高密度地震映像法在城市地铁隧道隐伏地质灾害探测中的应用

潘广山， 孟庆生， 胡庆辉， 毕征峰， 肖志广

(1.山东省第四地质矿产勘查院， 潍坊 261021；2. 中国海洋大学 山东省海洋环境地质工程重点实验室,青岛 266100)

高密度地震映像法在城市地铁隧道隐伏地质灾害探测中的应用

潘广山1， 孟庆生2， 胡庆辉1， 毕征峰1， 肖志广2

(1.山东省第四地质矿产勘查院， 潍坊 261021；2. 中国海洋大学 山东省海洋环境地质工程重点实验室,青岛 266100)

在复杂地质条件、复杂环境噪声干扰情况下，城市地球物理探测法是一种实用的方法。这里以青岛地铁隧道某区间段地质灾害探测为例，在分析外界环境噪声干扰的前提下，提出了探测方法选择的依据，进一步介绍了地震映像法应用中的一些具体问题。针对城市人类活动频繁，采取夜间施工的方式消除了噪声干扰。通过对场地地表条件的分析，改进了激发和接收条件。借助实测工程场地的试验剖面，确定了最佳偏移距，实现了高信噪比地震资料的采集。通过对典型地质体引起的异常特征分析，确定了资料解释的依据，并对探测剖面进行了详细分析。探测结果表明，高密度地震映像法在城市地铁隧道地质灾害探测中是有效、可行的。

地震映像； 城市地铁隧道； 地质灾害； 环境影响因素

0 引言

随着我国经济持续快速发展与城市化水平的提高，开发地下空间成为21世纪结构工程的重要发展趋势。作为一种重要的地下空间开发利用形式，城市地铁隧道已经进入高速发展时期，预计今后五年我国城市地铁将增加500 km～600 km或更多。城市地铁隧道工程是一项隐蔽工程，由于地下地质情况变化多样，经常会遇到断层、破碎带等不良地质体，而导致塌方、涌水和突水。与一般山区隧道、输水隧道工程不同，这类隧道工程多位于城市繁华地段，人口密集，高楼林立，地下管网等公用设施复杂多变。由于这些地质灾害地发生，不仅会导致设备损坏、人员伤亡，影响施工进度，甚至会导致局部城市基础设施的瘫痪，影响居民正常生活，造成更为严重地经济损失和社会影响。因此，加强隧道施工前的地质灾害勘查工作，准确了解地质灾害的类型、分布范围，空间规模对于隧道建设具有十分重要的意义。

对隧道地质灾害的探测，一般先采用物探方法沿线路进行带状调查，确定异常区后再用钻探验证[1]。常用的物探方法包括：①高密度电阻率法；②探地雷达法；③地震映像法；④折射波法等[2-7]。然而，由于场地条件和复杂的空间环境，再加上城市地铁隧道工程要求物探成果的精度极高，使得城市地铁隧道隐伏地质灾害探查存在不少方法和技术上的困难。这就要求在选择物探方法时，要综合考虑各种影响因素，选择合适的方式才能满足地铁隧道工程勘查的要求。我们针对青岛地铁某区间复杂地下与地表环境，在分析各种影响因素的基础上，对利用地震映像法开展地质灾害探测中的采集关键技术、异常特征进行了详细分析，通过实例验证了方法的有效性。

1 高密度地震映像法

城市地球物理探测(城市物探)是指将地球物理手段应用于特定环境下的一类探测技术[8]，具有探测深度小、精度要求高的特点。一般城市地铁隧道位于地下十几米至二、三十米的深度内，要查明浅层深度范围内的地质灾害发育状况，对很多物探方法来说都存在很大地挑战。常用的几种方法中，①高密度电阻率法可以保证足够的探测深度和分辨率，但因无法布设电极而难于开展工作；②探地雷达法的探测深度受限于发射天线的频率，通常低频天线穿透深度大，但目前低频天线多为非屏蔽式天线，受外界干扰大，无法保证分辨率，同时高频天线又不能保证足够的探测深度；③多道反射地震方法需要布设较长的排列，难以保证检波器与地面的良好耦合，其施工周期长、难度大，资料的信噪比也难以保证。综合考虑各种因素，采用近年来广泛应用的高密度地震映像法，将会在很大程度上消除上述不利影响。

