武斌，陳寧，劉和，楊勇

地震勘探在長(zhǎng)昆高鐵隱伏巖溶檢測(cè)中的應(yīng)用

武斌，陳寧，劉和，楊勇

（四川省地礦局物探隊(duì)，成都 610072）

長(zhǎng)昆高鐵是溝通我國(guó)東、中、西部的快速通道，貴陽(yáng)至盤縣段通過我國(guó)重要的可溶巖石分布區(qū)，對(duì)其隱伏巖溶的檢測(cè)尤為重要。隱伏巖溶的檢測(cè)采用地震映像、面波檢測(cè)效果特別好，檢測(cè)出大量的溶洞（空溶洞、充填或半充填）和破碎帶，探測(cè)深度15～20m，為高鐵巖溶的整治提供了地球物理依據(jù)。地震映像、面波結(jié)合探測(cè)隱伏巖溶，快捷、方便、經(jīng)濟(jì)，是一種非常有效的手段。

長(zhǎng)昆高鐵；地震映像法；面波法； 應(yīng)用

長(zhǎng)昆高鐵又稱長(zhǎng)昆客運(yùn)專線、滬昆高鐵長(zhǎng)沙南至昆明南段、滬昆客運(yùn)專線長(zhǎng)沙至昆明段。長(zhǎng)昆高鐵預(yù)計(jì)總投資1 601.4億元，橫跨湖南、貴州、云南3省，全長(zhǎng)1 167km，設(shè)計(jì)時(shí)速為每小時(shí)350km。這條鐵路客運(yùn)專線架起了我國(guó)東、中、西部快速通道。2010年開工建設(shè)，2016年計(jì)劃開通長(zhǎng)沙至盤縣段。為了保證長(zhǎng)昆高鐵的順利開通，我們對(duì)貴陽(yáng)至盤縣段的隧底和路基進(jìn)行了隱伏巖溶的檢測(cè)。采用的方法主要是隧底和巖質(zhì)路基段采用地震映像法，路堤段采用面波法。

地震映像法和面波是近10年來(lái)用于探測(cè)淺部介質(zhì)中縱、橫向不均勻體（構(gòu)造、洞穴、障礙物、非金屬管道、巖溶、土壩中蟻穴及空洞、地裂縫與疏松帶、滑坡體等）有效方法。

地震映像，又稱高密度地震勘探和地震多波勘探。它是基于反射波中的最佳偏移距技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種常用淺層勘探方法。這種方法可以利用多種有效波來(lái)進(jìn)行探測(cè)，也可以根據(jù)探測(cè)的目的要求采用一種特定的波作為有效波。除常見的反射波、折射波、繞射波外，還可以利用有一定規(guī)律的面波、橫波和轉(zhuǎn)換波。在這種方法里，每一測(cè)點(diǎn)的波形記錄都采用相同的偏移距激發(fā)和接收。在該偏移距處接收到的有效波具有較好的信噪比和分辨率，能夠分辨出地質(zhì)體沿垂直方向和水平方向的變化。地震映像可以用波形圖或彩色振幅圖顯示結(jié)果，同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的解釋分析，數(shù)據(jù)處理可以在時(shí)間、空間和頻率域中進(jìn)行，圖示直觀。目前一些地震儀器中已采用了特殊的數(shù)據(jù)采集技術(shù)、可以方便快速地獲得地震映像記錄。

地震映像方法特點(diǎn)：數(shù)據(jù)采集速度快，但抗干擾能力弱，勘探深度有限；資料解釋中可以利用多種波的信息，即有效波不但是反射波，還可以是折射波、面波、繞射波。或同時(shí)有兩種和三種有效波能夠反映地下地質(zhì)條件變化；探測(cè)目標(biāo)單一，只需研究橫向地質(zhì)情況變化，如果探測(cè)層數(shù)較多時(shí)，不容易確定最佳偏移距；由于每個(gè)記錄道都采用了相同的偏移距，地震記錄上的時(shí)間變化主要是地下地質(zhì)異常體的反映，這給資料解釋帶來(lái)了極大的方便，可直接對(duì)資料解釋帶來(lái)了極大方便，可直接對(duì)資料進(jìn)行數(shù)字解釋，如數(shù)字濾波、時(shí)頻分析和相關(guān)分析等。

