地震散射波法自2011年开始用于工程勘查，在城市道路与地铁塌陷、地铁选线、注浆效果检测、孤石与岩溶探测、采空区探测等工程领域有广泛的应用，解决了孤立体探测等疑难问题，取得了一批重要成果。这里介绍几类不同研究对象的应用实例。重点不在于勘探结果的地质含义，而在于进行数据采集的方案、数据处理方法、以及结果展示的技术等关键技术与要点。

1城市道路隐患探测实例与技术要点

         城市道路隐患探测是地震散射技术应用的最重要领域，随着国内大规模地铁与地下空间开发的工程建设，对道路隐患探测的需求与日剧增。探测目标包括路面塌陷原因、地铁选线、地铁施工脱空区、注浆效果评价等目的。 道路隐患探测的技术要点如下。

（1）使用拖曳式检波器缆，32通道，检波间距0.25、0.5m，频带20hz-16khz，免插拔，不破坏路面，施工效率高；

（2）地震记录器32通道，A/D转换24位，最高采样频率156khz；

（3）锤击震源，探测目标深度30m，炮间距1m，滚动采集；

（4）探测孔洞、脱空区、注浆效果在排列中将激发，探测地层结构在一端激发；

（5）采用双曲滤波去除地面交通噪声与电磁干扰；

（6）地质成果以速度图像为主，以偏移图像为辅，重点是寻找低速和高速异常区；

          道路探测的分辨率可达到0.5m级，探测实例表明，大约0.5m大小的注浆体或脱空区能构被可靠地确定。下边列举4个有代表性的实例。

（1）天津开发区道路塌陷探测

2011年，地震散射技术首次用于天津开发区道路塌陷原因的探测，当时仅完成了路基与地层结构的偏移成像。目的是查明引起道路塌陷病害的原因。探测结果发现道路塌陷去附近埋深4m左右的层位存在蓝绿色低速层，是由于雨水管线泄漏冲蚀引起的。经钻探验证，地层的分辨率达到40cm厘米，显现了地震散射波勘探高分辨的特质。下图是采集现场与散射偏移剖面结果。

图1.1  天津开发区塌陷路段探测结果

（2）宁波地铁暗浜调查

        宁波地铁建设中需要探查暗浜的位置，以便预先采取处理措施。2014年使用地震散射技术进行了现场勘查。本次探测共布置两条测线，一条在苍松路，长150m，探测深度30m。另一条在公交站旁，长40m。这里主要介绍第1条剖面。测线位置、现场采集以及勘探得到的偏移图像与速度图像分别列于

图1.2中。  

         勘探结果表明，测线内地层结构分三层。 第1层：0-5m，波速为600-710m/s，界面反差大，横向连续性差，地层的特点不均匀性明显，推断回填土为主； 第2层：5-12m，波速为710-890m/s，地层均匀，分层不明显，推断主要应为淤泥与细砂； 第3层：12m以下，波速为890-1100m/s，地层垂向分层性明显，界面反差大，横向连续性好。推断以砂、粘土为主的沉积层。剖面内有两个明显的低速区，可能与暗浜有关。分别位于里程60-90m、130-140m，深度超过10m。波速约为660m/s左右，土质松软，推测为以淤泥、细砂为主的暗浜沉积。这一勘探结果得到了钻探的验证。

图1.2a侧线位置                               图1.2b  采集现场

                        图1.2c  地质界面偏移图像

                         图1.2d  地层波速图像与暗浜分布

（3）北京地铁注浆效果检测

        北京14号线18标位于甜水园中街地段，分左、右两线，左线沿14号线轴线，右线沿6号联络线轴线。地面发生较大规模的塌陷，塌陷坑直径6m深5m。线路西侧建筑集中，进行了注浆处理。为评价注浆效果，寻找隐伏的脱空区，决定开展地震散射探测。探测路线长度1.4km，工作区位置见图1.3a。采集工作从2013年4月17日开始到20日结束，历时4天。图1.3a 甜水园道路塌陷位置。

甜水园中街车流量较大，探测施工中不中断交通，通过设置局部流动警示标志滚动前进。道路上的振动噪声与电磁干扰很强。  

图1.3b 地铁14号线测线位置                     图1.3c 现场探测照片

        探测结果分14个剖面展示，每剖面长100m。限于篇幅，这里仅列出其中3条剖面。前2条剖面是注过浆的，分别为图1.3d左线2段、图1.3e左线3段 ；另一条是没注浆的，图1.3f为右线6段，以资对比。

