地震散射剖面技术在隧道病害诊断中的应用

SSP地震散射勘探技术是一种精细的地震勘探方法，适用于城市、水上、山区、场地复杂地质条件的勘查。

-它利用地下介质的非均匀性产生的散射波对地质结构成像，分辨率高，图像直观。

-将SSP应用到隧道塌方的地质病害诊断，查清了病害的地质原因及影响范围，为隧道病害治理提供了可信依据。本文介绍其在某隧道病害诊断中的应用。

地震散射剖面技术在隧道病害诊断中的应用

某隧道地质病害概况

某隧道单洞总长1.6公里，埋深150米，该隧道所处地区为白云岩，地质条件复杂，山势陡峻，沟壑纵横，地形起伏较大，断裂构造发育。隧道开挖中发生坍塌，坍塌范围40米。为对隧道地质病害进行有效治理，需要开展物探工作，查清塌方的地质原因和影响范围。隧址地质条件复杂，垂向和横向地质结构变化剧烈，地震反射效果不佳。山体表面岩体裸露，接地条件不好，高密度电法无法应用。隧道坍塌段埋深80m，地质雷达探测能力不及，所以采用地震散射勘察技术。主要勘探任务是：

① 查明该隧道塌方的地质原因；

② 查明隧道塌方的影响范围和是否形成空区；

③为隧道塌方的综合治提供建议方案。

隧道病害诊断观测方案

本次隧道病害诊断采用大排列观测方式。使用24道高分辨地震仪，采样率22.5微秒，A/D转换24Bit。使用速度型纵波检波器24只，自振频率100Hz。实际使用采样率45微秒，记录长度2048样点，设计探测深度180m。测线长20m，在地表布置，沿隧道轴线，以坍塌地段为中心。检波器间距2m，单排列长度48m。24磅锤击震源，间距4m，两端偏移距12m，每排列锤击点19个，每点锤击3-4次进行叠加。勘探中共施工3个排列，首尾相接。共得到有效地震记录57个。

地震散射数据的处理流程

SSP地震数据的处理的主要为方向滤波、速度扫描和地质体的偏移成像三个环节。方向滤波的作用是滤除面波和直达波干扰，突出地下反射与散射波，实现波场的分离，这是成功获取散射信息的关键措施。特别是地下孤立体的散射信号很弱，如果不采用方向滤波手段滤除面波干扰，该孤立体的散射能量很难被发现。下图是地震记录方向滤波前后的比较，滤除面波后的记录（图2右部分）中可以清楚地看到地下的散射信号。

图2 方向滤波前（左）后（右）地震记录的比较

散射地震数据处理中的速度扫描不同于反射地震中的速度谱分析，散射地震数据处理中的速度扫描是以偏移叠加的能量为依据，获得偏移波速。地震偏移成像中使用合成孔径成像技术，同时适合反射层和散射点的走时特点，实现对地质介质的散射系数成像。图像表征了地质结构的主要特征和岩土介质的力学性状。散射系数正的区域用红色表示，表示介质波速升高，岩石变得坚硬，承载力提高；反之介质变的松软，承载力下降。

图3 SSP地质构造偏移图像

隧道塌方的勘查结果与解释

通过上述地震散射勘探，得到深度120m，长100m的地质断面（图3）。实现对地质介质的散射系数成像。图像表征了地质结构的主要特征和岩土介质的力学性状。散射系数正的区域用红色表示，表示介质波速升高，岩石变得坚硬，承载力提高；反之用蓝色表示，介质变的松软，承载力下降。勘测获得的偏移图像中呈现以下几个特点:

1．剖面内岩体特性上下差异明显。地表浅层40m范围内图像以蓝色为主，围岩波速低，波速小于2.5km/s，为坡积体，碎石堆积与强风化岩；下部图像以红黄色主，波速在3.0-3.5km/s范围，为中等分化和微风化白云岩；

2． 隧道ZK41+465--+415的50m范围内为断裂破碎带，产状陡峭，视倾角50°。塌方上方20m的范围内发现3-4处零散松动空区（蓝色区域），推断为塌方影响带。

以上地震散射勘测结果表明，隧道的塌方是由于断裂破碎带引起，断裂带在隧道走向的视长度50m。塌方影响高度达20m，形成松动区，但未发现大的空洞。建议在隧道内对松动区进行注浆处理，处理范围+415--+465的50m，沿断裂带注浆，注浆深度15m。

结论

基于地震散射的SSP勘探技术比传统的地震反射技术更适合复杂地质与地形条件工程勘察。其排列小，采集密集，成像精度高，特别适合城市道路、煤矿采空区、隧道病害等领域的精细探测。