SSP地震散射技术在公路采空区勘察中的应用研究

魏荣华，王 波

(中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100097)

1 工程概况

国家某高速公路工程某标段总长约92 km，设计速度80 km/h。公路沿线施工条件较差，以山岭区为主，路面宽度25.5 m。经现场勘察查明，路线走廊带穿越采空区且采空区范围较大无法避让，影响路线长度约2800 m，最大埋深457 m，采空区范围内包含多座大桥，建设难度较大。

勘察是工程建设得以顺利开展的必要前提，浅层高分辨率地震勘探的意义重大，能够给设计与施工作业提供可靠的参考信息。对此，本文结合上述工程，以现阶段较主流的SSP地震散射技术为例展开探讨，阐述其具体的原理以及主要应用优势。

2 SSP地震散射技术概况

采空区的存在明显加大了公路施工难度，其后续运营期间也伴有较明显的安全隐患。如果开采不规范易导致采空区的结构缺乏规律性，基于常规的物探法难以掌握实际情况。对此，本文提出采用SSP地震散射技术，进行公路采空区勘察。

2.1 基本原理

反射地震方法的关键在于对地质体采取优化手段，将其视为层状地质模型，但事实上地层具有非均匀的特性，因此此法在采空区中所取得的勘察结果准确度不高。地震散射法的侧重点在于围绕非均匀地质体展开分析，由于地质体空间的变化，其对应的波阻抗随之改变。SSP地震散射技术采取的是在地表激发并接收地震波的方式，可根据地震波在地下的传播规律作出判断，分析在各岩层下的地震波实际情况，包含波速、波阻抗等关键指标，以此为依据构建地层分布形态，准确反映地层的实际情况[1]。

2.2 SSP地震散射技术的物理学基础

采空区的地层条件异常复杂，常伴有变形、断裂、填充水等现象，而在地质条件复杂的地区，通过岩层分界面难以准确反映出采空区的具体情况。相较于完整岩体而言，采空区为典型的低波速区，SSP地震散射技术则正是借助该特性实现高精度的勘察。采空区边界波阻抗具有较明显的变动特性，同时其散射强度也较大，因此能够确定采空区边界。SSP波速分布图的信息量丰富，包含采空区的具体发生位置、实际范围，而通过偏移图像则能够反映出采空区的详细轮廓，为后续的处理工作提供重要依据[2]。

2.3 SSP波速图像地质解译

通过SSP地震散射技术的应用，可根据采集到的数据创建波速剖面图，其反映的是纵波波速情况，根据此方面的信息可呈现出介质模量和密度的具体值。随着波速的提高，弹性模量与密度均呈同步增加的趋势。在得到波速信息后，可较为精准地解释地层、采空区等方面的特质特点。在松散和覆盖层中该处产生的波速较低，通常在1000 m/s以内，若为未风化基岩该值将超过3000 m/s，采空区则介于两项指标之间[3～6]。

3 SSP地震技术在采空区中的应用

3.1 现阶段采空区勘察状况

案例工程中，施工周边分布大量小采空区，在雨水、压力等外界因素的作用下持续发生塌陷，不利于公路建设与运营。为准确掌握采空区的分布地点以及覆盖范围，工程中采用了SSP地震散射技术，以期通过技术掌握采空区的情况，如图1所示。

图1 采空区导致路面塌陷示意

3.2 技术布置

根据现场地质特点，采用32道高分辨地震仪，通过锤击方式提供震源，按照0.5 m的间距控制标准布设100 Hz检波器。

SSP地震散射技术的应用流程主要为先采集地震散射数据，再执行波场分离与速度分析，最后创建纵波波速分布图像。根据现场情况共布设5条测线，分别生成1组数据，从中挑选2条具有代表性的测线，对其所得的数据执行地质解译。波速可分为三层：第1层指的是表层，该处的波速相对较小，约1100 m/s，可将其视为低速区，最大埋深6 m；第二层受采空区的影响较为明显，波速虽有提高但依然偏低，约1100～1380 m/s，最大埋深24 m；第三层为基岩，该处的完整性较好，具有相对较高的波速，普遍超过1400 m/s。

