瞬态面波在地下洞室工程地质勘察中的应用浅析

摘要：瞬态面波勘探技术利用面波的频散特性和传播效率创新而来的一种岩土勘察技术，其通过面波自身特质与岩土物理力学性质的相关性来解决工程地质中存在的诸多问题，且具备勘察精度高、效率快、场地要求低等优势性，目前被广泛应用在岩土工程勘察中，本文以面波特性及相关原理为切入点，分析瞬态面波勘探技术的工作方法及数据处理，并结合工程实例，浅析利用面波勘探技术在地下洞室勘探中的应用。

关键词：瞬态面波；地下洞室；频散曲线

1.理论基础

作用于均匀半无限空间表面的点震源能产生纵波、横波和瑞利波（面波），其能量比为7：26：67。随着波的传播距离增大，纵波和横波的振幅与r成反比例减少，瑞利波振幅则与r1/2成反比例减少。瑞利波的质点振动是由垂直分量和水平分量合并而成，在水平方向呈倒转的椭圆运动，在垂直方向呈正转椭圆运动，转动的方向总是与波的传播方向相反。随着传播深度的增加面波质点的位移迅速地衰减，衰减系数与波长λ成反比。

瞬态瑞利波法是用锤击使地面产生一个包含所需频率范围的瞬态激励。当我们已知频率为的瑞利波速度后，由半波长理论可知，所测量的瑞利波平均速度可以认为是1/2波长深度处介质的平均弹性性质，即勘探深度H是：

对于勘探深度较深的低频而言，两个观测点之间的距离Δ要变大，才能测到较为正确的相位。对于勘探较浅的高频来说，Δ要变小。根据实际经验，Δ取1/3～2间较为合适。即在一个波长内采样点数要小于在间距Δ间的采样点数的三倍，和大于在Δ间的采样点数的0.5倍。

瑞利波在层状介质中具有频散特性，即不同频率的瑞利波以不同的速度传播的特性，根据频率与波长的关系，可知不同波长的瑞利波的传播特性则反映了不同深度地基土的变化情况。瑞利波的传播速度与剪切波的传播速度具有相关性，在弹性半空间中，瑞利波波速可近似地以表达为：

2.测试方法及仪器参数

2.1 测试方法

瑞利波是一种沿地表传播的波，其传播的波阵面为一个圆柱体，传播深度约为一个波长，因此同一波长的瑞利波传播特性反映了地基土水平方向的特性。

瞬态瑞利波法是以土动力学和弹性力学为理论基础，该方法是在地表设置瞬态振源，利用18磅大锤瞬间击发，振源的同一侧布置十二个垂直传感器，相邻两个垂直传感器之间的水平距离为2.0米，瞬态振源距第一道传感器的距离为3米。通过对十二道曲线进行反演拟合优化计算得出检测中心点下各土层的面波速度。瞬态瑞利波法探测示意如图所示

2.2仪器参数

多波列数字图像工程勘探与工程检测仪主要技术参数为：12通道、24通道，采样率0.005～20ms 数档，瞬时浮点放大，A/D 转换 20bit，信号增强 32bit，高、低通滤波、全通数字滤波，频带宽度 0.5～4000Hz，DC12V 电源，使用环境-5～50℃。

3. 工程应用

3.1工区概况

在鞍山某工地要求对地下洞室在山坡顶部进行洞顶岩石厚度探测及对洞室周围岩石完整程度评价，在该工区，由于没有钻机入场的道路，进驻场地通道窄小，钻机无法入场，对一般的钻探方法带来了很多困难，该现场没有详细的勘察资料而且不具备勘察的条件，在这种情况下，我们引进了多功能面波仪，半个月内，保质保量地完成了勘探任务。

3.2工作布置

在实测工作之前，我们首先进行展开排列，即震源点不动，移动排列，取得合适的道间距及偏移距，在本次勘探中我们采用的道间距为 2m，偏移距为 3m。排列方向布设原则，在山坡顶沿洞室方向及垂直方向布设若干个探测剖面。

3.3资料处理及成果分析

测区为基岩出露地区，地表 1～3m以侵岩和强风化碎石为主，介质不均匀。对于地震波来说，介质的强度与介质的速度有着良好的关系，在同一区域内相同物理条件下，相同强度的岩土介质，其面波的速度是确定的，因此可以根据所求得的岩石层速度值来反演岩石层的物理状态和物理特征。地下存在的洞室，可以看作是种特殊的介质体，主要表现在洞室存在的范围内，频散曲线上出现断点，而且频散点分布非常散乱，因此在实际工作中，就可以根据面波频散曲线的异常位置来判断所在测点地下洞室存在的可能性以及其埋藏深度及发育状况等。

图2a图2b为实测地下有洞室和无洞室两种频散曲线。瞬态面波频散曲线出现严重离散，不连续或出现低速倒转开口段，表明存在地下洞室，继而根据频散曲线的特征判断洞室的位置以及深度。曲线连续且有规律变化，表明地下不存在洞室，只是地下物质密度或强度不同影响所致。

利用面波法对地下洞室进行探测，研究分析测得面波频散曲线，由已知参数标定识别出空洞区域频散曲线特征，其频散曲线不连续，且呈低速倒转开口，受洞室空心影响此范围的波速明显低于岩石正常速度，据此识别洞室位置及厚度。根据图 2b 所示隧道距坡顶岩石厚度分别约为 5.5m、5.3m，洞室高度约为 5m，根据测试波速下部岩石较完整。图2a测试剖面下无地下洞室，岩石较完整。

4.结论及建议

瞬态面波法辅之其它勘探手段，划分埋深浅，厚度薄的土层与目前常规的电法，地震反射（纵横波）相比，具有明显的优势。所取得的原始数据简便直观，可以为施工阶段地基处理效果及检测提供最直接的检测数据。利用仪器反演特性结合实践经验可以克服人为因素，并与触探等手段相对应，可以大大提高勘察精度，降低勘测费用。利用瞬态面波法等探测地下洞室是有效的，但是纵向分辨精度的提高，应采取综合地质勘察的方法，达到优势互补，相互补充，使勘察手段不断完善，提高勘察设计水平。

参考文献：

[1] 徐元璋，高桥松．瑞雷面波勘探法的资料处理与解释．工程地球物理学报．2013年第十卷第1期．

[2] 桂昊．多道瞬态面波法在高铁岩溶检测中的应用．绿色科技．2018年24期．

[3] 董先军，葛建伟．瞬态多道面波勘探技术在工程勘察中的应用．西部探矿工程．2011年第2期．