地震映像法和地质雷达法在铁路隧底岩溶探测中的应用

唐宇豪，魏栋华，索 朗，吕 菲，赵思为，马文德

(1.中铁二院工程集团有限责任公司 地勘岩土工程设计研究院，四川 成都 610031；2.川藏铁路技术创新中心有限公司，四川 成都 610000)

1 引 言

近年来随着我国铁路建设的快速发展，对于列车安全运行的关注度也随之提升。岩溶是铁路、高速公路等基础设施建设的关键地质隐患，隧道基底隐伏岩溶使列车在隧道内的运行存在安全隐患，为了确保隧道内的行车安全，对于隧道基底的隐伏岩溶进行排查工作就显得十分必要[1]。

雷旭友等[2]利用超高密度电阻率法在土洞、采空区及岩溶中进行探测，取得了较好的效果；其后，赵思为等[3]将S变换引入地震映像资料处理中，在采空区探测中与超高密度电法资料及钻探验证吻合；刘盼等[4]利用音频大地电磁法、高密度电法、充电法对地下水分布状态及岩溶发育情况进行了详细探测；黄光明等[5]选用综合物探方法进行溶洞探测，包括电测深法、高密度电法、微动探测法，并对比总结了各物探方法探测地下溶洞的有效性；魏栋华等[6]利用魏格纳-威尔分布改进方法得到地层高精度瞬时频率，为低频岩溶异常区的探测提供了新思路；杨祥森等[7]，刘振明等[8]，崔德海等[9]利用地震映像法进行隧道岩溶探测，取得了一定的效果；吴怡洁等[10]利用地震映像法和地质雷达法应用于城市地质勘探中。前人已将各地球物理勘探方法应用于推断岩溶通道分布形态、采空区及含水体探测、岩性界面勘探等各个方面，总结出许多探测经验，但是准确性仍然有待提高[11]，目前在地震映像法判断解释中仅依靠同相轴形态缺乏统一标准，并且受制于单一地球物理方法的局限性以及隧道施工阶段受到的干扰因素较多，因此本文将多种方法有机结合，各方法形成互补，能够极大地提高了探测结果的准确性。

受制于岩溶发育形态的多样性以及隧道内施工阶段现场影响因素，本文选取地震映像法以及地质雷达法对西南山区某在建铁路隧道进行地球物理探测，并利用魏格纳—威尔分布改进方法获取高精度地震映像瞬时频率用以圈定低频岩溶异常区。后经钻孔验证，证明该综合勘探方法在隧道基底岩溶探测中取得了好的效果，采用上述方法探测铁路隧道基底隐伏岩溶的思路是可行的。本文通过对两种方法岩溶探测图像特征进行研究总结，为碳酸盐岩地区隧道隐伏岩溶探测工作提供了地球物理依据，也对后续工作的开展具有积极的指导意义。

2 研究区地质地球物理特征

成昆铁路复线某隧道沿线属大渡河峡谷构造剥蚀地貌，隧道内发育大型溶洞、突水、岩爆、高地应力大变形、岩堆等不良地质体，由于历次构造运动的影响，地质情况极其复杂。本次测区内地层为单斜构造，岩层产状为N2°—80°E/11°—25°SE，陡倾节理发育，主要为N60°—85°E/90°，N5°—25°W/90°，未见断层及褶皱构造发育。研究区隧道洞身穿过二叠系下统栖霞组—茅口组(P1q+m)灰岩，且大里程方向约350 m处为岩层分界面，上覆岩层为二叠系上统峨眉山玄武岩，地层间为喷出不整合接触。根据隧道开挖资料揭示，测区段掌子面开挖岩溶较为发育。

研究区地质、构造与岩溶发育情况等方面的基础资料提供了丰富直观的构造证据，对于深入认识测区隧道基底隐伏岩溶发育情况具有重要的地质意义。

研究区隧道基底为混凝土填充，下伏基岩为灰岩，溶洞内充填物一般为水、空气及黏土，各物质地球物理参数如表1所示[10]。

表1 研究区各物质地球物理参数

由表1可见，岩溶发育地段与相邻完整基岩介质有着较明显的波阻抗及介电常数差异，因此，探测区域内溶洞与围岩存在着相对显著的物理性质差异，从而利用波速差异的地震映像法和介电常数差异的地质雷达法在异常位置均能得到较大差异输出，为地震映像法和地质雷达法进行隧道隐伏岩溶探测提供了物性基础。

3 方法原理

3.1 地震映像法

地震映像法是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展而来的一种常用的地球物理勘探方法。利用该方法进行采集数据时，使用相同的偏移距、单点激发、单道检波器进行接收，仪器记录后同时按预定的点距向前移动激发点和接收点，重复上述过程，便可获得一条地震映像的时间剖面图。由于每个记录采用了相同的偏移距，地震记录上的时间变化主要为地下地质异常体的反映，拼接起来的地震时间剖面图直观地反映了地下异常体的形态和特征，这给后续资料处理工作带来极大的方便，可直接对资料进行部分数字分析，如频谱分析、时频分析等。

3.2 魏格纳—威尔分布的改进算法

获取同一偏移距地震映像时间剖面后，采用魏格纳—威尔分布改进算法[6]计算高精度瞬时频率，其特点是采用最大熵法对魏格纳—威尔分布算法核函数进行改进，通过预测手段避免该核函数中的交叉项，因此相比传统方法能得到更长的魏格纳—威尔分布算法核函数序列，从而得到高分辨率的时频谱。其计算公式如下：

(1)

(2)