圖1 地震映像法工作裝置示意圖

1 巖溶探測(cè)理論

1.1 地震映像法

地震映像法，又稱地震共偏移距法，是以相同的小偏移距逐步移動(dòng)測(cè)點(diǎn)接收地震信號(hào)，對(duì)地下地層或目標(biāo)體進(jìn)行連續(xù)掃描，利用地震波信息（如傳播時(shí)間、頻率、振幅、相位等）來(lái)探測(cè)地下介質(zhì)變化的工程地震方法。在地震映像測(cè)量過程中，激發(fā)后在接收點(diǎn)用單個(gè)檢波器接收，儀器記錄后，激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)同時(shí)向前移動(dòng)一個(gè)測(cè)點(diǎn)距，重復(fù)上述步驟獲得地震映像時(shí)間剖面。

地震映像法采用地震儀及配套電纜、檢波器、采集處理軟件進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集，采用100Hz的檢波器接收，震源采用18磅大錘，錘擊墊板，單邊激發(fā)，偏移距根據(jù)試驗(yàn)確定，一般為3~10m。儀器參數(shù)為：采樣點(diǎn)數(shù)為2 048個(gè)，采樣率為0.1ms，濾波方式為全通。該方法采集數(shù)據(jù)速度快、分辨率高、信噪比高，電磁波干擾無(wú)影響，可利用多波信息對(duì)探測(cè)目標(biāo)體進(jìn)行識(shí)別和分析。地震映像剖面反映了地下地質(zhì)體的連續(xù)變化，保留了地震波動(dòng)力學(xué)特征，對(duì)研究橫向地質(zhì)變化效果較好（圖1、圖2）。

圖2 某地區(qū)巖溶探測(cè)地震映像成果示意圖

圖3 瞬態(tài)瑞雷面波法檢測(cè)原理

1.2 瞬態(tài)面波法

瞬態(tài)面波法通過瑞雷波的特性，一是瑞雷波有變異介質(zhì)中傳播時(shí)的頻散特性；二是瑞雷波傳播速度與介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)的密切相關(guān)性，獲得的不同深度上介質(zhì)的速度參數(shù)，從而推測(cè)介質(zhì)的物質(zhì)及結(jié)構(gòu)屬性。

多道瞬態(tài)瑞雷面波法是面波法技術(shù)的主要應(yīng)用模式，其常規(guī)數(shù)據(jù)采集一般以一個(gè)共炮點(diǎn)的多道面波排列為一個(gè)面波測(cè)點(diǎn)，按一定的測(cè)點(diǎn)間隔依次移動(dòng)排列，從而得到多個(gè)共炮點(diǎn)的面波記錄。數(shù)據(jù)處理時(shí)，對(duì)每一個(gè)共炮點(diǎn)面波記錄進(jìn)行單獨(dú)頻率域處理，最后綜合全部測(cè)點(diǎn)處理結(jié)果形成一條面波剖面解釋成果圖。

瞬態(tài)瑞雷波法采用地震儀及配套電纜、檢波器、采集處理軟件進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集，每個(gè)測(cè)點(diǎn)采用12道4Hz的低頻檢波器接收，道間距2m，震源采用18磅大錘，錘擊墊板，單邊激發(fā)，偏移距根據(jù)試驗(yàn)確定，一般為3~10m。儀器參數(shù)為：采樣點(diǎn)數(shù)為2 048個(gè)，采樣率為0.1ms，濾波方式為全通。該方法探測(cè)深度一般地質(zhì)條件下可達(dá)到15~20m，激振能量合適時(shí)可達(dá)到30~40m，且分辨率較高，電磁波干擾無(wú)影響；但如果點(diǎn)距較密時(shí)，效率較低。見圖3、圖4。

圖4 瑞雷面波原始記錄和頻散曲線圖

在地面以瞬時(shí)沖擊力激發(fā)面波，并沿直線接收、記錄，然后對(duì)所采集的面波波形進(jìn)行處理得到該點(diǎn)的頻散曲線，當(dāng)下面存在溶洞時(shí)，在溶洞時(shí)程的相應(yīng)位置處便會(huì)出現(xiàn)速度陡降等現(xiàn)象，原理如圖2。

2 巖溶探測(cè)成果

巖溶隧道、路基基底在巖溶發(fā)育段落探測(cè)測(cè)線沿線路方向按照單線鐵路2條（軌道中線1條，軌道兩側(cè)交替探測(cè)）布置；雙線鐵路布置測(cè)線2條（左、右線的軌道中線各布置1條）。全段分5個(gè)檢測(cè)標(biāo)段，地震映像、面波、高密度電法合計(jì)工作量316km。共檢測(cè)出物探異常974個(gè)，溶洞11個(gè)，破碎帶963個(gè)。驗(yàn)證鉆孔67個(gè)，14個(gè)揭示溶洞或溶槽，其余鉆孔揭示物探異常極破碎、破碎或局部破碎。

