地震波C T在隧道地质灾害探测中的应用

王 旭 ，张 晨 ，由 静 ，胡玉瑞

（1.中国航空油料有限责任公司云南公司，云南 昆明650200；2.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江 杭州310014）

0 引 言

地震波CT是一种新的工程物探方法，它可以从地质体（结构）的外部测量数据准确、可靠地反演出地质体内部结构的直观图像，具有分辨率高、可靠性好、图像直观等特点，在工程勘探中是一种很有效的勘测方法。故在本次隧道地质灾害的探测中，选用地震波CT的工程物探方法[1-6]。

某隧道为上、下行线分离的连拱隧道，该隧道里程为 K235+745～K235+980，全长 235 m，隧道位于 R=150 m，Ls=120 m，I=10%～2.37% 的圆曲线上，隧道净宽 25.24 m，中墙厚 2 m，最大埋深 63.96 m。隧道施工过程中，上行线K235+879～+889地段曾发生坍塌冒顶，隧道出口段 （K235+920～+970）边墙、拱顶与中隔墙发生移位、变形、破坏，隧道的质量和施工安全受到了严重影响。高速公路建设指挥部对这一问题非常重视。为确保隧道的施工质量和以后的运营安全，需要对隧道病害进行彻底治理。

1 工作原理

大量研究结果表明，地球内部介质广泛存在地震波各向异性[1]。在各向异性介质地震波的处理与解释过程中，常常需要走时和射线路径信息，如走时反演、偏移成像以及地震波层析成像等。地震波CT的探测方法也称地震波层析成像方法，其原理为：利用地震波射线对地质体（结构）进行透视，通过地震波走时和能量衰减的观测对地质体 （结构）成像。地震波CT技术是利用地震波在不同介质中传播速度的差异，确定一个沿路径积分的图像函数[2]。

即Radon变化，地震波在检测的物体中传播时，纵波的走时是速度v（x,y）和几何路径的函数，对于第i条射线，假设射线的走时为ti，则有如下积分式。

式中，n为射线的总条数，Ri为第i条射线的路径，将隧道断面的被检测区域离散成若干个规划的网格单元。其中重要的是记录每条射线穿过的单元和统计每个网格单元穿过的射线数目[3]。采用打靶法，由震源位置和接收点位置得到出射角，不考虑速度，从震源按直线路径追踪到接收点，记录下射线所穿过的单元。

根据地震波信号初至时间数据的变化，利用计算机通过这种重建的测试区域地震波速度场的分布特征，由此获得地震波走时数据，并进行速度v（x,y）分布反演来推断地质构造的位置、形态和分布状况。地震波CT特别适用于研究各类地层、构造、岩体、土体的分布界线及其力学性状，在工程地质勘查中常用来探查断裂带、密集节理带、含水带、空洞、风化带等不良地质体的位置、形状及力学强度等。

2 地震波CT观测系统布设和完成的工作量

为了查明隧道围岩坍塌的地质原因、范围和岩体中断裂带的发育、延伸情况及其力学性状，在本次隧道围岩的工程地质结构勘查中，地震波CT作为首选方法。地震波CT技术用于工程病害诊断时，最关键的环节是设计有效的观测系统。为了保证本次探测的有效性和完备性，即保证足够的射线密度和射线正交性，勘探中布置了6条地震波CT探测剖面，即观测系统由3条横向剖面、2条纵向剖面和1条隧道与小曼萨河道的侧向剖面组成。观测系统示意图见图1。

图1 地震波CT观测系统立体示意图Fig.1ThreedimensionaldiagramoftheseismicCTdetection system

2.1 地震波CT观测系统的布置

2.1.1 K235＋799、K235＋950、K235＋910 横剖面

K235＋799剖面沿＋799里程垂直隧道轴向布置，从地表垂直向下，位于隧道入口端孤石之外，与山坡斜交。该剖面观测由三个排列组成，第一排列是在上行线隧道内布置48个检波器接收，沿山坡由下向上放炮，炮间距为2～4 m不等，炮点为100个；第二排列是将接收点移到下行线边墙导洞中，24道接收，山坡上放炮，炮点分设在山脚下和山顶上，共放48炮；第三排列接受点在山脚下，48道接收，炮点在山坡上，炮点为 20 个。K235＋910、K235＋950剖面垂直于中线，在上行线和下行线内，沿边墙和拱圈各布置24个检波点，共48道60 Hz检波器接收。在山上布置激发点，激发点与隧道内接收点保持在一个垂直面内，炮点为101个，炮间距为2 m，地面测线长200 m，采用爆炸震源。为了准确探明沿斜坡地表松散体及风化层的厚度和分布，在进行了洞内采集后，又将48道检波器布置在地面激发测线的山下一侧，道间距为2 m，在山上一侧激发了8炮。

