花岗岩风化残留体地震法探测应用研究

李 洋，党如姣，朱培民，杨克斯，范 俊（.中铁隧道集团有限公司技术中心，河南洛阳 47009；.中国地质大学（武汉），湖北武汉 40074；.中国地质大学（北京），北京 0008）

花岗岩风化残留体地震法探测应用研究

李 洋1，党如姣1，朱培民2，杨克斯2，范 俊3
（1.中铁隧道集团有限公司技术中心，河南洛阳 471009；2.中国地质大学（武汉），湖北武汉 430074；3.中国地质大学（北京），北京 100083）

摘要：花岗岩风化残留体会给城市地铁盾构施工带来极大的风险，为保证盾构在存在残留体的地层中顺利掘进，需提前探测出其在隧道沿线的分布情况。较之传统的钻探探测方法，地震法探测具有环境干扰小、效率高、覆盖范围广且成本低廉的优势。文章针对南方地区花岗岩地层特征及城区环境特点，对目前常用地震探测方法的适用性进行了试验研究，认为浅层地震反射法对于孤石探测是行之有效的，采用横波探测可以提高探测准确度。所得出的结论可供以后孤石探测工作参考借鉴。

关键词：盾构隧道；花岗岩；孤石；地震法；探测

0　引言

我国南方花岗岩发育地区城市地铁建设中，盾构施工常会遇到花岗岩风化残留体，俗称孤石。其形状各异，随机分布，大小从几十cm到几m，埋深10～30 m，强度可以达到200 MPa以上。孤石会给盾构隧道施工带来极大风险，盾构机掘进中若遇未探明的孤石，会导致喷涌、塌方、刀盘被卡住或严重磨损等多种意外情况，对地铁施工、环境保护、工期和投资控制造成重大不利影响［1－2］。目前探测孤石的方法主要有地质钻探和工程物探2类。孤石的发育无明显规律，埋藏及分布也较为随机［3］，很难通过地质钻探探明所有区域的孤石分布情况；同时在城区环境中进行钻探作业耗时长、成本高且常常会受到场地条件制约难以开展工作。相比于传统钻探方法，通过在地面进行工程物探，可以大大节约探测时间和降低成本，且可覆盖隧道全部施工范围，因此越来越受到技术人员的青睐。

但目前国内针对物探方法探测孤石的研究较少，而针对地面地震法进行孤石探测的研究和探索更为鲜见，刘宏岳以台山核电站取水隧洞工程为例，通过现场应用证明地震法进行孤石探测是可行的，并通过钻孔验证了物探成果的准确性［4］；徐佩芬等结合深圳地铁7号线车公庙—上沙段区间二维微动探测孤石试验表明，二维微动剖面技术探测“孤石”是有效的，微动视s波速度剖面可给出岩土层风化程度的判断信息，为工

程建设提供地球物理依据［5］。以上研究只针对2种地震探测方法进行了研究，且文献［4］所结合的工程背景为水下环境，与城区环境截然不同。本文针对南方地区花岗岩地层特征及城区环境特点，对目前常用地震探测方法的适用性进行了试验研究，为后续相关研究提供参考和借鉴。

1　物探方法的选择

目前城市地铁的建设深度一般在20～30 m范围内，在这样的埋深范围内可探明直径1 m以上的孤石，实际的孤石横向粒径与勘探深度之比γ＝0.05～0.03，该比例小于《城市工程地球物理探测规范》中所要求的γ＝0.01。在地面探测的方法中，位场方法（如电阻率法、重力和磁法等）由于分辨率低且实际探测中其横向粒径与勘探深度之比多在0.3以上，难以用于孤石勘探；波场方法（如地震法、电磁波法等）的分辨率取决于介质中波的波长，工程中常用的探地雷达技术，可以达到孤石探测的分辨率要求，但由于电磁波在南方城区的浅层含水黏土介质中能量衰减较快，难以达到探测深度的要求；相对地面物探方法来说，井中物探方法能够更加接近地质目标，有相对较高的分辨率，但钻井不能高密度布孔，且工作效率低、成本较大。

