多道瞬态面波在矿区铁路下空洞勘测中的应用

李静涛

（中煤平朔集团有限公司 地质测量中心，山西 朔州 036000）

安家岭矿运煤铁路专用线受降雨影响局部出现坍塌，坍塌原因主要为早期开挖的地下防空洞，但空洞具体位置不明。根据空洞埋深、地表条件等，综合考虑采用多道瞬态面波技术对坍塌区域及周边进行勘察，查明铁路坍塌范围及周边空洞的分布范围、埋深等发育特征，探查5 m 以内直径30 cm 以上的空洞，10 m 以内直径1 m 以上的空洞。

1 面波原理

面波又称为瑞利波、R 波，不同于地震勘探中常用的纵波（P 波）和横波（S 波），是一种特殊的地震波，是一种地滚波。面波是由SV 波（垂直平面内的横波）与P 波干涉而形成，且能量主要集中在介质自由表面附近，其能量的衰减与r－1/2 成正比（r为震源与接收点的距离），因此面波比体波的衰减慢很多。在传播过程中，介质的质点运动轨迹呈现一椭圆极化，长轴垂直于地面，旋转方向为逆时针方向，传播时以波前面约为1 个高度为λR（面波长）的圆柱体向外扩散[1-2]。

面波的能量占全部地震勘探能量的2/3，因此利用面波勘探数据的信噪比会大大提高。面波具有频散的特性，其传播的相速度随频率的改变而改变，这种频散特性可以反映地下岩土介质的特性[3-4]。

2 勘测与数据采集

本次面波勘察使用的主要仪器为smartsolo 无线节点检波器，其技术指标为：自然频率5 Hz；线圈电阻1 850 Ω；开路阻尼系数0.60，闭路阻尼系数（并43 Ω）0.70；开路灵敏度80 V/（m·s）；失真＜0.1%。

勘察区域共布置平行铁轨方向测线6 条，垂直铁轨方向测线4 条，道距1 m，炮距1 m，共布置检波点508 个。采用二维面波勘察施工方法，即接收排列固定不动，炮点从测线一端向另一端挪动，数据处理时计算互相关道集 并用二维SPAC 方法提取每个检波点位置处的频散曲线。

受场地条件限制，数据采集采用二维面波勘察施工方法。观测系统中接收排列固定不动，炮点从测线一端向另一端逐点激发，道距1 m，炮距1 m，采样率0.5 ms，记录时间0.5 s，全排列接收，采用大锤激发。

为获得质量较好的野外地震数据，采用了以下3 种方法：①宽频带脉冲震源：低频瑞利波的传播特征反映了深层的信息，高频分量的特征则反映了浅层信息；②不做滤波：考虑到滤波会损失面波携带的有用信息，而面波勘查希望滤波处理不改变数据的相位特性，但现有的滤波处理程序都会产生一定的相移，从而对频散曲线的计算产生不利影响；③科学的观测系统：观测系统参数包括时间采样率、采样长度、偏移距、道间距、记录道数等，根据勘探目的层深度、厚度或目标体的大小设计观测系统参数。一般来说，展开排列长度不小于最大勘探深度，道间距不大于研究的最小地层的厚度。本次排列长度为30 m，道间距为1 m。

共计完成面波勘察测线10 条，总测点508 个，严格按相关规范进行施工，共获取了508 炮记录，合格率100%。本次工作获取的单炮记录基阶面波能力突出，数据质量较好。

3 数据处理与解译

3.1 处理方法和原理

面波的各个模态在时间和距离上往往是相互穿插叠合的，所以频率域处理多是进行f－K 域（频率波数域）的变换。在f－K 域中，可以清晰地区分开面波不同模态的波动能量，从而能够单一地提取出基阶模态的频散数据[5-6]。

运用二维傅立叶变换，将时间距离域的弹性波数据转换为频率波数谱数据，绘制成二维坐标中的图形。左上角为坐标原点，纵坐标为频率轴，沿纵坐标向下波动频率增高，在时间上波动越快。横坐标为波数轴，沿横坐标向右波数增多，在空间上波长越短。各个波动组份谱振幅的大小，用不同颜色的色标来表示，一般色度越亮，表示谱振幅越大。波动组份坐标点（f－K）和原点联线的斜率（f/K），体现了相速度。这条联线越陡，说明该波动组份的相速度越大，而越平缓则说明相速度越小[7]。

面波资料处理的程序一般为：预处理、生成频散曲线、分层反演剪切波速度及确定层厚，利用面波频散曲线可以生成速度映像剖面，还可在此基础上绘制地质剖面图。本次数据处理采用通过计算互相关道集，并采用二维空间自相关（SPAC）的方法获取频散曲线。