2.1 隧道溶洞異常

圖5為關(guān)口寨隧道第一類物探異常與鉆探驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比圖，異常里程段為左中線：D1K744+372～D1K744+385，圖中左側(cè)為地震映像剖面圖，中間為異常邊部D1K744+375.5驗(yàn)證孔巖芯照片，右側(cè)為異常中心處D1K744+380.5驗(yàn)證孔巖芯照片。異常邊部D1K744+375.5驗(yàn)證孔揭示：0～2m為人工填混凝土，2～6.7m為灰?guī)r破碎帶，6.7～18.9m為弱風(fēng)化灰?guī)r。異常中心D1K744+380.5驗(yàn)證孔揭示：0～2m為人工填混凝土，2～8.2m為碎石土充填溶洞，8.2～19.6m為弱風(fēng)化灰?guī)r。異常中心及邊部施工鉆孔揭示該異常主要為溶洞的反映，異常中心部位揭示為碎石土充填溶洞（深度：2～8.2m），異常邊部主要為破碎帶（深度：2～6.7m）的反映。

圖5 關(guān)口寨隧道第一類物探異常與鉆探驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比圖

2.2 路堤充填溶洞

圖6為填方路堤低速異常與鉆探驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比圖，圖6（左）為瞬態(tài)面波法速度斷面圖，圖6（右）為異常中心D1K774+487（右線）左側(cè)2.2m異常驗(yàn)證孔巖芯照片。

異常中心D1K774+487（右線）左側(cè)2.2m異常驗(yàn)證孔揭示：0～9.6m為人工填碎石土，9.6～11.8m為粉質(zhì)黏土，11.8～12.2m為弱風(fēng)化灰?guī)r，12.2～13.9m為溶洞、粉質(zhì)黏土充填，13.9～20m為灰?guī)r，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖芯較破碎，20.0～25.4m為白云巖，節(jié)理發(fā)育、巖芯極破碎，呈角礫狀。

圖6 填方路堤低速異常與鉆探驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比圖

速度斷面圖由淺至深總體表現(xiàn)為高速、低速、高速的分層特征，為由淺至深相對(duì)高速人工碎石土層、低速覆蓋層、高速基巖的反映。里程段D1K774+484～D1K774+493、深度12~20m范圍內(nèi)呈凹槽狀異常區(qū)速度值介于300~500m/s、低至約300m/s，兩側(cè)背景區(qū)速度值介于800~1 200m/s，異常驗(yàn)證孔揭示該低速異常區(qū)為溶洞、基巖破碎的反映。

3 結(jié)論

本次工作檢測(cè)出物探異常974個(gè)，溶洞11個(gè)，破碎帶963個(gè)。驗(yàn)證鉆孔67個(gè)，14個(gè)揭示溶洞或溶槽，其余鉆孔揭示物探異常極破碎、破碎或局部破碎，為此段長(zhǎng)昆高鐵巖溶的整治提供了地球物理依據(jù)。地震映像法和面波法在長(zhǎng)昆高鐵巖溶檢測(cè)中發(fā)揮了很大作用，將被廣泛應(yīng)用在可溶巖區(qū)的溶洞檢測(cè)。但注意在一些長(zhǎng)隧道里由于施工干擾的影響，會(huì)對(duì)我們檢測(cè)解釋的物探異常產(chǎn)生錯(cuò)判。

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The Application of Seismic Exploration to Hidden Karst Detection of the Changsha-Kunming High Speed Rail

WU Bin CHEN Ning LIU He YANG Yong

(Geophysical Exploration Team, SBGEEMR, Chengdu 610072)

The Guiyang-Panxian section of the Changsha-Kunming High Speed Rail is one of important karst regions. Therefore, hidden karst detection is very important. This study applies seismic exploration to the detection of the hidden karst in the Guiyang-Panxian section, finding a large amount of karst caves and providing basis for the high speed rail.

seismic exploration; seismic image method; surface wave method; high resistivity method; Changsha-Kunming High-Speed Rail

2017-03-30

武斌（1971- ），男，山西臨猗人，物探高級(jí)工程師，固體物理學(xué)博士，長(zhǎng)期從事物探工作

P631.4；

A

1006-0995（2017）04-0667-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.04.032