因此，就目前孤石的深度和勘察条件来说，可选的最佳物探方法是地面地震探测法［6］。在该研究区域内，本文选取波场方法中的地震法进行试验研究。

2　地面地震探测法基本原理

2.1浅层地震反射波法

浅层反射波法是利用人工激发的地震波在岩土界面上产生反射的原理，对浅层具有波阻抗差异的地层或构造进行探测的一种地震勘探方法［7］。此方法不受地层速度逆转限制，可以探测高速地层下部的地质情况。浅层反射波法的应用条件有［8］：1）被追踪对象与其周围介质应存在明显的波阻抗差异；2）被追踪对象应具有一定的大小，且应大于有效波波长的1／4。

孤石一般在花岗岩风化层中较为发育，在东莞某地铁区间取芯测试结果见表1，孤石（即花岗岩风化残留体）与周围的花岗岩风化层存在显著的波阻抗差异，这为地震法勘探提供了较好的物理背景。

表1　地层及孤石波阻抗测试统计表Table 1 Statistics of wave impedance

地震波的理论探测分辨率主要取决于地震波的波长［9］，从已有的该地区地震资料推算在地层中地震纵波和横波的基本特征参数为：纵波平均速度约1 300 m／s；横波平均速度约250 m／s；纵波主频为200 Hz；横波主频为40 Hz。由此估算的地震波长为：纵波波长约6.5 m；横波波长约6.25 m。由此可见，纵横2种波长基本相等。根据地震勘探理论，地震信号的横向（水平）分辨率决定于第一菲涅尔带半径

式中：h表示勘探深度；λ为地震波波长。若勘探深度为20 m，由此可以估计在东莞、深圳地区黏土介质中R＝8 m，即在横向上小于8.0 m的地质体难以区分出它的形状，但在实际勘探中，可通过反褶积等数据处理方法提高有效信号频率，从而进一步提高分辨率，同时还可以根据绕射记录发现小于第一菲涅尔带半径、大于1／4波长的地质体。

地震信号的垂向分辨能力取决于地震波长，即大于1／4波长的地质体可以分辨出来，由此可以估计，约1.56 m厚的地质体可以从地震剖面上分辨出来。特殊情况下，1／8波长（约0.78 m）的地质体也能够清晰分辨出来。

另外，根据地震勘探的基本原理，在勘探深度较浅的情况下，偏移距越小，速度越低，分辨率越高，且SH型横波不会产生转换波，波场相对简单，有利于做出更加准确的分析，故从理论上说横波勘探要优于纵波勘探，在实际应用中，应优先选择横波震源作为地震波的激发震源。

2.2地震面波法探测

地震面波勘探常单指利用Rayleigh波进行勘探。Rayleigh波应用多集中于近地表勘探领域，在工程地质勘察、地质灾害检测与评价等领域中常以有效信号被拾取。

Rayleigh波沿自由界面传播，在垂直于自由界面方向上呈指数衰减。非均匀介质中Rayleigh波是频散波。可用面波进行勘探是因为它具有2个明显的特征：1）层状介质中面波具有频散特性，即相速度随着频率（或波长）的不同而改变，且不同频率反映不同深度范围内介质的性质［10］；2）面波相速度与横波速度具有很好的相关性，故可以利用地震面波探测来获得探测区域范围内地下的强度分层信息，从而对不同地

层进行划分［11］。

3　地面地震法探测试验

3.1地震面波法探测

探测试验地点位于城市道路绿化带内，地层为典型的花岗岩风化地层砂质黏土及填土。试验采用Summit Compact地震仪和10 Hz检波器，检波器间距为1 m，炮点间距采用3，6，9 m。采用24通道全排列接收数据，探测成果见图1。由上述处理结果可知，在横坐标0～11 m，纵坐标深度18～30 m范围内存在高速异常，图中黑色粗线判断为地层分界线，上下2层速度差异较大；其余部位未发现异常。

通过与钻孔资料进行对比，发现对于基岩面的判断与钻孔资料基本相符，但钻孔在横坐标33 m，纵坐标5 m位置处揭示存在的2 m粒径孤石却未能探测出来。

图1　隧道右线某区域地震面波法探测剖面成果图Fig.1 Detection result of an area of the right tunnel tube by seismic surface wave method