2.1.2 上行线中墙和中道、下行线右边墙角坑纵剖面

在上行线 K235＋897.5～＋947 和下行线 K235＋894～＋959.2段中墙墙角分别布置了24和48道检波器，在中道坑K235＋779～＋873段的右边墙角布置了48道检波器，共72道接收，道间距为2 m，测线长168 m。在K235＋759～＋965段地面，沿洞内接收排列方向布置激发点，激发点与隧道内接收点保持在一个垂直面内，炮间距为2 m，测线长206 m，采用爆炸震源，共激发了104炮。

2.1.3 上行线中墙和中道坑与河道侧向剖面

在上行线 K235＋897.5～＋947 段中墙墙角布置24道检波器，在中道坑K235＋779～＋873段的右边墙角布置48道检波器，共72道接收，测线长168 m。采用爆炸震源，炮间距为2.5 m，在河道内激发195炮。

2.2 实际完成工作量

地震波CT剖面实际测量点共1 047个，其中检波点408个，炮点789个，实际激发789炮，观测地震波射线计43 896条。具体见表1。

2.3 观测系统的合理性及完整性评价

观测系统的合理性及完整性是通过地震波射线穿过观测区域内每个单元的射线密度和正交性来衡量的[4]，射线密度和射线正交性是评价观测系统合理性及完整性的两个重要指标，也是地震波CT方法自身评价其完备性及可靠性的有效手段。为保证地震波CT探测结果的分辨率和可靠性，要求探测区域内每个单元穿过的射线超过40条，并且要求每个单元内穿过的射线其交角的正弦大于0.87，即至少有一组射线的交角大于60°。实际工作中，严格按照以上的技术要求对观测系统进行了认真的设计和布置。两条地震波CT剖面主要研究区的射线密度均大于100，射线正交性大于0.87的面积为90%。最后得到的成像结果是可靠的，分辨率可以达到理论数值，即单元尺度的1／2。

表1 各断面完成的工作量Table 1 :Workload completed on each cross section

3 探测结果

此次探测使用地震波CT方法取得了丰富的资料，6个地震波CT剖面共观测地震射线43 896条。由于上行线K235＋879～＋889地段曾发生坍塌冒顶，隧道出口段（K235＋920～＋970）边墙、拱顶与中隔墙发生移位、变形、破坏，所以这是探测中的重中之重，图2和图3为探测成果图，其中图（a）为速度色谱图，图（b）为地质解释剖面图。

由图2、图3可看出，微风化和未风化的岩体波速为 2.0～4.0 km／s，中等风化岩体的波速为 1.3～2.0 km／s，强风化岩体的波速为 1.0～1.3 km／s，与花岗岩类同等级的风化层相比都偏低0.5 km／s左右，松散土层的波速小于1.0 km／s。该隧道地震CT剖面的观测结果清楚地显示了隧道周围的工程地质结构特征，以及岩体的力学强度分布。地震CT与地质分析结果说明，隧道周围的花岗片麻岩节理、裂隙十分发育，风化严重，属节理裂隙岩体类型。节理风化带宽达几米到十几米，由砂与粘土填充，K235＋879～＋889处的塌方冒顶就与节理带有关。隧道出口段围岩的类型略有不同，为松散堆积。堆积体由岩块、砂与粘土组成，砂与粘土的含量较多。隧道围岩波速偏低，整体完整性较差，特别是上行隧道顶部。

图2 隧道上行线中墙和中导坑纵剖面地震波CT探测成果图Fig.2 Detection result by seismic CT of the longitudinal cross section ofthemiddlewallandmiddleheadingontheuplink of the tunnel

图3 隧道上行线、中导坑与河道剖面地震波CT探测成果图Fig.3 Detection result by seismic CT of the cross section of the middle wall,middle heading and the river on the uplink of the tunnel

4 结语

本次综合物探基本查清了隧道出口段破坏与山体侧移的原因，查清了隧道中部塌方冒顶的地质背景，对隧道病害治理提出了参考性建议，达到了预期目的。勘测的主要结论可归为以下几点：

（1）隧道所处山体的基础是稳定的，不存在大型滑坡的条件。

（2）隧道围岩有3个局部非稳定区，分别为出口段（里程 K235＋940～＋970）松散堆积，中段拱顶（里程 K235+820～+940）5～20 m 的松散层， 以及山坡浅表松散层。

（3）隧道出口段非稳定区的产生及隧道的破坏，是由于出口段松散堆物在饱水情况下发生变形和侧移，对隧道产生侧向推力造成的。

（4）隧道中部K235+879～+889段的塌方冒顶是拱顶松散层与垂向节理带填充松散物失稳的结果。

[1]赵爱华，张美根，丁志峰.横向各向同性介质中地震波走时模拟[J].地球物理学报，2006，49(6)：1762～1769.

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[3]段心标，金维浚.井间地震层析成像初始速度模型[J].地球物理学进展，2007，22(6)：1831～1835.

[4]肖宽怀,刘浩,孙宇,等.地震CT勘探在昆石公路隧道病害诊断中的应用[J].地球物理学进展,2003,18(3):472～476.

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