贵阳市城市轨道交通集团有s限公司 贵州贵阳 550081
摘要：地震散射技术适用于地质构造十分复杂的非均匀地质体，在喀斯特地区地铁建设岩土风险管控过程中能精确探察不良地质体的空间分布范围。本文以地铁x号线某标段为例，利用散射波地震勘探技术，通过SSP采集系统采用小炮间距采集数据、运用Radon双曲滤波，合成孔径成像，再辅以钻探验证精确定位异常区域，最后依据钻探孔资料对异常区域进行处理，有效避免地面沉降和塌陷、管线沉降和破损等施工风险，确保地铁安全建设。
关键词：散射波；地震勘探；非均匀介质；风险管控
0引言
地震勘探技术随着时代的变化不断发展，上世纪80年达以前，多为折射法。上世纪80年代后反射地震开始投入应用，反射地震的理论是建立在层状地质模型的理论基础之上的，其对沉积地质结构的勘探尤其是石油和煤炭等大型地质体的探察做出了卓越贡献。随着时代的发展，我国城市建设如火如荼，尤其是随着西部大开发，西南地区地铁建设的发展尤为迅速，适用于大型目标体且建立在层状地质模型理论基础上的反射理论的适用性得到了极大的制约。西南山区尤其是贵阳地区，地质构造十分复杂，且为岩溶地区，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[1]出版的《定量地震学》为大家带来了曙光。从2003年开始，赵永贵[2]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。通过对数据采集方式、数据处理方法、软件技术、硬件技术、解释原理等等进行系统的研究开发。散射波在非均匀介质中波的传播——确定性和随机性在非均匀介质中地震波的传播已成为当今世界各国科学家研究波动理论的热点[3]。到2013年，已经基本完成了地震散射实用勘探技术的开发与应用研究工作。在山地构造、采空区、岩溶、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，初步完善形成了地震散射剖面法SSP（Seismic Scattering Profile）。
由于贵阳复杂的岩溶地质条件，在地铁1号线和2号线施工过程中出现的主要工程地质问题为地面沉降和塌陷、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，前期的勘察和施工过程中的监控量测、超前地质预报等工作不能充分解决上述问题，施工风险将经常处于被动处理状态。因此，进行有效的地下空间岩土工程风险管控工作是有必要的，而地震散射剖面法（SSP）作为岩溶探察的一种有效手段在岩土工程风险管控工作中不可或缺。
1原理
地震散射理论是非均匀介质中地震波传播的普适理论。地震波在非均匀介质和均匀介质中的传播规律完全不同。散射波是波与介质相互作用的产物，当波入射到均匀弹性体内时，波不改变传播方向，只是简单地通过，不会激发任何波[4]。但是当波入射到非均匀介质时，就会在介质中激发出散射波。此时介质中不但有入射波传播，还有散射波传播。
1.1散射波传播产生与传播规律
N.布莱斯坦等（2000年）用速度扰动法研究了散射波控制方程，弹性介质中地震波传播的控制方程为：
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(1)
其中u为纵波位移，v为波速，t为波的走时。
（1）波在介质中传播的总波场包括入射波uI和散射波us，uI＞＞us
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（2）
（2）波在非均匀介质之间传播，介质差异性较大时，波速会发生陡变，陡变差异系数α(r)可表示为：
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（3）
Vo为入射波速，当α(r)为正时，表示波从低速区转向高速区，反之则为高速区转向低速区。
联立（1）、（2）、（3）方程可得：
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(4)
该式的物理含义表明，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α与入射波的惯性力的乘积成正比。
1.2散射波数据的采集
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图1地震散射原理示意
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，详见下式：
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（5）
α（r）表征该处波阻抗差异，其出现的位置也代表散射点所在的位置。
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。
1.3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。
（1）二维滤波
散射波属于二次波，因此具有能量弱，传播距离短的特点，且受各种信号干扰严重。须首先对共炮点记录进行滤波处理，消除干扰波和环境噪声，提高散射波的信噪比。通常采取的滤波技术包括F-K二维滤波技术和 Radon双曲滤波技术。其中滤除具有线性走时的各类干扰波宜采用F-K二维滤波技术；在城市地区地下环境复杂，像多次波、障碍物反射声波及噪声较多，Radon双曲滤波技术更加适用。
（2）速度分析
散射波法数据处理最关键的环节就是速度分析。它以共炮点记录为对象，通过Radon变换，将时间-空间域的地震记录，变换到时间-速度域，以方便地展现散射界面的时间深度和对应的波速。如下图2所示。
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（a）时间-空间域地震记录 （b）时间-速度域地震记录 （c）炮点垂直速度剖面
图2 数据图像处理