图1.3d左线2段长度100m，深度15m。图中绿色与黄色区波速在900-1400m/s，为中等波速区，对应正常的第四系冲积地层；红色区为高速区，波速超过2000m/s，为注浆体的位置；深蓝色区的波速低于600m/s，为脱空区。 剖面显示有11个高速注浆体，主要是从隧道内向上压浆。发现有7个低速隐伏脱空区，分布在注浆体附近，推测为注浆不饱满残留的脱空区。 

图1.3d  左线2段注浆体与隐伏脱空区位置

图1.3e剖面为左线3段，长100m。剖面中显示有9个高速注浆体，主要是从隧道内向上压浆。同时发现有7个低速隐伏脱空区，分布在注浆体附近。该剖面注浆量明显不如左2段的注浆量充足，注浆体的波速不如2段的高，低速的程度也不如2段明显。

图1.3e  左线3段注浆体与隐伏脱空区位置

   图1.3f为右线6段，是没有注浆的剖面。剖面内没有高速异常体。浅部的波速接近正常波速800-900m/s。下方靠近隧道位置有8个小规模的波速降低区域，但波速均在700m/s以上,仅为卸荷松动，并未形成疏松与脱空。

图1.3f  右线6段注浆体与松动区位置

        勘探结果表明，最严重的松散区集中在左线中部里程HZK33+836--HZ K34+046，长约210m的范围。 根据发现的松散区部位与形态判定，地下松散区有两种成因。一类是由于隧道超挖引起的，靠近隧道发育，形态圆润。另一类是由于注浆不饱满，土体液化形成的，分布在注浆孔周围，孤立，呈鸡窝状； 

   技术要点：

        道路隐患探测是目前工程领域的热点问题，目前除了地震散射技术之外，还没有有效的方法。地震散射方法探测道路隐患的技术要点是;

（1）高密度采集方式，使用免插检波器串，间距0.5m，炮间距1m，频带20hz-16khz；

（2）强大的滤波功能，滤除一切交通噪声与电磁干扰，突出散射/反射波；

（3）通过岩土波速成像，提取低波速与高波速异常，识别空洞、脱空与注浆体； 

几个环节，缺一不可。

（4）津滨高速公路路面开裂原因探测

津滨高速公路2011年1月完成加宽改扩建通车，双向八车道。2014年定期检测发现主线局部出现了路面裂缝，裂缝主要为纵裂，开裂位置在扩宽路幅的第4车道内。2015年对部分路面裂缝路段加铺了表面层。检测目的查清裂缝的成因和发展趋势，为工程处治提供依据依据。道路结构、开裂位置与测线布置及现场探测照片见图1.4a、b、c。

图1. 4a扩宽后半幅道路结构断面

为查清路面开裂原因，布置了5条横穿裂缝的地震散射测线。使用32道检波器串，道间距0.5m；锤击震源，炮间距0.5m，设计探测深度10m。高密度采集以提高分辨率。

 图1.4b 裂缝位置与测线布置                   图1.4c 现场采集

路面探测完成了5条剖面，每条长18m，探测深度10m。选择有代表性的第2、3条剖面示于图4d、e。探测的速度与偏移图像剖面结果显示，路基路面结构按力学性质大致分为4层，波速从上到下逐步升高，逐渐变得密实。0-2m深度内平均波速900m/s，2-5m范围波速升高到1000m/s，5-8m波速为1300m/s，8m以下波速为1300-1400m/s。新旧两路基结构横向变化明显，界面不连续。在新扩宽的半幅内，埋深1-2m的范围内存在低速层，表明路基结构变得疏松，充水，这是导致路面开裂的内在原因，是治理的主要对象。

图1.4d 剖面2速度（上）与偏移图像（下）  图1.4e 剖面3速度（上）与偏移图像（下）   

  技术要点：

（1）对于道路隐患探测要采用小排列，长度在1/2—1的目标深度范围内，即保证高的分辨率，又能提高波速的分析精度； 

     （2）要采用密集采集的方法，检波器间距最宜为0.5m，炮间距1.0m。采集器的通道数不能少于32道，这样才能兼顾到分辨率和速度分析精度双重要求。 

      （3）解释要以波速为主，偏移为辅。对脱空区、疏松区寻找低速异常，对注浆体寻找高速异常。 

2  岩溶与孤石的勘探实例与技术要点

岩溶体积各异，形态复杂，空间连续性差，岩溶探测是工程勘探领域中的难题。地震反射方法难以发现岩溶的踪迹，该领域正是地震散射技术的用武之地。

 （1）武汉江夏地铁岩溶勘查

  武汉江夏地铁岩溶探测的位置在武汉文化大街，目的是了解地铁线路40m深度内的地层界面与隐伏灰岩溶洞。勘查了共布设了2条测线，每条长90m，共计180m，勘勘深度40m。

