地震映像法在仰拱厚度检测中的应用

地震映像法在仰拱厚度检测中的应用

摘要：隧道仰拱是直接承受车辆动荷载的持力层，其厚度不足是影响列车行车安全的重要因素。本文结合采用地震映像法研究其在隧道仰拱厚度检测中的应用。结果表明:地震映像法在隧道仰拱底部空洞（溶腔）检测上具有较高的准确率，地震映像法检测结果与钻芯验证结果一致；地震映像法检测隧道仰拱底部空洞（溶腔）时，炮检距不宜过大，应以4~6m为宜，同时建议采取两道检波器进行地震映像法采集，然后单独对每道检波器的波形进行抽道和归集处理，以形成多炮检距的地震映像剖面，便于两个或者多个地震映像剖面互相印证，提高物探解释的准确性。

关键字：地震映像法，隧道，仰拱，厚度检测

1 地震映像法检测仰拱厚度基本理论

1.1 地震映像法理论

地震映像法又称高密度地震勘探和地震多波勘探，是固定偏移距不变沿剖面采集地震数据的一种勘探方法，是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的一种常用浅层地震勘探方法[1]。

地震映像法与反射波地震勘探有明显区别，它是一种采用等偏移距进行激发和接收，记录来自反射界面近法线反射信号的振幅和走时的浅层地震反射法[2-3]。在地面布置的测线上安置检波器，测量波的旅行时间与地面各接收点间的位置关系，通过计算机和人工对接收到的地震波的时间，通过纵波速度计算出地层的埋深。

1.2 地震映像法特点

地震映像法主要有以下特点[4]：

（1）地震映像法数据采集速度较快，但抗干扰能力弱，探测深度有限。

（2）地震映像法在资料解释中可以利用多种波的信息，即有效波不但是反

射波，还可以是折射波、面波、绕射波。或同时有2种或3种波能够反映地下地

质条件的变化。

（3）在探测目的较单一、只需研究横向地质情况变化的情况下，地震映像

法效果较好，而探测目的层较多时，不易确定最佳偏移距。

2 地震映像法采集技术研究

在现场采集前，必须在施工现场进行试验，通过反复试验确定直达波、折射波、声波、面波等规则干扰波出现的范围及有效反射波所处的位置，选取最佳偏

移距，使有效反射波避开各种干扰波的干涉，达到最佳接收效果。

2.1道间距和偏移距的选择

在地震映像法勘探中，调查目的不同，道间距亦不一样。一般说来，道间距小，测量精度高，但若兼顾工作效率，道间距不宜太小，并且还应根据目的层或

新鲜基岩的深度来综合确定[5]。

通过试验确定地震映像法的最佳道间距。炮点离检波器之间的距离叫偏移距，一般说来，偏移距的长度不应小于最浅的目的层深度，一般为道间距的整数倍。

在现场采集工作中，偏移距的选择应通过试验获得。

2.2激发和接收条件的选择

地震记录质量的好坏，在很大程度上取决于地震波的激发和接收条件，这是

关系到第一手资料质量好坏的问题。

A、激发方式的选择

激发条件是影响地震记录好坏的第一个因素，它是得到好的有效波的基础条件，如果激发条件很差，仅通过改进接收条件也得不到好的效果。地震映像法勘

探对激发条件的要求一般有以下几个：

(1)激发的地震波要有一定的能量，以保证获仰拱—围岩目的层的反射；

(2)要使激发的地震有效波能量较强，而干扰波相对微弱，有较高的信噪比；

(3)要使激发的地震波频带较宽，使激发的波尽可能接近脉冲(尖脉冲)，

以利提高地震勘探的分辩率；

(4)在同一震源点重复激发时，地震记录要有良好的重复性。

锤击是目前地震映像法勘探中采用最为广泛的一种简便激发方式，通常采用

大锤锤击置于地面的钢板和铝合金板，大锤一般是18磅或24磅的铁锤。

B、接收方式的选择

地震记录是研究地质现象的原始资料，因此在选择最佳激发条件的同时，应

选择良好的接收条件，以确保地震记录具有如下特点:

(l)接收的地震记录有效波突出，并有明显的特征；

(2)与各地震界面相应的有效波层次分明，波间关系清楚，尤其是目的层反

射应明显；

(3)干扰波少，强度弱，并易于分辨；

选择良好的接收条件，主要从检波器的性能，检波器与大地的祸合状况以及

检波器间距的选择等方面来考虑。

3 地震映像法检测仰拱厚度工程实践研究

3.1 工程概况

本文选择长昆线贵州段进行地震映像法检测仰拱厚度适用条件研究。

长昆线贵州段全长559.5公里，设计时速250公里。东起铜仁市玉屏县，经

凯里、贵阳、安顺，从盘县进入云南，与在建的贵广、渝黔、成贵等铁路相接。

正线长559.5km，桥隧比81.03%。主要工程有桥梁324座/123.1km，预制箱梁3093孔，现浇梁327孔；隧道223座总长330.3km，土石方5312.8万立方米，

永久用地18941亩，拆迁60.7万平方米。铺轨1124.4正线公里，道岔231组，

接触网1446.1条公里，房屋8.63万平方米。

3.2 参数设置

根据地震映像法检测的目的，目标体的埋深(隧道仰拱的埋深在2.0米左右)，确定地震映像法用于检测仰拱厚度的参数。通过现场试验、分析得到本次工程实

践的参数。

为了确定现场观测系统和主要采集参数，以及获取干扰波的特征，进行了多

次干扰波调查和现场试验，最终选择炮检距为4 m。为了消除随机干扰波，野外

采用了“1+2”锤击方法，即先敲一锤确定检波器是否耦合正常，在确保耦合正

常情况下，每个测点再叠加2炮。本次工程实践地震映像布置测点7336个，

7336测线米。经以上试验最后选定的探测观测系统和主要采集参数如下：记录道数：N=1；偏移距：X0=4m；采样间隔：Dt=0.1ms；

3.3 工程实践成果与钻探验证

经过多达7336个测点的地震映像法应用于隧道仰拱厚度检测的工程实践，

检测结果显示，由于难以提取隧道仰拱与围岩分界面的反射波形同相轴，经分析，判断地震映像法无法用于隧道仰拱的厚度检测。其原因推断如下，地震映像法属

于多波勘探的内容，其反射波的产生依赖于不同介质具有较大的波阻抗，才能产

生较大的反射系数。而隧道仰拱结构中，仰拱混凝土和围岩波阻抗接近，难以产

生反射波。

本次工程实践发现，对于隧道仰拱与围岩间的空洞情况，地震映像法能够较

好的检测。分析为一旦仰拱与围岩间存在空洞，空气的波阻抗与围岩及仰拱混凝

土均有很大的差异，由此产生了较明显的反射波，使空洞能被地震映像法检测具

备了条件。

图1为长昆线贵州段某隧道隧底存在空洞（溶腔）的地震映像反射图谱，从

图谱可知，在隧底存在空洞（溶腔）里程段，地震波出现了绕射、多次反射特征，地震波频率高、振幅强、能量大。