李靜濤

（中煤平朔集團有限公司 地質測量中心，山西 朔州 036000）

安家?guī)X礦運煤鐵路專用線受降雨影響局部出現(xiàn)坍塌，坍塌原因主要為早期開挖的地下防空洞，但空洞具體位置不明。根據(jù)空洞埋深、地表條件等，綜合考慮采用多道瞬態(tài)面波技術對坍塌區(qū)域及周邊進行勘察，查明鐵路坍塌范圍及周邊空洞的分布范圍、埋深等發(fā)育特征，探查5 m 以內直徑30 cm 以上的空洞，10 m 以內直徑1 m 以上的空洞。

1 面波原理

面波又稱為瑞利波、R 波，不同于地震勘探中常用的縱波（P 波）和橫波（S 波），是一種特殊的地震波，是一種地滾波。面波是由SV 波（垂直平面內的橫波）與P 波干涉而形成，且能量主要集中在介質自由表面附近，其能量的衰減與r－1/2 成正比（r為震源與接收點的距離），因此面波比體波的衰減慢很多。在傳播過程中，介質的質點運動軌跡呈現(xiàn)一橢圓極化，長軸垂直于地面，旋轉方向為逆時針方向，傳播時以波前面約為1 個高度為λR（面波長）的圓柱體向外擴散[1-2]。

面波的能量占全部地震勘探能量的2/3，因此利用面波勘探數(shù)據(jù)的信噪比會大大提高。面波具有頻散的特性，其傳播的相速度隨頻率的改變而改變，這種頻散特性可以反映地下巖土介質的特性[3-4]。

2 勘測與數(shù)據(jù)采集

本次面波勘察使用的主要儀器為smartsolo 無線節(jié)點檢波器，其技術指標為：自然頻率5 Hz；線圈電阻1 850 Ω；開路阻尼系數(shù)0.60，閉路阻尼系數(shù)（并43 Ω）0.70；開路靈敏度80 V/（m·s）；失真＜0.1%。

勘察區(qū)域共布置平行鐵軌方向測線6 條，垂直鐵軌方向測線4 條，道距1 m，炮距1 m，共布置檢波點508 個。采用二維面波勘察施工方法，即接收排列固定不動，炮點從測線一端向另一端挪動，數(shù)據(jù)處理時計算互相關道集 并用二維SPAC 方法提取每個檢波點位置處的頻散曲線。

受場地條件限制，數(shù)據(jù)采集采用二維面波勘察施工方法。觀測系統(tǒng)中接收排列固定不動，炮點從測線一端向另一端逐點激發(fā)，道距1 m，炮距1 m，采樣率0.5 ms，記錄時間0.5 s，全排列接收，采用大錘激發(fā)。

為獲得質量較好的野外地震數(shù)據(jù)，采用了以下3 種方法：①寬頻帶脈沖震源：低頻瑞利波的傳播特征反映了深層的信息，高頻分量的特征則反映了淺層信息；②不做濾波：考慮到濾波會損失面波攜帶的有用信息，而面波勘查希望濾波處理不改變數(shù)據(jù)的相位特性，但現(xiàn)有的濾波處理程序都會產(chǎn)生一定的相移，從而對頻散曲線的計算產(chǎn)生不利影響；③科學的觀測系統(tǒng)：觀測系統(tǒng)參數(shù)包括時間采樣率、采樣長度、偏移距、道間距、記錄道數(shù)等，根據(jù)勘探目的層深度、厚度或目標體的大小設計觀測系統(tǒng)參數(shù)。一般來說，展開排列長度不小于最大勘探深度，道間距不大于研究的最小地層的厚度。本次排列長度為30 m，道間距為1 m。

共計完成面波勘察測線10 條，總測點508 個，嚴格按相關規(guī)范進行施工，共獲取了508 炮記錄，合格率100%。本次工作獲取的單炮記錄基階面波能力突出，數(shù)據(jù)質量較好。

3 數(shù)據(jù)處理與解譯

3.1 處理方法和原理

面波的各個模態(tài)在時間和距離上往往是相互穿插疊合的，所以頻率域處理多是進行f－K 域（頻率波數(shù)域）的變換。在f－K 域中，可以清晰地區(qū)分開面波不同模態(tài)的波動能量，從而能夠單一地提取出基階模態(tài)的頻散數(shù)據(jù)[5-6]。

運用二維傅立葉變換，將時間距離域的彈性波數(shù)據(jù)轉換為頻率波數(shù)譜數(shù)據(jù)，繪制成二維坐標中的圖形。左上角為坐標原點，縱坐標為頻率軸，沿縱坐標向下波動頻率增高，在時間上波動越快。橫坐標為波數(shù)軸，沿橫坐標向右波數(shù)增多，在空間上波長越短。各個波動組份譜振幅的大小，用不同顏色的色標來表示，一般色度越亮，表示譜振幅越大。波動組份坐標點（f－K）和原點聯(lián)線的斜率（f/K），體現(xiàn)了相速度。這條聯(lián)線越陡，說明該波動組份的相速度越大，而越平緩則說明相速度越小[7]。

面波資料處理的程序一般為：預處理、生成頻散曲線、分層反演剪切波速度及確定層厚，利用面波頻散曲線可以生成速度映像剖面，還可在此基礎上繪制地質剖面圖。本次數(shù)據(jù)處理采用通過計算互相關道集，并采用二維空間自相關（SPAC）的方法獲取頻散曲線。

