張亦朋

廣東省化工地質(zhì)勘查院 廣東 廣州 510800

1 前言

瞬態(tài)面波法近年來(lái)在淺層地質(zhì)勘查、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、透明城市探測(cè)和無(wú)損檢測(cè)等方面應(yīng)用非常廣泛。與其它的地震探測(cè)方法相比，瞬態(tài)面波法具有高信噪比、野外采集便捷、垂直分辨率高等特點(diǎn)。作為一種無(wú)損、快速、連續(xù)且經(jīng)濟(jì)有效的物探檢測(cè)方法，已經(jīng)在鐵路、城市軌道交通巖溶注漿加固質(zhì)量檢測(cè)中廣泛應(yīng)用[1]。關(guān)于注漿質(zhì)量的檢測(cè)評(píng)定，文獻(xiàn)[2]目前瑞雷面波法用于評(píng)價(jià)注漿加固效果應(yīng)采用加固前與加固后兩次觀測(cè)對(duì)比的方法，以波速的提高和曲線頻散（曲線的形態(tài)和頻散特征、“之”字形拐點(diǎn)和曲率的變化特征）的改善作為依據(jù)。

目前在瞬態(tài)面波探測(cè)中大多采用多道瞬態(tài)面波分析法(簡(jiǎn)稱MASW）[3]，這種面波分析方法是利用多道的疊加效應(yīng)提高頻散曲線計(jì)算的準(zhǔn)確性，從而提高了垂向探測(cè)精度。目前所采用的MASW方法由于多道疊加效應(yīng)，多道地震記錄只能計(jì)算出一條頻散曲線，這樣使得MASW方法由于其平均效應(yīng)導(dǎo)致在橫向上分辨率相對(duì)較低，不同偏移距的頻散曲線不穩(wěn)定性等問(wèn)題?；谀壳懊娌ù嬖诘膯?wèn)題，如何在面波探測(cè)中既能夠利用少量地震道提取頻散曲線，又能夠壓制干擾使得提取的頻散曲線精度較高，滿足探測(cè)的需要。針對(duì)這種情況，中南大學(xué)張大洲博士等發(fā)明的多偏移距二維橫向高分辨率瞬態(tài)面波（Multiple Offset Surface wave Tomography, 簡(jiǎn)稱MOST）探測(cè)方法[5]，該方法已經(jīng)申請(qǐng)發(fā)明專利（發(fā)明專利號(hào)：ZL 2021 1 0950680.3）。該探測(cè)方法和裝置比目前常規(guī)瞬態(tài)面波，可以利用多偏移距多次激發(fā)的地震數(shù)據(jù)對(duì)同一位置的頻散曲線進(jìn)行疊加，可以有效壓制干擾，提高頻散曲線提取的精度，能夠同時(shí)保證面波探測(cè)的縱向分辨率和橫向分辨率，具有更簡(jiǎn)便、高效、縱橫向分辨率高、成果直觀、適用場(chǎng)地小等優(yōu)點(diǎn)。

2 多偏移距二維橫向高分辨率瞬態(tài)面波原理

MOST方法在數(shù)據(jù)采集時(shí)采用多偏移距且在排列兩邊激發(fā)并接收數(shù)據(jù)，在頻散曲線提取過(guò)程中利用兩個(gè)檢波器所接收到的多個(gè)偏移距數(shù)據(jù)所計(jì)算得到的頻散譜進(jìn)行疊加，從而增強(qiáng)頻散曲線的穩(wěn)定性。由于是采用兩道計(jì)算頻散曲線，因此在一個(gè)排列中可以計(jì)算出多個(gè)頻散曲線，從而提高橫向分辨率。圖1為MOST方法和常規(guī)的MASW方法的對(duì)比示意圖。