多次试验表明：地震面波法只能探测出具有一定延伸范围的基岩面，对于孤立存在的孤石探测效果较差。

3.2地震映像法探测

探测试验地点位于城市道路绿化带内，地层为典型的花岗岩风化地层上覆砂质黏土及填土。试验采用Geode地震仪，偏移距12 m，道间距0.5 m，采样间隔0.125 ms，记录长度1 024 ms。图2为地震映像法探测结果，图中黄色线条圈示范围为孤石范围。通过补堪钻探，该处孤石埋深16.5～19.5 m，孤石横向范围4～5 m。探测结果与钻孔揭示情况基本一致。

由试验结果可知，地震映像法探测孤石是行之有效的。通过对地震映像法剖面中同相轴和绕射的识别可以基本确定地下孤石大概位置与规模，但由于纵波法分辨率较低，很难确定孤石具体大小与边界情况。可以考虑利用横波法进行进一步探测，或通过钻孔对孤石进行具体定位。在城市路面条件下地震映像法震源激发容易实现，且探测效率较高。

图2　纵波地震映像法探测结果Fig.2 Result of Pwave seismic imaging method

3.3地震横波反射法探测

探测试验位于城区主干道路上，地层为典型的花岗岩风化地层上覆砂质黏土及填土。Geode地震仪采集，观测系统采用46道接收，测线长度46 m，道间距1 m，采样间隔0.5 ms，记录长度1 024 ms，激发震源采用德国Geosym公司研制的ElViS（20～160 Hz）可控震源，在每个激发点按正负2个方向激发。探测成果见图3，地质剖面见图4。

通过对试验结果与实际钻孔进行比较发现，探测的微风化残留体埋深、发育范围与实际钻孔揭示情况基本一致。

试验证明采用地震横波反射法探测孤石是可行的，但在城市道路上横波震源激发最好采用特制横波震源，以尽可能降低干扰，提高探测精度。

图3　地震横波反射法探测剖面成果图Fig.3 Crosssection result of Swave reflection method

图4　钻孔地质剖面示意图Fig.4 Drilling geological profile

4　结论与建议

1）浅层地震反射法对于南方城区花岗岩孤石探测经现场试验检验是适用且有效的，可以大大缩小钻探盲区，减少孤石风险。

2）地震法探测分辨率有限，适用于沿线孤石群的探测；应用横波反射法在探测效果上要明显优于纵波反射法，在条件允许的情况下应尽量采用横波法探测。

3）在考虑经济性和效率等因素的情况下，建议在勘查设计阶段采用地面地震法进行全线的探测排查孤石发育区域；同时在具备钻孔条件的重点区域内，建议联合采用分辨率较高的井中物探方法进行探测联合解译，以提高探测精度，降低误判概率。

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Application of Seismic Method in Detection of Weatheredgranite Boulders

LI Yang1，DANG Rujiao1，ZHU Peimin2，YANG Kesi2，FAN Jun3
（1.Technology Center of China Railway Tunnel Group Co.，Ltd.，Luoyang 471009，Henan，China；2.China University of Geosciences（Wuhan），Wuhan 430074，Hubei，China；3.China University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China）

Abstract：Weathered granite residual usually causes enormous risks to the shield tunneling in urban Metro construction.Therefore，detection must be carried out in advance along the tunnel alignment，so as to ensure the successful driving of shield through the formation with granite boulders.Compared to the traditional drilling method，seismic method has obvious advantages such as less environmental interference，high efficiency，wide coverage and low cost.In the paper，the applicability of common seismic detection methods is studied on the basis of the characteristics of granite formation and urban environment in south China.Conclusion is drawn that the shallow seismic reflection method is effective in boulder detection and that the detection accuracy can be improved by Swave detection.The paper can provide reference for the detection of boulders in future works.

Key words：shield tunneling；granite；boulder；seismic method；detection

作者简介：李洋（1984—），男，河南新安人，2006年毕业于中国地质大学（北京），土木工程专业，本科，工程师，现从事隧道及地下工程研发工作。

收稿日期：2014－09－16；修回日期：2015－03－25

中图分类号：U 455

文献标志码：A

文章编号：1672－741X（2015）05－0435－04

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.05.007