1.1 方法原理

地震映像法[9-10]是以地下介质间的波阻抗差异为前提，利用人工激发的地震波，采用反射波法中的最佳偏移距技术，以相同的偏移距逐点移动来观测近震源处地震波信号的一种方法。该方法施工快捷方便、数据信噪比高、处理方法简单，且在资料处理过程中不需要进行动校正处理，能够保留反射波的全部动力学特征，地震记录上反射波同相轴随时间的变化(地下地质体的反应)，极大地提高了成果解释的准确性。在地质条件复杂、空间受限的区域得到了良好地应用。

1.2 城市物探影响因素分析

城市物探在城市规划、城市建设中解决了很多岩土、工程和地质问题。但在应用各类物探方法时，应该充分认识城市特定环境对城市物探造成的各种影响因素。

城市地铁隧道处于一种极其复杂的环境中，其最突出的特点是外界干扰源众多，严重影响了各种物探方法的应用效果。如车辆震动、人为环境噪声引起的地震反射波法数据中的附加噪声；高压电线、电缆和金属障碍物产生的附加电磁场对探地雷达和电法测量数据的影响[11]。这些因素都会降低物探数据的质量，影响判读的准确性。如何消除或减小这些影响因素的干扰，是目前提高探测效果所面临的主要问题。

1.3 数据采集技术及措施

在利用高密度地震映像开展城市地铁隧道地质灾害探测时，除了考虑干扰因素的影响，采集参数的设置至关重要，应从以下几个方面综合确定。

1)激发条件。反射波地震映像勘探一般是针对工程场地进行的，受场地位置以及现场施工状况的限制[12]。地表条件的不同会导致激发效果的差异。一般来说，地表为较低波阻抗介质时激发效果较好，如土质路面(需加垫板)、沥青路面；而对于刚性较大的水泥混凝土路面，则会因地表波阻抗大于下层介质，导致大部分能量被屏蔽。城市地铁隧道探测场地多为沥青路面，这时可采用重锤直接敲击地面的方式获得地震波。在遇到水泥路面或者浅表层有水泥构筑物时，则需要改变激发方式。

2)接收条件。接收条件包括检波器的选择和地表耦合状况。由于地层对高频信号具有较强的吸收衰减作用，考虑到松散覆盖层中面波的影响和分辨率因素，在选用检波器时，应选择固有频率高的检波器(60 Hz～100Hz)为主，这类检波器可以有效消除低频噪声。此外，沥青路面上直接布设检波器难以保证良好的耦合效果，可以采用将检波器安置在一定高度和体积的海绵垫内，然后在海绵垫上部附加重物的方式，这样既可保证良好的耦合效果，还可以消除外界声波地干扰。

3)最佳偏移距。就目前的数据处理和解释手段而言，地震映像法主要利用纵波反射信息。野外数据采集时，偏移距决定了地震波类型和反射波能量的大小[13]。反射装置中偏移距过小，反射波能量减小，面波干扰严重；偏移距过大，以纵波为主的反射能量就会向横波转化，增加资料的复杂程度。由于地质条件复杂程度和地表覆盖层厚度未知，不能生搬硬套理论公式，需要在工作场地通过试验剖面的方式来确定。利用试验剖面确定最佳偏移距的总体原则，是在保证反射波能量的同时，尽量避开各种干扰噪声，并确保直达波以及各层位的反射波能够区分开来。

2 应用实例

以青岛地铁隧道勘探为例。

2.1 工程概况

青岛地铁隧道某区间段地处市区繁华路段。钻孔资料揭示研究区内结晶岩系为元古界胶南群，缺失古生界沉积，中生代燕山晚期侵入岩地层，新生代地层喜马拉雅期侵入岩地层，新生代地层发育有第四系山前组、泰安组地层。研究区内地层具有明显的上软下硬结构，浅部覆盖层含砂量大，富水性强。大地构造位置为中朝准地台东部的胶辽台隆，处于胶南隆起区的东部，青岛——崂山凸起之上。区域断裂构造以北东向张扭性断裂为主，节理劈理发育，以NE、NEE、NW及NNW为主，构造面平直，倾角较陡。此外，钻孔资料还揭示岩体内发育有煌斑岩脉。