圖1 多偏移距二維橫向高分辨率瞬態(tài)面波法和常規(guī)瞬態(tài)面波法對(duì)比

多偏移距二維橫向高分辨率瞬態(tài)面波探測(cè)方法（MOST）的第一個(gè)特點(diǎn)為：（1）在探測(cè)區(qū)域可以布設(shè)n個(gè)檢波器，其中，n＞2，檢波器呈線性排列，在檢波器排列的兩側(cè)不同偏移距分別設(shè)置m個(gè)震源，其中，m＞1；在設(shè)置的m個(gè)震源處分別激發(fā)地震波并通過(guò)布設(shè)的n個(gè)檢波器對(duì)激發(fā)的地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行采集接收，得到m個(gè)震源激發(fā)后的m×n道地震波數(shù)據(jù)；將一個(gè)震源激發(fā)后所接收到的n道地震波數(shù)據(jù)，通過(guò)模式分離方法對(duì)n道地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除體波、聲波和其他干擾波，得到n道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)；對(duì)所述n道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)，通過(guò)多重濾波方法依次計(jì)算每相鄰兩個(gè)檢波器瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)的F-V譜，得到n-1個(gè)F-V譜；對(duì)所述步驟2中所接收到的每個(gè)震源的n道地震波數(shù)據(jù)執(zhí)行上述兩個(gè)步驟，得到m×（n-1）個(gè)F-V譜；將m×（n-1）個(gè)F-V譜中相同兩個(gè)檢波器不同震源的瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)計(jì)算出F-V譜進(jìn)行疊加平均，得到n-1個(gè)合成的F-V譜；對(duì)每個(gè)合成的F-V譜進(jìn)行頻散曲線拾取，得到n-1條頻散曲線；對(duì)n-1條頻散曲線進(jìn)行迭代反演，獲得二維橫波速度剖面。

（2）多偏移距二維橫向高分辨率瞬態(tài)面波探測(cè)方法第二個(gè)特點(diǎn)為：多個(gè)檢波器按間距線性排列，每?jī)蓚€(gè)檢波器間的間距設(shè)置為等距或不等距；定義偏移距為每個(gè)震源與首個(gè)檢波器之間的距離，設(shè)置的最小偏移距不小于一倍檢波器的間距，設(shè)置的最大偏移距為離震源最遠(yuǎn)的一個(gè)檢波器能夠接收到明顯且完整的面波信號(hào)。

（3）多偏移距二維橫向高分辨率瞬態(tài)面波探測(cè)方法第三個(gè)特點(diǎn)為：多個(gè)檢波器同時(shí)對(duì)地震波進(jìn)行采集，其中，每一個(gè)檢波器采集一道地震波數(shù)據(jù)，多個(gè)檢波器獲得多道地震波數(shù)據(jù)，將多道地震波數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)際位置放置形成多道時(shí)間-空間域數(shù)據(jù)，將多道時(shí)間-空間域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為多道頻率-波數(shù)域數(shù)據(jù)或多道頻率-相速度域數(shù)據(jù)，通過(guò)模式分離方法分別將每道頻率-波數(shù)域數(shù)據(jù)或每道頻率-相速度域數(shù)據(jù)中的聲波、體波和其他干擾波進(jìn)行去除，僅保留瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)，將保留的多道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)反變換為時(shí)間-空間域數(shù)據(jù)，得到多道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

廣州市軌道交通十二號(hào)線工程（潯峰崗-大學(xué)城南）某區(qū)間地處巖溶強(qiáng)發(fā)育地帶，盾構(gòu)下穿京廣鐵路后在鐵路周邊發(fā)生一處地面沉降塌陷，施工方迅速作出反應(yīng)，針對(duì)塌陷區(qū)采取注漿加固工作。為了保證完全消除地質(zhì)災(zāi)害隱患，多方達(dá)成一致意見對(duì)塌陷注漿加固區(qū)域進(jìn)行瑞雷面波法檢測(cè)。主要是評(píng)價(jià)巖溶塌陷區(qū)的注漿加固效果。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

瑞雷面波法（瞬態(tài)）采用多道多偏移距觀測(cè)裝置，采用重慶地質(zhì)儀器廠的DZQ-24A型工程地震儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。瑞雷面波法采用36磅大錘作為錘擊震源激發(fā),記錄道24道，檢波使用固有頻率4.5Hz的垂直檢波器。道間距1m，偏移距采用6、8、10m，采樣間隔0.5ms，記錄長(zhǎng)度2048樣點(diǎn)。

3.3 資料處理

（1） 瑞雷面波法數(shù)據(jù)處理

1）首先對(duì)同一個(gè)震源激發(fā)并接收到的一個(gè)排列多道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)通過(guò)模式分離方法進(jìn)行預(yù)處理；