   勘探结果表明，剖面内地层从上到下分为三层，底层有岩溶裂隙带发育。 

   第1层： 0-9m，填土与松散沉积； 

   第2层：9-25m，第四系粗粒沉积； 

   第3层：25m以下，基岩风化层，横向风化差异较大，有岩溶裂隙发育，但未发现大型溶洞。 

勘查发现在2条剖面中，第3层（25m以下）内发育有4个填充的岩溶裂隙带，受其影响，在第2层（9-25m）内发育有8个低速异常区，推测为漏水引起的土洞、局部松散区。 

   为节省篇幅这里仅列出1条剖面的结果。

             图2.1a 测线位置                       图2.1b 现场采集 

图2.1c  地质界面偏移图像

图2.1d  地层波速分布图像

（2）重庆歌乐山场地勘查

歌乐山场地拟建大型停车场，担心场地内有隐伏岩溶个，开展了电法、地震等多种物探手段进行探查。其中包括地震散射方法。采用1m间距检波器，32道检波器串，中间激发，得到地震偏移剖面与岩土波速剖面。偏移与波速剖面结果显示，场地岩土结构以水平层状为主，是一个典型的松散、风化、基岩三层结构。在风化层底部有垂直发育的低速裂隙带，规模不大。对场地稳定性无大影响。

                    图2.2 乐歌山场地岩溶探测

（3）京沈客专柴河特大桥岩溶探测

  京沈客专柴河特大桥位于承德兴隆境内。12号桥墩基础发现岩溶。已有16个钻孔，但对岩溶的形态与规模仍不能确定。为确定岩溶处理方案，采用三维地震散射技术对隐伏岩溶进行探查。为详细了解桥基30mX30m范围内、深度100m的岩溶发育，以及附近是否有构造与大型溶洞；设计以桥基为中心30mX30m范围内，采用1mX1m网格，密集采集的方案，以便完成三维高分辨勘探的效果；此外，还在外围布置了5条测线，以了解地质构造背景。

共施工炮点1300余个。

          图2.3a 大桥12墩位置            图2.3b桥基钻空位置              

图2.3c  岩溶探查测线布置

勘探得到桥基下方30m×30m×100m三维地层速度结构，数据点水平向间距1m，垂向0.5m，支持水平向、垂直向3维剖分。图2.3d 就是有该数据结构剖分的岩土波速三维筛状图，其中红色为高波速区，蓝色为低波速区。

地震勘探结果表明，桥基下伏地层有20m的砂卵石层，波速在1000m/s以内；其下为20m后的强风化与填充岩溶层，波速在1500-2000m/s；从埋深40m到80m为中等风化层，正常波速在2400m/s左右；其下为微风化层白云质灰岩，波速超过2600m/s。白岩云质灰岩具有高波速的特点, 岩溶为低波速异常体，无论是充填的还是未充填的，都表现为低速，波速反差大，散射波强，易于识别。

   探测发现在中风化层中50m-65m范围内，发育有大规模岩溶，多数为充水溶洞，波速在1600-1800m/s范围。溶洞最高超过20m，横向断续分布，长度超过40m，中间有岩脉穿插。

             图2.3d  柴河特大桥12号桥基岩土波速三维筛状图

图2.2e是一幅典型的速度剖分处置切片，其中红色为高波速白云质灰岩，黄色为中风化岩，蓝色与深蓝色为低速区的砂卵石、强风化与岩溶的发育位置。

                   图2.3e  垂直波速切片与岩溶分布

  图2.3f是2个沿钻孔位置的垂直切片，以便将地震探测结果与钻孔结果进行对比。对比说明两者有很好的吻合，岩溶位置的误差在1m以内。

图2.3f  地震波速切片及与钻孔资料的对比

下图展现了在埋深60-65m范围内岩溶发育的平面位置。其中蓝色区为波速小于1800m/s的岩溶发育区。从中可以看出，无论是在垂直方向还是在水平方向，岩溶的发育都是不均匀的。岩溶最大的水平截面面积超过25平方米。

