2016, Vol. 31
在地铁隧道施工过程中，盾构机掘进时遇到孤石，掘进施工将非常困难，造成刀具磨损严重、刀座和刀盘变形等破坏(古力，2006).因此需精确的探测出地下孤石的位置、分布范围及边界等，为盾构机施工方案提供参考依据.孤石探测是一项重要的研究课题, 但是仍处于发展阶段(吴成平和胡祥云，2007；党如姣，2012；徐佩芬等，2012).采用地震波层析成像方法可依据不同介质的波速差异来精确圈定孤石分布区域，探明地下孤石沿深度及横向的连续分布情况，为后期施工提供参考资料，既节约施工成本，又提高工作效率.该方法在不损害测试对象的前提下，“透视”测试对象的外部及内部结构，具有分辨率高、可靠性好、图像直观和信息量大等特点，是常规技术所不及的(赵永贵等，2000；成谷等，2003)，可用于解决多种复杂的地质问题(孙宇等，2003；肖宽怀等，2003；王妙月，1997；郭慧丽和徐佩芬，2011；张凯等，2013).但又由于物探方法的多解性与复杂性，对于探测结果的精确度与准确性需经充分分析和验证，方可将探测结果应用于实际工程.
地震波的原始记录未经人工处理，根据其中的波形频率、振幅、初至时间及频谱分析结果等，能够初步推测地下空间异常大概分布情况以及地下是否有孤石存在，可用于判断资料处理中不同反演参数所得的不同反演结果的正确性.
1 方法原理地震波层析成像(CT)是一种地下物探方法(王振东，1996)，在井下进行地震波的激发和接收，通过对观测到的弹性波各种震相的动力学(波形、振幅、相位、频率)资料和运动学(走时、射线路径)的分析，进而反演地下介质的结构、速度分布及其弹性参数等重要信息(中国水利电力物探科技信息网，2011)，该方法通常可用于探测规模小，要求精度高的地下介质细结构.
地震波在地质体中传播时，岩土体纵波传播速度公式为
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(1) |
其中，vP为纵波速度；E为介质的杨氏弹性模量；ρ为介质密度；μ为介质的泊松比.
不同的岩体弹性参量不相同，传播速度也就不同.当某条射线通过目标地质体时，将产生走时差.但仅仅根据一条波射线所产生的速度差异难以判别异常体的位置，当采用相互交叉的致密射线网络时，就会对异常地质体在空间上产生强有力的约束.地震波层析成像采用一发多收的扇形穿透，经过逐点激发，在被测区域内形成密集的射线交叉网络(如图 1).
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图 1 跨孔CT射线网格示意图 Figure 1 The grid Ray of cross-hole CT |
资料处理时，根据射线的稀疏程度及成像精度，将被测区域划分成若干规则的、介质均匀及波速单一的成像单元，再运用弯曲射线追踪反演算法精确地获得异常体的展布形态.
2 数据处理分析 2.1 数据处理步骤(1)定义排列参数及建立成像坐标系，如：炮点和检波点的x、z坐标.
(2)直达波初至时间提取.初至波是从激发点直接传播到检波点的地震波；具有起跳时间最早、能量很强的特点，该时间为地震波信号的传感器所接收到的第一个实际地震波信号的走时(姜少之，2006)，当地震波记录上噪声较大以至初至波难以辨识时，应拾取第一波峰(或波谷)对应的时间并做相应的校正(李世民等，2004).
(3)创建初始模型，孤石探测反演所选初始模型类型为平均速度模型.
(4)成像参数设置：网格大小、精度级数、迭代次数、初至提取误差、速度约束、平滑参数等，网格大小是根据炮间距和检波点间距来定，必须保证一个网格至少有一条射线经过(张平松等，2012).
(5)反演成像，导出反演层析成像剖面图.
2.2 实例反演分析论文引用某地铁线路施工过程中采用地震波层析成像法探测地下孤石的工程实例.依据跨孔层析成像反演结果揭示钻孔间波速值差异，波速越大反映岩土体密度越高(见表 1)(林在贯等，1994)，由于被探测目标体即孤石与周边介质存在波速差异，且孤石的风化程度不同，其波速也相应改变，一般定义波速大于2000 m/s的且周围介质波速均小于2000 m/s的孤立介质为孤石，依据波速差异即可推测地下孤石的分布位置并圈出孤石的分布区域.
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表 1 岩石风化程度分类的参考指标 Table 1 The degree of weathering of rock Classification reference Index |
如图 2所示, 跨孔层析成像剖面中，横向距ZK1孔0~11 m埋深7~20 m的介质为波速小于2000 m/s的淤泥等覆盖层；横向距ZK1孔1.7~11 m埋深20.5~23.5 m分布波速大于2000 m/s的强-中风化孤石，孤石沿ZK1向ZK2方向有向深部呈带状逐渐延伸的形态，剖面厚度约3.0 m；横向距ZK1孔4~11 m埋深25.5~30 m段分布波速大于2400 m/s的中-微风化孤石，孤石沿ZK1向ZK2方向呈向浅部带状逐渐延伸出探测区域的趋势，剖面厚度约3.5 m.
