地震映像在城市轨道交通勘探中的应用

李克友

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳550081）

1 引言

随着经济社会的快速发展，城市规模的不断扩大，交通成为制约城市发展的瓶颈。城市轨道交通作为一种准时、快捷、绿色的出行方式越来越受到人们的欢迎。当前，很多城市都在建设或规划城市轨道交通。然而，国家对地方轨道交通的发展批复慎之又慎。其原因主要是轨道交通建设是地下工程，造价很高，特别是在西南岩溶地区，溶洞、断层等不良地质异常发育，地铁建设造价更是惊人。如果在勘察时不能准确探测出这些隐伏构造，在施工阶段可能会造成无法弥补的损失。所以，做好前期勘探工作，查明地下隐伏构造十分重要。

城市勘探有其自身特点，如人员密集、交通繁忙、路面被硬化、电磁干扰、机械振动等，这就要求勘探工作应尽可能地快速、不影响交通、减小噪声及不破坏路面,而地震映像法能规避其干扰，满足城市勘探需要。地震映像是一种经济、高效的勘探方法，在探查地下隐伏构造的过程中，有不可替代的作用。在探测溶洞、断层、采空区、地下暗河等方面有一定的优势，学者单娜琳和程志平[1]在地震映像法及其应用中讨论了工程勘察中常见的土洞、岩溶塌陷、溶洞、基岩面起伏、断裂带等不同地质条件下的5 个实例，探测过程中，均采用1 种以上的有效波进行综合分析，提高了解释的合理性；学者王治华等人[2]探讨了地震映像法在构造勘察、洞穴调查、隐伏岩溶勘察、堤坝隐患探测、管道探测和滑坡体探测等方面的运用；学者陆云祥和陈建荣[3]运用地震映像法对水库大坝、地下障碍物、采空区和水下基岩面等工程进行探测；还有学者利用地震映像法对遂底岩溶进行探测，圈出遂底20m 范围内的岩溶分布；对青岛地铁隧道某区段地质灾害探测，圈出了断裂带等异常体。

2 方法原理

地震映像法[6]是以最佳偏移距技术发展起来的一种浅层地震勘探方法，利用地层和岩石的弹性差异反映地下地质信息，根据探测目的，既可选取单一特定波作为有效波，也可利用多种波作为有效波来进行探测。其原理如图1 所示。

图1 地震映像原理图

地震映像法主要有以下特点：

1）数据采集速度快。这一特点能很好地契合城市勘探中尽可能少占用道路的要求。

2）剖面长度要求不高。适合于城市勘探中的一些狭小场地。

3）不受电磁干扰，主要应避免的干扰是地面振动，特别是汽车振动较大。在深夜车辆较少时进行地震映像数据采集，既能够避免影响交通，又能在相对安静的环境采集到更好的原始数据。

4）探测深度适中。地震映像探测深度可达100m 以上，分辨率高，既能满足探测精度，又能达到探测深度。

5）可以利用多种波的信息，数据解释时不仅可以使用反射法，还可以是折射波、面波、绕射波，使成果解释更加准确。

采集数据时，采用单个检波器接收，或用多个检波器接收，数据处理时抽道成单个检波器数据，激发点和接收点同步沿测线移动一定距离的采集方式。激发点和接收点的中点为记录点，反映该点及其附近地震波传播范围内地下介质的变化。重复上述过程，就可获得1 条（或多条）地震映像剖面。

1）最佳偏移距确定。在正式数据采集前，一般先做一条试验剖面, 通过实验剖面确定最佳偏移距和最佳接收窗口。实际工作中，可以单道接收，也可以多道接收（最佳接收窗口内），数据处理时抽道成不同偏移距的地震映像剖面。

2）激发方式的选择。通过选择不同重量的铁锤和不同面积的垫板采样后, 最后选择最佳重量的铁锤和铁板为激发源，以满足勘测深度所需能量要求。

3）采样参数的确定。通过实践经验或实验设置最佳采样参数，如采样率，采样点数，滤波频率等。

数据处理过程为：预处理—抽道集—振幅均衡—频谱分析—滤波—速度分析—时深转换—地质解释。

地质解释：

1）结合地质进行波的对比，确定反射波组与地层的关系；

2）分析波的频率、相位、余振长短、波散射、振幅大小等变化情况与地下介质横向和纵向变化的关系；

3）根据同相轴呈水平、倾斜或起伏形态以及反射波组之间间距大小变化、波组尖灭定性判定地层产状和地层厚度变化和尖灭；

4）根据基岩顶板和基岩中的地层界面反射波组出现的错断、扭曲、波形、振幅突变现象推断断层或破碎带位置、断距和视宽度、产状等；

5）分析同相轴的形态和反射波组间的间距大小变化以及波组的错断、分叉、合并、尖灭，波形振幅突变等现象得出地层岩性构造变化的关系，确定是否存在溶洞、暗河等不良地质体。