                   图2.3g 岩溶发育的平面分布

本次勘探基本查清了岩溶的三维分布，分辫率可达1m级。为桥基岩溶治理方案的制定提供了科学依据。

（4）珠海横琴水道海底孤石探测

珠海横琴岛马骝洲隧道穿越横琴水道，隧道长1.6km，直径15m，盾构施工。水下地层上部为淤泥、粘土等海相沉积，下部为花岗岩及其风化层。隧道最大埋设34m，通过的地层主要为强风化花岩，残留有孤石及基岩凸起，对盾构施工有不利影响。本次勘探的目的是查清海底隐伏孤石与基岩凸起的分布，以便提前进行工程处理。

现场勘查时间2015年7月18日到8月8日。使用能量25kJ的TD-Sparker水上电火花震源，水下检波器串，GPS随船测量。勘查覆盖面积长300m，宽60m。覆盖上、下行隧道。

本次探测采用高密度、网格式采集方式，测线间距2m，炮间距与检波器间距都是1m。炮点组成2m×1m网格。共施工10400炮。最关键的技术是采用多次巡航的办法，一次巡航不可能达到如此高的炮点密度，每天测线都经过10几次巡航，这表现了地震散射技术数据采集方式的灵活性特点。探测工区位置见图2.4a。

 图2.4a 水下孤石探测工区位置

勘探得到了隧道测区三维的岩土波速结构，通过水平、走向、横向切片分析，获取地层界面、孤石与基岩凸起的空间分布形态。孤石与基岩凸起的物理特征是高波速异常，波速高于2400m/s。勘探共发现与隧道位置相关的孤石与基岩凸起25处，其中直径大于3m的有9处，主要都分布在左侧隧道。

探测提供2m间距的纵向切片31幅、1m间距的横向切片301幅，以及埋深20m到40m之间的0.5m间距的水平切片40幅。图2.4b是上、下行隧道轴线垂直切片与埋深32m、34m的水平切片组成的三维筛状图。图中展现了孤石、基岩凸起与隧道的关系。其中红色表示高速岩体，为中风化岩与孤石；淡蓝色与绿色表示低速的淤泥、砂层、粘土层。

图2.4b 隧道测区岩土波速筛状图

图2.4c是隧道轴向的地震偏移图剖面，它是空间域的地质界面分布图像。纵坐标为深度，到60m；横向坐标为里程，长度300m。从图中可以看到25m以内的浅层界面水平连续，明显具有海相沉积的结构特征。25m以下界面起伏较大，表明下伏的花岗岩及其风化层横向的变化较大。

                 图2.4c  隧道轴向地层界面图像

    图2.4d是轴向岩土波速切片，红色为高波速，蓝色为低波速。浅部25m内基本为波速低于1800m/s的海相沉积；25-35m深度为中等波速（1800-2400m/s）的全风化与强风化层。35m以下为红色的、波速高于2400m/s的中等风化岩。在强风化岩中存在高波速异常体，为孤石与基岩凸起。

图2.4d  隧道轴向波速切片

图2.4e是测区基岩的埋深图，是岩体波速达到2400m/s最小埋深的分布。该图是由2m×1m网格数据点形成的。红色表示埋深浅，最浅29m，这是孤石的位置；蓝色表示埋深大，绝大部分区域埋深都在36m以下。它是表示测区基岩凸起与孤石平面分布的直观方式。

                          图2.4e 隐伏基岩埋深平面分布图

图2.4f 是高程-33m波速的水平切片。其中红色表示的波速高于2400m/s的孤石与基岩突起；棕褐色表示波速为2000-2400m/s，为强风化岩；黄色的波速为1800-2000m/s，为全风化与黏土。黑色曲线是隧道的交线。图中可直观地发现与隧道有关的孤石的位置，多数孤石分布在左侧隧道附近。

                  图2.4f 高程-33m的波速水平切片

   图2.4g是3张不同里程上的横向波速切片，每张切片中都有基岩突起。这些截面图清楚地展现了孤石与基岩凸起的形态及其与隧道位置的关系。结果表明，所探测道的孤石其实绝大多数都是基岩凸起。

                图2.4g 隧道围岩波速横向切片与孤石形态

从2016年2月份开始对物探发现的孤石进行钻孔验证， 选择34、35、49号3处孤石进行钻孔，施工了80个钻。对孤石的位置、大小、埋深进行验证。钻探证实34、35号孤石的大小与物探一致，深度误差4.5%1.45m/32m），位置中心偏9%（3m/32m）； 

从2016年3月份开始，对海底孤石进行钻孔确定与爆破处理，已经施工钻孔400余个，图2.3h是工程钻孔的位置，用红色标记的钻孔钻到了孤石，蓝色的钻孔没有发现孤石。处理的结果表明，物探确定的孤石85%的位置是准确的。

