地震散射剖面技術在隧道病害診斷中的應用

SSP地震散射勘探技術是一種精細的地震勘探方法，適用于城市、水上、山區、場地復雜地質條件的勘查。

-它利用地下介質的非均勻性產生的散射波對地質結構成像，分辨率高，圖像直觀。

-將SSP應用到隧道塌方的地質病害診斷，查清了病害的地質原因及影響范圍，為隧道病害治理提供了可信依據。本文介紹其在某隧道病害診斷中的應用。

地震散射剖面技術在隧道病害診斷中的應用

某隧道地質病害概況

某隧道單洞總長1.6公里，埋深150米，該隧道所處地區為白云巖，地質條件復雜，山勢陡峻，溝壑縱橫，地形起伏較大，斷裂構造發育。隧道開挖中發生坍塌，坍塌范圍40米。為對隧道地質病害進行有效治理，需要開展物探工作，查清塌方的地質原因和影響范圍。隧址地質條件復雜，垂向和橫向地質結構變化劇烈，地震反射效果不佳。山體表面巖體裸露，接地條件不好，高密度電法無法應用。隧道坍塌段埋深80m，地質雷達探測能力不及，所以采用地震散射勘察技術。主要勘探任務是：

① 查明該隧道塌方的地質原因；

② 查明隧道塌方的影響范圍和是否形成空區；

③為隧道塌方的綜合治提供建議方案。

隧道病害診斷觀測方案

本次隧道病害診斷采用大排列觀測方式。使用24道高分辨地震儀，采樣率22.5微秒，A/D轉換24Bit。使用速度型縱波檢波器24只，自振頻率100Hz。實際使用采樣率45微秒，記錄長度2048樣點，設計探測深度180m。測線長20m，在地表布置，沿隧道軸線，以坍塌地段為中心。檢波器間距2m，單排列長度48m。24磅錘擊震源，間距4m，兩端偏移距12m，每排列錘擊點19個，每點錘擊3-4次進行疊加。勘探中共施工3個排列，首尾相接。共得到有效地震記錄57個。

地震散射數據的處理流程

SSP地震數據的處理的主要為方向濾波、速度掃描和地質體的偏移成像三個環節。方向濾波的作用是濾除面波和直達波干擾，突出地下反射與散射波，實現波場的分離，這是成功獲取散射信息的關鍵措施。特別是地下孤立體的散射信號很弱，如果不采用方向濾波手段濾除面波干擾，該孤立體的散射能量很難被發現。下圖是地震記錄方向濾波前后的比較，濾除面波后的記錄（圖2右部分）中可以清楚地看到地下的散射信號。

圖2 方向濾波前（左）后（右）地震記錄的比較

散射地震數據處理中的速度掃描不同于反射地震中的速度譜分析，散射地震數據處理中的速度掃描是以偏移疊加的能量為依據，獲得偏移波速。地震偏移成像中使用合成孔徑成像技術，同時適合反射層和散射點的走時特點，實現對地質介質的散射系數成像。圖像表征了地質結構的主要特征和巖土介質的力學性狀。散射系數正的區域用紅色表示，表示介質波速升高，巖石變得堅硬，承載力提高；反之介質變的松軟，承載力下降。

圖3 SSP地質構造偏移圖像

隧道塌方的勘查結果與解釋

通過上述地震散射勘探，得到深度120m，長100m的地質斷面（圖3）。實現對地質介質的散射系數成像。圖像表征了地質結構的主要特征和巖土介質的力學性狀。散射系數正的區域用紅色表示，表示介質波速升高，巖石變得堅硬，承載力提高；反之用藍色表示，介質變的松軟，承載力下降。勘測獲得的偏移圖像中呈現以下幾個特點:

1．剖面內巖體特性上下差異明顯。地表淺層40m范圍內圖像以藍色為主，圍巖波速低，波速小于2.5km/s，為坡積體，碎石堆積與強風化巖；下部圖像以紅黃色主，波速在3.0-3.5km/s范圍，為中等分化和微風化白云巖；

2． 隧道ZK41+465--+415的50m范圍內為斷裂破碎帶，產狀陡峭，視傾角50°。塌方上方20m的范圍內發現3-4處零散松動空區（藍色區域），推斷為塌方影響帶。

以上地震散射勘測結果表明，隧道的塌方是由于斷裂破碎帶引起，斷裂帶在隧道走向的視長度50m。塌方影響高度達20m，形成松動區，但未發現大的空洞。建議在隧道內對松動區進行注漿處理，處理范圍+415--+465的50m，沿斷裂帶注漿，注漿深度15m。

結論

基于地震散射的SSP勘探技術比傳統的地震反射技術更適合復雜地質與地形條件工程勘察。其排列小，采集密集，成像精度高，特別適合城市道路、煤礦采空區、隧道病害等領域的精細探測。