3.3 结果分析

根据测线L1的勘察结果展开分析：表层岩性破碎并分布大量的黏性土、粉土及砂类土，随之出现波速偏低的情况；推测整个勘察区域内共有四处采空区，即桩号8340～8380处、桩号8980～9030处、桩号9150～9200处、桩号9240～9280处。

根据测线L2的勘察结果展开分析：推测该区域内共分布4处采空区，具体情况为桩号9340～9380处、桩号9490～9540处、桩号9650～9700处、桩号9730～9760处。

4 煤矿采空区对公路工程的不良影响

采空区范围内的拟建工程施工难度较大，构筑物包含路基、涵洞及多座桥梁，施工期间煤矿采空区易发生塌陷事故，对于工程施工的不良影响主要有如下几方面。

(1)公路路基下沉，若发生拉伸变形现象则会导致路基自身伴有较明显的松弛特性，或是在各土质界面出现脱层现象，此时路基的承载力将大打折扣，可见地表处拉伸变形明显，路基明显失稳。

(2)塌落通常缺乏连续性，同时沉降也不具有规律性，导致路基下沉不具有规律可循，路面原有坡度变化规律也较为特殊。若地表倾斜和路线坡度的方向相同，此条件下线路坡度将随之加大，反之则表现出缩小的变化特点，由此形成反坡。随着线路坡度的改变，又将对移动盆地内的路线带来不良影响，使其运行阻力发生变动，在使用时间延长之下路面将反复沉陷。

(3)路基下沉时通常伴有水平位移现象。由于横向移动的存在导致路基的方向发生变化，使其表现出沿路基纵向水平变形的特点，路基受力状态异常，具体表现为受压或受拉，此时公路坡度偏离正常状态、竖曲线形态也有所改变。

(4)地表各处下沉具有差异性，线路在竖直方向上发生弯曲，预先确定的曲率半径受到影响，公路的使用效果欠佳，特殊情况下甚至会引发安全事故。

(5)采空区塌陷冒落后，将导致所在处桥墩(台)出现偏位现象，对桩基形成负摩阻力，严重威胁到桥梁的稳定性。

5 煤矿采空区治理方案

经验表明，采空区治理的可行方案较多，应用效果较好的主要有如下2种。

(1)井下巷道浆砌。通过煤矿井口进入井下，针对性处理未发生坍塌事故的巷道，以片石、砂浆为基础材料对其充填，通过此方式优化巷道的受力条件，为上覆岩层提供可靠的支撑力，以免上覆岩层发生冒落现象。此时，上覆岩层的稳定性表现良好，地面沉陷变形得到有效的控制，路基可维持稳定状态。

(2)全充填压力注浆法。在地表指定位置钻进成孔，配套注浆泵和注浆管，在两者协同作用下向采空区注浆(通常可选择水泥粉煤灰)，使浆液可填充至上覆岩体裂隙内，通过浆液的固化作用可有效胶结岩层裂隙带，而浆液所构成的结石体也具有较强的支撑能力，有助于维持上覆岩层的稳定性，路基失稳问题得到控制。此工法的优势在于施工便捷、采空区处理效果较好、所需成本较低。

从本工程采空区的实际情况来看，部分巷道已经坍塌，危害较为严重，对此建议采用全充填压力注浆的方法，以便从根本上解决采空区易塌陷的问题，给公路建设创造良好条件。

6 结语

鉴于公路采空区危害较大的特点，提出采用高分辨地震散射技术，明确采空区的具体范围并于该处钻孔检验，可知采空区在发生塌陷事故后的岩样普遍表现出松散状，与物探结果具有高度的一致性，由此表明：SSP地震散射技术具有可行性，在确定采空区位置和范围方面的应用效果较好，可作为采空区勘察工作的重要方法，也可被应用于类似工程中。