3.2 資料解釋與勘察成果

面波法是利用面波的頻散特性來探測近地表地層厚度的勘探方法。面波在非均勻的介質中傳播時，具有頻散性，波長不同、穿透深度不同，不同波長反應不同深度的介質情況。面波解釋技術是據(jù)其頻散特性，首先計算出頻散曲線，進而用頻散曲線反演橫波速度，最后結合本區(qū)地質、鉆孔等資料對勘探場地內地表以下地層進行劃分，以及利用橫向速度變化判斷地層橫向結構變化[8-9]。

1）解釋原則。數(shù)據(jù)解釋的原則主要考慮相對速度異常解釋原則和相關性原則：①相對速度異常解釋原則：地層結構變化，其速度呈現(xiàn)不同值，因而縱、橫向上速度存在變化；②相關性原則：勘查工作將按照一定的工作網(wǎng)度實施，因此相同地表條件相鄰剖面的異常通常具有一定的相關性，利用其相關性能夠進行橫向地層結構變化的推斷。

2）解釋方法。數(shù)據(jù)解釋的方法主要采用人工解釋與計算機解釋相結合、橫波速度剖面和平面解釋相結合的方法：①人工解釋與計算機解釋相結合：以人工解釋為基礎、計算機為工具，由粗到細逐步進行；②面波橫波速度剖面與相同標高平面解釋相結合：面波橫波速度剖面是基礎，從橫向上橫波速度的變化反映地層橫向結構的變化，將相同標高的速度值形成平面，圈定其速度相對異常區(qū)的地層結構平面變化分布。

3）異常解釋。人工挖掘在地下形成空洞后，空洞四周巖體的結構隨之發(fā)生變化。在空洞形成一段時期后，周圍的應力集中強度超過巖體強度后，空洞四周的巖體就會垮落、破壞，應力集中區(qū)域擴大至四周巖體，在空洞周邊形成1 個應力松動圈（即應力降低了的區(qū)域）。當?shù)貙映霈F(xiàn)空洞、沉降或其他變化時，破壞了地層結構，破壞地段的一定深度內縱橫上速度均會發(fā)生變化。根據(jù)頻散曲線可解釋速度分界面和地質異常情況。對于塌陷回填等不良地質體，面波的頻散曲線會向低速度偏轉，周期變長。在正常地層中，面波的速度向深部延伸，且曲線連續(xù)[10-11]。

4）橫波速度剖面解釋。當?shù)貙映霈F(xiàn)沉降或其他地層結構破壞事時，會發(fā)生塌陷、破裂、離層和彎曲等現(xiàn)象，層結構將變得松散，在橫波速度剖面上通常會呈現(xiàn)出低速異常特征[12]。

3.3 數(shù)據(jù)分析與解釋

以L1 線為例，分析橫波速度反演剖面圖，L1 線面波反演剖面圖如圖1。縱觀該線的橫波速度剖面可知，橫波速度剖面上具有如下特征：縱向上，總體呈現(xiàn)出隨著深度的增加速度值逐漸增大的基本特征，即速度值由近地表的200 m/s 向深部逐漸增大到300 m/s。橫向上，速度值出現(xiàn)突變或變化不均勻等現(xiàn)象，在樁號120～128 之間，標高1 189～1 192 m處，存在1 個明顯的速度變化帶，原有土體結構發(fā)生了改變，推測可能為疑似空洞的影響。

圖1 L1 線面波反演剖面圖

3.4 平面圖解釋

本次面波勘探所實施的10 條測線相互交叉，連接成網(wǎng)，采用插值近似的方法，將這10 條線進行平面地質解釋，完成了不同標高的3 個水平切片，標高分別為1 199、1 195、1 186 m，將深度不同的水平剖面進行對比，能夠得到以下波速分布特征。不同標高的橫波速度變化平面圖如圖2。

圖2 不同標高的橫波速度變化平面圖

測區(qū)波速的南部向北部具有逐漸升高的趨勢，說明區(qū)內淺表覆蓋層由北向南傾斜。在水平切片上，在測線中部存在1 塊低速帶，低速帶位于測線7 和測線10 之間，垂直鐵路呈條帶狀分布。

3.5 地質成果

根據(jù)10 條測線相互連結成樹枝狀的測網(wǎng)，采用插值近似的方法，完成了10 條線進行平面地質解釋。根據(jù)測線面波反演剖面，結合相同標高的橫波速度平面，圈出了3 個相對低速帶，命名為1＃、2＃和3＃低速異常區(qū)，最后綜合已知資料、野外地質調查、瞬態(tài)面波橫波速度剖面、相同標高橫波速度變化平面解釋，完成了勘探區(qū)的相對低速區(qū)解釋。

4 結語

1）采用瞬態(tài)面波方法完成鐵軌周邊空洞探測施工，共完成測線10 條、檢波點508 個、炮點508 個。

2）獲得工區(qū)橫波速度剖面10 條，工作數(shù)據(jù)質量滿足要求。

3）基于已知地質資料，野外地質調查資料，對瞬態(tài)面波法所取得數(shù)據(jù)進行處理分析，完成了鐵軌下疑似空洞異常引起的地層疏松低速區(qū)解釋，共圈出可靠程度較高的相對低速區(qū)3 處。

4）震動干擾大、地表碎石覆蓋、結構松散等條件下，采用瞬態(tài)面波能夠對10 m 以淺范圍內低速異常區(qū)進行解釋。

5）根據(jù)探測資料，空洞或空洞引起地層疏松情況走向基本為垂直鐵路方向，探測范圍內順鐵路方向無異常反應。

6）根據(jù)后期空洞治理施工情況，勘查成果較為可靠。