2.2 采集参数

野外探测采用吉林大学工程技术研究所生产的SE2404EE型工程地震仪。为避免外界噪声的干扰，采取夜间施工的方式，主要采集参数为：时窗长度为204.8 ms；采样点数为 2 048个；采样间隔为0.1 ms；测量方式为点测；测点间距为0.3 m；震源类型为18磅重锤。

在高密度地震映像法数据采集中，选择合适的偏移距非常重要，因此在工作场地采集了不同偏移距的试验剖面(图1)。

图1 不同偏移距试验剖面Fig.1 Test profile of different shot-receiver distance

由图1可知，当偏移距为10 m时，反射波记录中声波、面波能量较强，完全掩盖了深部地层的反射信号；偏移距为15 m时，声波减弱，但仍然存在较强的面波干扰；偏移距为20 m时，声波、面波干扰进一步减弱，同时深部地层的反射波可以辨识，并且直达波与各层位的反射波能够区分开来；而在25 m、30 m、35 m偏移距时，虽然干扰波能量很弱，但此时有效波也很弱，说明反射波能量衰减严重，资料信噪比大大降低。因此在数据采集过程中采用20 m的偏移距。

2.3 探测成果

地震映像法资料解释是根据获得的地震剖面上反射波同相轴的变化规律，反射波的波形、振幅和相位等特征，并结合地质资料推断地下层位、地质构造的过程。要获得准确的探测结果，必须了解各种地质灾害在剖面上的异常特征。

2.3.1 断层、裂隙破碎带

识别断层破碎带的主要特征包括：① 反射同相轴发生错断，产状突变，反射波零乱或出现空白带，这是由于断层错动，引起两侧地层产状突变，以及断层的屏蔽作用，引起断面下反射波射线畸变等造成的；② 断层或岩性接触带存在时，在断层的棱角点或岩性突变点产生绕射波，由于在地震映像波形图上的反射波同相轴基本上为平滑的曲线，绕射波产生的双曲线型同相轴，在波形记录上非常明显，尤其是浅部的局部地质体。由图2可见，断层两侧反射波同相轴错段，其边缘有绕射波存在。

图2 断裂带地震映像时间剖面图Fig.2 Fault zone in seismic imaging time profile

2.3.2 岩脉

青岛花岗岩地区广泛发育有煌斑岩脉，岩脉处于不同的风化带时，具有不同的物理性质。发育在中风化及微风化带内的煌斑岩脉，一般其密度和纵波速度较高，但比相同区段内的花岗岩要低。由于煌斑岩结构整体性好，当地震波遇到脉体边界时，会由于波阻抗的差异产生反射波，但在脉体内反射波能量降低。图3为某测线剖面中解译、并经钻孔验证的岩脉，其异常现象与上面描述的特征完全吻合。此外，呈条带状的岩脉有时会表现为断层相同的现象，容易判别为断层破碎带。

图3 煌斑岩脉地震映像时间剖面图Fig.3 Lamprophyre vein in seismic imaging time profile

2.3.3 人工构筑物

城市地铁隧道上方经常穿越有人防通道、大型管涵等构筑物，此时地震记录上具有非常明显的特征，即图像中存在因空洞边缘影响而改变传播路径的面波和绕射波。由图4可看到明显的空洞异常，此空洞为横跨道路的人行通道，由于通道顶、底板为钢混结构，反射波遇到顶、底板后被强烈反射回地面，对反射波传播具有屏蔽作用，因而人行通道以下仅看到微弱的地层反射波，但在通道以上则可以看到振幅很强的反射回波。