2）對(duì)預(yù)處理后的瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)取相鄰兩道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)計(jì)算出F-V譜，這樣在一個(gè)震源激發(fā)多個(gè)檢波器接收的數(shù)據(jù)就會(huì)得到不同位置的多個(gè)F-V譜；

3）對(duì)于多個(gè)震源激發(fā)并接收到的瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟1）和步驟2），這樣就可以在同一個(gè)位置得到多個(gè)F-V譜；

4）獲得同一個(gè)位置多次震源激發(fā)后計(jì)算得到的所有F-V譜進(jìn)行疊加和平均，得到一個(gè)合成的F-V譜；

5）對(duì)一個(gè)排列獲得的不同位置的多個(gè)合成的F-V譜進(jìn)行頻散曲線拾??；

6）對(duì)拾取出的頻散曲線進(jìn)行多模式反演，獲得二維橫波速度剖面；

7）根據(jù)反演的結(jié)果，結(jié)合其他地質(zhì)資料進(jìn)行綜合解釋。

（2）瑞雷面波法資料解釋

瑞雷面波法解釋主要是在數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)波速的變化來(lái)進(jìn)行對(duì)比解釋。

3.4 注漿效果對(duì)比分析

選取其中一條剖面為例子進(jìn)行比對(duì)分析，對(duì)物探MB1線與MJ1線面波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析解釋，注漿效果作如下闡述：

如圖2所示，MB1線為第一次注漿加固后探測(cè)波速影像圖，圖中波速值顯示淺部較低，深部逐漸變大，局部存在低速封閉異常；其中在7-17m之間深度在2-4m出現(xiàn)低速和相對(duì)低速異常區(qū)，推測(cè)為土體疏松區(qū)（編號(hào)：SS1），其波速值小于170m/s；在21-22.5m之間深度在3.5-4.0m出現(xiàn)出現(xiàn)低速和相對(duì)低速異常區(qū)，推測(cè)為土體疏松區(qū)（編號(hào)：SS2），其波速值小于170m/s；在18-22m之間深度在10.2-14m出現(xiàn)出現(xiàn)低速和相對(duì)低速異常區(qū)，推測(cè)為巖溶發(fā)育區(qū)或土洞（編號(hào)：YT1），其波速值小于195m/s；推測(cè)注漿區(qū)域波速值小于210m/s。YT3異常經(jīng)過(guò)鉆探驗(yàn)證，在埋深12.20-14.50m左右發(fā)現(xiàn)土洞一處，并對(duì)土洞進(jìn)場(chǎng)二次注漿加固。

圖2 MB1線與MJ1視橫波波速影像圖

MJ1線為第二次注漿加固后探測(cè)波速影像圖，圖中波速值顯示波速可分三層，由淺至深波速為中-低-高的漸變過(guò)程，層狀較明顯；與MB1線成果對(duì)比：①淺地表經(jīng)過(guò)第二次注漿后，波速值有明顯的提升，注漿加固效果顯著；②SS1、SS2異常范圍經(jīng)過(guò)第二次注漿加固后，在MJ1線中未發(fā)現(xiàn)存在低速封閉異常，對(duì)應(yīng)范圍波速值為165-210m/s，注漿效果顯著；③YT3異常范圍經(jīng)第二次注漿加固后，在MJ1線中未發(fā)現(xiàn)存在低速封閉異常，波速值大于220m/s，注漿效果顯著；④MB1線推測(cè)注漿區(qū)域范圍與MJ1線相同位置波速值有明顯的提升，注漿較強(qiáng)效果較第一次有明顯改善。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）經(jīng)對(duì)兩次注漿加固后的面波資料分析，說(shuō)明巖溶塌陷區(qū)內(nèi)注漿較好的充填了淺層土洞，對(duì)淺層軟弱松散不均勻體產(chǎn)生了有效的固結(jié)作用，消除了不良地質(zhì)體可能會(huì)產(chǎn)生的地災(zāi)隱患。

（2）通過(guò)多偏移距二維橫向高分辨率瞬態(tài)面波探測(cè)方法在巖溶塌陷注漿檢測(cè)的應(yīng)用，并得到鉆孔驗(yàn)證，說(shuō)明該方法能夠全面、客觀、直觀、快速有效地檢測(cè)注漿質(zhì)量效果。