时间-速度域地震记录图像中能量的极值点对应这散射界面的时间、平均波速和散射能量的大小，由此可获得散射界面的深度、地层的波速和散射强度，构建炮点的垂直速度结构剖面。
散射波法采用的是小排列观测系统，采用小距离炮间距，每一炮点数据代表其附近垂直下方的地质情况，多个炮点数据横向联合则会构成二维速度分布剖面图。这就是速度分析的基本原理。
(3)合成孔径成像
对滤波后的地震记录按着延时叠加的原理，进行合成孔径成像。其中散射强度α为关键值，散射强度α大表征波阻抗差异大，散射界面散射强，界面两边介质差异大；散射强度α小或者为零，则表示该处没有分界面。偏移图像是空间域的图像，以α的数值大小表征地质界面的空间分布和波阻抗差异的大小。
偏移成像结果主要反映地质界面空间位置、分布形态，做为地质结构解译的依据。
1.4散射波法的适用对象
地震勘探对象是否能被探察到，主要取决于三要素：①异常体的尺寸与地震波长的比值、②波阻抗异常的幅值、③异常埋深。
散射波的强度与波阻抗差异及体积成正比，与距离成反比。波阻抗差异小、体积小于波长1/10的异常体散射波太弱，难以发现；近炮点的散射波能量较强，容易被发现。
运用地震法对城市地铁工程地质的勘探属于浅层勘探，使用的地震波的主频在100-1000hz范围，岩土波速在500-3500m/s范围，地震波的波长介于1-10m之间，散射探测的主要目标体大小在0.5-10m左右。
2工程实例
地铁x号线x标段x区间隧道停车线，设计起讫里程为：K15+080~267，隧长187m。隧洞为单洞双线结构，线间距为14m，隧道拱顶埋深14.2~14.6m，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，且有串珠状溶洞，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）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，是非常有必要的。由于该段地表为城市主干道，无法采用钻探等影响交通的手段，故采取地震散射剖面法（SSP）这类不损毁路面、对交通影响极小的探察方法非常有效。
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图3a L1测线ssp二维层速度剖面图
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。SSP地震波散射采集系统分别配40Hz主频检波器和20Hz主频检波器；采用32道检波器，每道检波器间距0.5m，检波器链共计长度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。
2.1 探察成果及现场开挖验证结果
经过以下步骤：① 波场分离→②速度重建→③地质界面偏移成像，生成剖面图。
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图3b L2测线ssp二维层速度剖面图
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图3c L3测线ssp二维层速度剖面图
根据地震散射波法（SSP）探察成果地层波速分布剖面可知：
①覆盖层的波速较低（600-1600m/s），为深蓝色--浅蓝色，表征红黏土层和回填层，该段地层岩土分界面为5-8米。下伏岩体的波速较高（1600-3500m/s），为黄色--深红色，表征着强风化岩体和中风化岩体。
②本次测线区域存在两处异常区域：
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根据钻孔验证资料，隧道大断面掌子面左肩部位已经被竖向溶槽贯穿，地下水位高于隧道拱顶，且该处破裂且上方存在一根雨水管和一根污水管，如不进行预处理，在开挖过程中极易掌子面涌水突泥，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，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。
3结语
通过大量理论与应用研究对比，该方法的精度时效性是其它地震波法测量方法所无法比拟的，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察，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，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精度。地震散射波法正好弥补了以上方法的缺陷，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对不良地质体进行探察，能精确定位不良地质体的规模、空间分布，提前做出预处理，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。
散射波地震勘探技术的研究与应用目前还处于初级阶段，地震散射的理论适合比较复杂的地质模型，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。
参考文献
[1]安艺敬一,P.G.理查兹著.李钦祖,邹其嘉等译.定量地震学第一卷[M].北京:地震出版社,1986.
[2]赵永贵,蒋辉,赵晓鹏.Tunnel seismic tomography method for geological prediction and its application[J].应用地球物理(英文版),2006,003(002):69-74.
[3]李清河.在非均匀介质中波的传播——确定性和随机性[J].国际地震动态,1994(6):2-6.
[4]尹军杰,刘学伟,李文慧.地震波散射理论及应用研究综述[J].地球物理学进展,2005,20(1):123-134.
作者简介
任登富（1978-），男，高级工程师，工程硕士，主要研究方向:隧道与地下工程施工与建设管理。