其中,z(t)是原始信号x(t)的解析信号;z*(t)是信号z(t)的共轭复数。

与完整围岩相比，地震波经过岩溶位置时高频成分快速衰减，整体表现为低频特性，因此利用岩溶与围岩频率差异的魏格纳—威尔分布改进算法能较为准确地圈定岩溶异常分布范围。

3.3 地质雷达法

地质雷达法是基于地下介质的电导率(σ)、介电常数(ε)等电性参数的差异，利用高频电磁脉冲波的反射探测目标体及地质现象的一种物探手段。采用地质雷达法对隧道基底进行探测时，由发射天线(T)向隧底的岩层发射高频电磁波(主频为100 MHz)，当电磁波传至两种不同介质的分界面，如断层、岩溶洞穴和岩层界面等时，由于两种介质的电性存在差异而使电磁波在界面处会发生反射和折射等现象。入射波、反射波和折射波的传播遵循反射定律和折射定律，反射波返回隧底被接收天线(R)接收，如图1所示。

4 实测资料分析

4.1 测线布置

利用地震映像法及地质雷达法对该铁路隧道研究区基底进行探测。在双线铁路隧道左右轨道中心线、隧底中心线布置三条测线，由于隧底中央为排水沟无法施测，因此将中线偏左移至水沟左侧，如图2所示。因此，在研究区桩号020～150段线路布置三条测线，长度为130 m。通过上述三条测线的布置，可得到研究区岩溶异常分布范围及空间展布。

4.2 参数选取

地震映像法采用多偏移距联合勘探，本次工作中选取单点激发、3道接收、炮检距分别为2 m、 4 m及10 m的观测系统。在室内进行共偏移距数据处理后，可得到3个不同偏移距的地震映像剖面。地震映像法为多波列地震勘探，反射波、面波等均可作为识别岩溶的有效波。本次数据采集选择固有频率为10 Hz的高性能检波器，通频带为10～800 Hz。激发震源为7.5 kg力棒加尼龙头，减少了声波干扰，记录采样间隔为0.125 ms，采样长度100 ms。地质雷达法进行探测时，选取中心频率为100 MHz屏蔽天线，记录时窗选择600 ns，并且在数据采集时，天线保持匀速移动，与仪器的扫描率相匹配。

4.3 资料对比分析

图3为研究区右测线(右轨道中心)综合成果图。其中图3(a)及图3(b)分别为偏移距4 m、10 m时所得到的地震映像时间剖面，图3(c)、图3(d)分别为4 m及10 m偏移距下利用魏格纳-威尔分布改进算法提取地震映像时间剖面的高精度瞬时频率，图3(e)为该测线雷达剖面。由图3(c)、图3(d)两个偏移距的瞬时频率图中均能明显看出，桩号030～040段反射波主频急剧降低，瞬时频率图中呈现出明显垂向条带状低频异常，表明该段隧底基岩完整性发生变化，由于溶洞对于地震波有很强的吸收和频散作用，地层频率的急剧降低正是该段地层破碎、隧底充填溶洞的反映。对应地震映像时间剖面中，同样可见在桩号030～040段反射波同相轴出现明显下凹特征，反射波波阻变得不规则、紊乱,甚至产生畸变，地震映像时间剖面同样也反映出隧底岩溶发育,致使原有地层遭受破坏。并且在雷达图像中，桩号035附近出现明显绕射波特征，绕射波顶点位于桩号035位置，埋深约为2 m。由此可见，右测线地震映像时间剖面、高精度瞬时频率剖面以及雷达剖面三者均揭示在桩号035处隧道基底下存在溶洞异常反映，且雷达剖面在一定深度范围内呈现出强反射信号，推测溶洞内充填水或含水黏土。

图3 右测线综合探测结果Fig.3 Comprehensive detection result of right survey line

同样，在图4、图5所示的中测线及左测线探测结果中，图4(a)和图5(a)所示的偏移距10 m时地震映像时间剖面、图4(b)和图5(b)所示的高精度瞬时频率与图4(c)与图5(c)地质雷达剖面均揭示在桩号035隧底同样呈现出溶洞异常反映，与右测线物探结果一致。由左、中、右三条测线物探资料均揭示出溶洞异常反映，表明该处溶洞呈现垂直隧道走向发育。

图4 中测线综合探测结果Fig.4 Comprehensive detection result of middle survey line

图5 左测线综合探测结果Fig.5 Comprehensive detection result of left survey line

为验证本文所使用的物探方法的准确性，本文在桩号035右轨道中心物探异常位置，布置验证钻孔，钻孔资料岩芯照片如图6所示。从钻孔取芯结果上可知，在1.9～8.2 m深度孔段揭示岩溶，溶洞内充填粉质黏土，且溶洞底板处灰岩较为破碎，由此可见该处溶洞存在继续向下侵蚀的可能，钻探结果显示与物探结果一致。

图6 右测线桩号035位置钻孔岩芯照片Fig.6 Core photo of drill hole at position 035 on the right survey line

5 结 语

通过在隧道基底布置三条测线，采用地震映像法和地质雷达法进行勘探，并利用地震映像法高精度瞬时频率属性进行剖面联合解释，邻近平行测线之间探测结果也可进行相互印证，同时，多测线成果也为溶洞异常平面分布提供了依据。本文基于地震映像法和地质雷达法得到的物探剖面，结合高精度时频资料综合分析、判断解释溶洞异常位置与空间展布，与钻孔结果对比亦吻合较好，证明了基于地震映像法、地质雷达法及高精度时频分析技术识别隧道基底岩溶的有效性，以该探测成果来圈定碳酸盐岩地区隧底岩溶分布状况并指导钻孔布置，达到精确治理隧道地质隐患的目的，为隧道岩溶物探技术的应用提供了新的思路，极大地提升了隧道隐伏岩溶治理的速度及准确度。