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图 2 跨孔CT成像剖面图 Figure 2 The sectingal view of the cross-hole CT imaging |
层析成像反演结果，探明了孤石的分布区域，包括深度、范围、边界等；但由于物探的多解性与复杂性，受资料处理参数选择等多种因素的影响与制约，反演结果具有不唯一性、多解性.通过对地震波原始记录的动力学与运动学特征进行具体的研究分析，可初步判断资料处理参数选择的合理性及反演结果的正确性.
3 地震波原始记录特征分析 3.1 动力学特征动力学特征即是波传播过程中，其振幅、频率、相位等变化规律.
通过对不同深度激发点的地震波记录进行频谱分析处理，浅层激发点的地震波记录谱能量集中在低频部分，主频凸出，单峰(见图 3a)；当激发点深度逐渐增大时，频谱中的高频成分能量增强，谱能量集中在中高频部分，主频不突出，呈现多峰(见图 3b、c).分析认为，由于地下介质的非完全弹性和不均匀性，当地震波通过地层介质传播时，会出现波的吸收和频率衰减现象；密实度越小、越松散的介质，波速越小，地震波在其中传播时，波的吸收和频率衰减现象越严重(王辉等，2001；陈志德等，2012；李子顺，2007).随着激发点的深度和地层密实度的增大，地震记录中的主频会逐渐向中高频变化，如波传播经过的是相对均匀的介质，主频应呈单峰形状.图 3a中频谱能量集中在低频部分，主频突出，推测地震波在较均匀的低速介质中传播；图 3b、c中频谱能量集中在中高频部分，带宽较大，没有突出的主频，说明波传播经过了密实度变化较大的多种介质，且其中存在密实度较大的介质，推测相应的深度存在孤石.
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图 3 不同炮点深度地震波频谱图 (a)12.5 m激发; (b) 21.5 m激发; (c) 27.5 m激发. Figure 3 Different shot depth spectrum of seismic waves |
不同炮点深度频谱分析结果汇总如表 2所示，当炮点深度在20.5 m以下时，谱能量主要集中在中高频，即高频能量开始衰减较慢，则推测地下较深层(20.5 m以下)存在高速异常介质，又由相关规范可知，波速越高，介质越完整、坚硬且密实度越高(张慧等，2007)，则推测该异常介质为孤石.
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表 2 地震波频谱分析结果表 Table 2 The results of seismic wave spectrum analysis |
波的运动学特征即波传播的时间与空间的关系.相同的传播距离，波在高速介质中要比在低速介质中传播快，即传播过程中所需时间短.
图 4为激发点深度在21.5 m时，24道接收的地震波记录.记录中，深度27.5~21.5 m (3-9道)处接收的地震直达波初至时间与各检波点和激发点的间距不成正比，较地震波在均匀介质中传播时初至时间要提前，这几道的初至时间差异也相对较小，且初至波波形出现局部畸变现象；而20.5~6.5 m (10-24道)的初至时间则随远离炮点而逐渐增大，并且波形清晰，未出现畸变.分析认为，由于地震波传播中在弹性分界面或岩性突变点时会产生反射、绕射、折射及透射情况(刘宏岳，2010)，导致3-8道检波器接收到的地震波出现畸变；从初至时间上看，3-9道地震直达波的传播时间明显较小，说明3-9道接收的地震波射线穿过了波速相当较高的介质(Liu and Dong, 2012)，据此推测相应的区域存在孤石.
上述对地震波原始记录的动力学与运动学特征所进行的分析，均说明剖面深部位置(20.5 m以下)存在推测为孤石的高速介质，推测结果与跨孔层析成像反演结果较一致，进一步确认了资料处理中参数选择的合理性及反演结果的正确性.
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图 4 21.5 m激发地震波记录图 Figure 4 The recorded of seismic waves in the depths of 21.5 m |
经跨孔CT剖面图上对应的X8验证孔验证可知，在X8孔对应的位置确有孤石分布，孤石分布的深度范围为20.6~22.5 m.钻孔岩芯照片见图 5.
通过钻探手段来验证层析成像反演结果是否真实可信，直观准确，但受场地及成本的制约，且“一孔之见”难以体现孤石的全局分布.通过对地震波原始记录的动力学与运动学特征所进行的分析，可对反演结果的正确性做出判断.
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图 5 X8钻孔岩芯图 Figure 5 Drill core of X8 point |
通过工程实例对地震波层析成像的反演结果、地震波原始记录的分析推断结果及钻探验证结果的比较，得出如下结论：
(1)采用地震波跨孔层析成像方法，能够较详细探测地下孤石，对孤石的形状、分布范围均有较高的分辨率.
(2)通过对地震波原始记录的动力学与运动学特征的分析，可对探测区域地下孤石的分布情况进行初步的推测，进而确认地震波层析成像反演结果的正确性.
致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！| [] | Chen Z D, Zhang J, Lu F Z, et al .2012. Seismic data high frequency compensation and phase correction based on the direct wave of zero-offset VSP data[J]. Progress in Geophysics, 27 (5) : 2068–2076. DOI:10.6038/j.issn.1004-2903.2012.05.030 |
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