3.2 资料解释与勘察成果

面波法是利用面波的频散特性来探测近地表地层厚度的勘探方法。面波在非均匀的介质中传播时，具有频散性，波长不同、穿透深度不同，不同波长反应不同深度的介质情况。面波解释技术是据其频散特性，首先计算出频散曲线，进而用频散曲线反演横波速度，最后结合本区地质、钻孔等资料对勘探场地内地表以下地层进行划分，以及利用横向速度变化判断地层横向结构变化[8-9]。

1）解释原则。数据解释的原则主要考虑相对速度异常解释原则和相关性原则：①相对速度异常解释原则：地层结构变化，其速度呈现不同值，因而纵、横向上速度存在变化；②相关性原则：勘查工作将按照一定的工作网度实施，因此相同地表条件相邻剖面的异常通常具有一定的相关性，利用其相关性能够进行横向地层结构变化的推断。

2）解释方法。数据解释的方法主要采用人工解释与计算机解释相结合、横波速度剖面和平面解释相结合的方法：①人工解释与计算机解释相结合：以人工解释为基础、计算机为工具，由粗到细逐步进行；②面波横波速度剖面与相同标高平面解释相结合：面波横波速度剖面是基础，从横向上横波速度的变化反映地层横向结构的变化，将相同标高的速度值形成平面，圈定其速度相对异常区的地层结构平面变化分布。

3）异常解释。人工挖掘在地下形成空洞后，空洞四周岩体的结构随之发生变化。在空洞形成一段时期后，周围的应力集中强度超过岩体强度后，空洞四周的岩体就会垮落、破坏，应力集中区域扩大至四周岩体，在空洞周边形成1 个应力松动圈（即应力降低了的区域）。当地层出现空洞、沉降或其他变化时，破坏了地层结构，破坏地段的一定深度内纵横上速度均会发生变化。根据频散曲线可解释速度分界面和地质异常情况。对于塌陷回填等不良地质体，面波的频散曲线会向低速度偏转，周期变长。在正常地层中，面波的速度向深部延伸，且曲线连续[10-11]。

4）横波速度剖面解释。当地层出现沉降或其他地层结构破坏事时，会发生塌陷、破裂、离层和弯曲等现象，层结构将变得松散，在横波速度剖面上通常会呈现出低速异常特征[12]。

3.3 数据分析与解释

以L1 线为例，分析横波速度反演剖面图，L1 线面波反演剖面图如图1。纵观该线的横波速度剖面可知，横波速度剖面上具有如下特征：纵向上，总体呈现出随着深度的增加速度值逐渐增大的基本特征，即速度值由近地表的200 m/s 向深部逐渐增大到300 m/s。横向上，速度值出现突变或变化不均匀等现象，在桩号120～128 之间，标高1 189～1 192 m处，存在1 个明显的速度变化带，原有土体结构发生了改变，推测可能为疑似空洞的影响。

图1 L1 线面波反演剖面图

3.4 平面图解释

本次面波勘探所实施的10 条测线相互交叉，连接成网，采用插值近似的方法，将这10 条线进行平面地质解释，完成了不同标高的3 个水平切片，标高分别为1 199、1 195、1 186 m，将深度不同的水平剖面进行对比，能够得到以下波速分布特征。不同标高的横波速度变化平面图如图2。

图2 不同标高的横波速度变化平面图

测区波速的南部向北部具有逐渐升高的趋势，说明区内浅表覆盖层由北向南倾斜。在水平切片上，在测线中部存在1 块低速带，低速带位于测线7 和测线10 之间，垂直铁路呈条带状分布。

3.5 地质成果

根据10 条测线相互连结成树枝状的测网，采用插值近似的方法，完成了10 条线进行平面地质解释。根据测线面波反演剖面，结合相同标高的横波速度平面，圈出了3 个相对低速带，命名为1＃、2＃和3＃低速异常区，最后综合已知资料、野外地质调查、瞬态面波横波速度剖面、相同标高横波速度变化平面解释，完成了勘探区的相对低速区解释。

4 结语

1）采用瞬态面波方法完成铁轨周边空洞探测施工，共完成测线10 条、检波点508 个、炮点508 个。

2）获得工区横波速度剖面10 条，工作数据质量满足要求。

3）基于已知地质资料，野外地质调查资料，对瞬态面波法所取得数据进行处理分析，完成了铁轨下疑似空洞异常引起的地层疏松低速区解释，共圈出可靠程度较高的相对低速区3 处。

4）震动干扰大、地表碎石覆盖、结构松散等条件下，采用瞬态面波能够对10 m 以浅范围内低速异常区进行解释。

5）根据探测资料，空洞或空洞引起地层疏松情况走向基本为垂直铁路方向，探测范围内顺铁路方向无异常反应。

6）根据后期空洞治理施工情况，勘查成果较为可靠。