3 工程实例

本文通过3 个具体实例分别说明地震映像在城市轨道交通断层、溶洞和冲沟探测中的应用效果。

3.1 断层探测

在某城市轨道交通线路路口，人流密集，2 条城市主干道相交。设计规划拟在此设地铁站。经前期地质调查可知，该区域有一条断层穿过，但是否经过该路口有待核实。在道路两侧四角均布置了钻孔，但都未钻遇。起初，欲通过CT 探测（电子计算机断层扫描探测），但因道路太宽，钻孔间距太远，钻孔深度相对较浅而不能实施。欲增加钻孔深度，造价会大幅增加。欲运用地质雷达，但周围供电、通信、燃气等管线密布，电磁干扰响较大。最终，沿垂直推断断层走向布置了1 条长100m 的地震映像剖面进行探测。

为不影响交通，且能采集到最佳数据，数据采集在凌晨2点至凌晨4 点车辆最少时进行。数据采集过程中，遇到车辆经过时，暂停采集数据，待车驶过后继续采集。

图2 断层探测成果图

图2 为地震映像探测成果图，在桩号30m 处水平同相轴发生错位、此处向下有一较强连续能量带，且倾向大桩号方向，倾角∠75°，判断此处为断层。在桩号60m 处，水平同相轴错断，电磁能量被吸收，与周边地质体差异较大，判断此处为水体，且其包络为一规则的圆形，综合判断此处为一饱水的输水管道，后经地面调查得以验证。经过数据处理解释，该断层经过该路口，于测线桩号30m 位置穿过，破碎带宽度约8m，倾角∠75°。后在此处布置钻探，钻孔显示此处为断层。

3.2 溶洞探测

在某城市轨道交通线路通过的尖山小区钻孔时钻遇一溶洞。为了解溶洞发育规模及其在横跨规划线路的延伸情况，在垂直线路方向布置了一条长约50m 的地震映像测线。经过数据采集处理解释，图3 为溶洞探测的成果图。

图3 溶洞探测成果图

纵观整条剖面，同相轴连续，地层分界清晰。但在桩号9m处，地层表面同相轴有稍许扭曲，其下有一个集中能量团，距地表约6m，与钻探所遇溶洞所在深度近视，判断此异常为溶洞，该溶洞埋深6m，规模2m×2m。该溶洞位于规划线路一侧，且规模较小，为延伸到其他部位，对线路的设计和施工影响不大。后在此处布置钻探，验证了此处为溶洞。

3.3 冲沟探测

在某城市轨道交通一线路马王庙汽修厂探测填埋冲沟。该汽修厂建于20 世纪80 年代，为建设厂区，将冲沟进行了填埋。据厂区老人介绍，前些年厂区有一泉眼不时有泉水冒出，据推断和冲沟有关，但因年代久远，无人记得当时的冲沟的具体位置。规划设计欲在厂址处设置地铁站，但冲沟的存在会影响站台的位置和以后的施工。为了解冲沟的位置及发育规模，布置了一条长180m 地震映像测线进行探测。图4 为探测成果图。

经数据采集处理解释，在桩号118～178m 处，同相轴能量较强，同相轴错断、波形杂乱、频率和相位变化，且在该段的中心位置同相轴下凹，往底部延伸能量较同深度其他部位较强，包络呈一凹槽状，底部为18m，判断该处为原冲沟所在位置。该冲沟发育规模较大，宽度约40m，深度约18m，为后续地铁设计和施工提供了科学的依据。后在此处布置钻探，钻孔显示此处为冲沟。

图4 冲沟探测成果图

4 结语

本文将地震映像法应用在城市轨道交通地质缺陷探测中，经过数据处理解释，准确探测出断层、溶洞和埋填冲沟等不良地质体的具体位置。后均通过钻探得以验证。在城市轨道勘探中，地震映像法是快速、经济、准确可靠的物探方法，值得推广应用。