图4 人工构筑物地震映像时间剖面图Fig.4 Artificial structures in seismic imaging time profile

为增加资料解释的准确性，野外工作中沿两条隧道正线上方布设了两条相互平行的测线。图5为其中一条测线获得的高密度地震映像剖面图像。由图5可见，剖面中50 ms ～ 100 ms处为一组平滑的连续波组界面，界面处反射波能量强，反映出界面上、下地层具有明显的波阻抗差异，为上覆第四系沉积地层与下伏基岩之间的分界面。此外，该反射界面以下还可看到其他两组连续性好的反射波组，分别对应强风化、中风化及微风化岩体之间的分界面，但在部分区段(550道～750道)内强风化与中风化地层分界面缺失。依据本次探测的工作目的和资料解释依据，对地震映像剖面进行了详细地解释，共推断出

图5 地震映像时间剖面Fig.5 Time profile of seismic imaging method(a) 0.0 m～385 m区段; (b) 386.0 m～770 m区段;(c) 771.0 m～1 155 m区段

断层破碎带9处，煌斑岩脉4处，人工构筑物2处，其中M1、M3、M4、F1、F2、F3、F5和F8为初勘阶段发现的异常，M2、F4、F6和F7为本次探测发现的异常，后经钻探资料验证了异常体地存在。

3 结论与建议

城市内复杂的地质条件和空间环境影响因素是地铁隧道地质灾害调查最大的障碍，我们根据具体的实例，讨论了高密度地震映像法应用于该领域的一些问题，并取得了良好的探测成果。通过本次应用，可以得出以下几点结论和建议。

1)提高地震资料的信噪比，尽量避免环境噪声的干扰是选择勘探方法和施工方式的基础。对地震映像法来说，最主要的环境影响是来自于外界的噪声干扰，应选择人类活动少的夜间施工方式。

2)高质量的地震映像数据是获得准确解释成果的基础。采集数据时应保证良好的激发、接收条件，可采取一些特殊的措施保证震源激发的能量和频率，以及检波器与地面的良好耦合。

3)在以探测浅层目标体为特点的地震映像法中，数据采集过程中应设置合理的采集参数，既要避开面波、折射波、声波等噪声源的干扰，还要保证直达波、有效波之间清晰、可分辨。

4)对同一工区的探测资料进行解释时，应充分认识不同地质体引起的异常特征，避免发生误判和漏判。

5)地震映像法地质灾害探测属于一种间接的手段，存在解释的非唯一性问题，为了获得更加可靠的探测结论，在开展复杂环境下地铁隧道地质灾害探测时，需尽可能地采用多种物探手段，并在条件允许的情况下开展有针对性的钻孔辅助验证。

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Application of high density seismic imaging method to the detection of concealed geological disasters in city subway tunnel

PAN Guangshan1， MENG Qingsheng2， HU Qinghui1， BI Zhengfeng1， XIAO Zhiguang2

(1. Shandong 4th Institute of Geology and Mineral Resources Exploration, Weifang 261021, China;2. Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environment and Geological Engineering (Ocean University of China), Qingdao 266100, China)

In the complex geological conditions, and the complex noise environment, it is a simple and practical method by the engineering prospecting and testing in city. We presented an example of geological disasters prospecting in Qingdao subway tunnel in this paper. Based on the analysis of the external environment noise, we provided the basis of selecting geophysical method, and introduced some problems in the application of seismic imaging prospecting further. Due to the frequent human activities, the data collection of seismic imaging method should be implemented at night to eliminate noise interference. The excitation and receiving conditions has been improved by the analysis of the ground surface conditions. Using the test profile in field, the best offset was determined, and improved the signal-to-noise ratio of seismic data. Combination of the analysis of typical anomalous for different geological bodies, we determined the basis of data interpretation, and gave the results of the detection. The results show that it is effective and feasible to detect the geological disasters in city subway tunnel by the high density seismic imaging detection method.

seismic imaging; city subway tunnel; geological disasters; environmental influence factors

2016-02-29 改回日期：2016-03-30

国家重大科研仪器研制项目(41427803)

潘广山(1982-)，男，工程师，主要从事环境与工程地球物理探测方面的研究工作，E-mail：sdmengqs@163.com。

孟庆生(1972-)，男，副教授，主要从事环境与工程地球物理方面的教学和科研工作，E-mail:8511707@qq.com。

1001-1749(2017)01-0116-06

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.01.17