见 100Hz 左右的声波得到了较明显的压制。

图6 测线2 采集信号的频谱分析图对比图

反褶积处理是进一步增加采集信号的信噪比，压制多次波等干扰信号，同时起到对高频信号的补偿作用，选择的方法有脉冲反褶积及预测反褶积，通过选择合适的算子长度及预测步长，不断调试实验从而选取最佳处理参数；最后利用钻孔资料计算土层平均速度进行速度分析，修饰处理后得出地震映像时间典型剖面图及地质解释图［3］。最终采用常规的地震折射波处理流程处理效果如图7 （a） 所示，采用本文声波压制的处理流程解释图如图7 （b） 所示，可见声波压制后信息同相轴连续性变好，分辨率有所提高。

图7 测线2 采集信号的数据处理效果对比

（3） 地质解释

在地震映像波形图上，若折射波或反射波能量减少且波形不易识别，面波能量突然增大，振幅增大，且波形变宽，则推断有岩溶异常区。通过与处治前同一测线位置信息处理结果对比，可得到本次采用声波压制数据处理流程解释后推断岩溶异常处有10 处，具体情况见表2 所示，其中异常宽度是指物探异常在横向上起止里程间的距离，异常深度是指物探异常在垂向上的埋深，相对于处治前87 处推断岩溶异常处减少了87.3%，处治效果良好。

表2 隧道岩溶勘察物探异常一览表

4 结论及建议

采用声波压制的地震映像数据处理方式，可以有效的对隧道内因车辆引起的声波干扰信号进行压制，最终通过对洋碰隧道渗漏水病害处治前后进行验证，相对于处治前推断异常处减少87%，但仍需对推断异常区进一步核查和加固，同时在运营期间加强对路面的沉降变形观测和结构层观测。根据本次地震映像法在隧道水害处治前后验证及信息数据处理的实践，提出以下建议。

（1） 地震映像法数据采集速度快，但抗干扰能力弱，且勘察深度有限。在单一的目的层、只需研究横向地质变化情况下，该法效果较好，当存在多个目标层时，数据处理难度较大，且采集时不易确定最佳偏移距。

（2） 对采集数据解释时要追踪隧道结构层底面反射，分析反射同相轴的连续可追踪性，如连续性不佳，则从滤波步骤开始重新处理，直至输出合格的结果为止，但声波压制的滤波技术不宜过度使用，否则会对有效信号产生损害。