                 图2.4h  工程钻孔验证与处置的结果

上述结果表明，使用地震散射技术可以有效地解决海底孤石的勘探问题，分辨率可以达到2m左右。

技术要点：

对于复杂形态的岩溶与孤石的勘查，有三个成功的技术要点：

1必须采用高密度的网格采集方式，检波器间距1m，炮间距1m，网格是布置，水上探测可运用多次巡航；

2建立地层波速分布的三维数结构，通过水平、垂直切片与筛状图，展现速度异常形态；

3通过低波速异常、高波速异常的提取，判定岩溶、孤石的复杂空间形态，为工程治理提供可靠依据。

（5）福建地铁隧道孤石探测

厦门地铁2号线线路全长41.63公里，设站32座。2号线一期芦坑站—五缘湾站线路长度由原建设规划的25.2km调整至26.10km，车站数量由19座增至23座，平均站间距1118m。调整后的厦门地铁2号线一期工程维持东西走向不变，敷设方式维持全地下线。地铁盾构行进路线区间地下有较多孤石发育。为此，对地铁轴线方向的区域进行了孤石探测。

测线结果：

                 图2.5  孤石探测成果举例

3 山地工程地质勘探实例与技术要点

（1）山西兴县煤矿采空区探测

   煤矿采空区探测是一个疑难课题。在干旱地区，采空区无水，电磁方法与地震反射方法都无能为力。

为查清煤矿采空区对铝土矿开采安全的影响，2013年，应用地震散射技术对山西兴县苏家吉煤矿采空区进行了探测。测线沿山谷道路布置，测线长度240m，目标深度120m。检波器间距2m，炮间距4m。采用锤击震源，一端激发，偏移距4m。测线位置见图3.1a。

                   图3.1a采空区探测测线位置

地震散射勘探得到了岩土波速分布图像（图3.1b）与地质界面的偏移图像（图3.1c）。

波速图像主要反映煤矿开采后的采空区、松动围岩及完整岩体的分布特征。波速小于1000m/s深蓝色的低速区域为采空区与坍塌围岩；波速在1000-1500m/s浅蓝色的低速区，对应开裂岩体，结构已遭受严重破坏。波速在1500-2500m/s范围内的绿色与天蓝色中等波速区，对应受开采影响较小的卸荷区；波速在2500m/s以上红色、黄色为高波速区，对应未受开采影响的岩层，包括顶底板砂岩和煤层。

波速图像显示，探测区内隐伏着左、右两支低速采空区。右支采空区范围从0-110m，埋深在60-80范围；左支采空区范围150-240m，埋深40-60m。左支浅，右支深，略有倾斜。对应石炭系太原组煤层的采空区。

地震偏移图像主要反映地层界面的形态和构造特征。图像显示探测区地质界面形态十分复杂，折曲严重，说明该地区地处构造发育地带。在偏移图像中采空区的特点是以深蓝色为主的强负散射区与淡蓝色的负散射区。两幅图像的地质特征基本一致。

图3.1b 兴县煤矿采空区波速分布图

图3.1c 兴县煤矿采空区地震偏移图像

（2）浙江黄岩大有宫场地勘查

    黄岩大有宫是一个文化景点，为旅游开发建设需对周围场地的工程地质进行调查。勘探的目的是确定隐伏地下工程的位置。为找到地下工程，布置了电法剖面4条、地震映像测线3条，地震散射测线5条。见图3.2a。

图3.2a 大有宫场地物探布置

地震散射勘探使用32道采集器，检波器与炮点间距为1m，中间激发。设计勘探深度50m，大锤激发。数据处理时为提高深部分辨率，震源5合成。

勘探完成3条测线，限于篇幅，这里仅列出其中一条测线的波速与偏移图像。现将其结果介绍如下。

该测线长度115m，地形最大高差将近10m。波速图像与偏移图像显示场地地层由浅入深的特征如下。

浅部20m以内为波速小于1000m/s的松散层；其下厚15m为波速1000-1800的残积与全风化层；再下方则为强风化层，波速在1800m/s以上。地层总体层序平缓，结构稳定，构造不发育。该剖面位置没有发现地下工程。

                          图3.2b 地震波速剖面

 图3.2c 地偏移图像

技术要点

    山区的勘探地形地质结构复杂，波速与偏移剖面都要有高程。如果勘探的深度大，检波器间距需要增大到2m。为提高速度分析精度，排列长度控制在深度的1/2-1之间。如果关心的目标在20m以内，只用单炮，如果关心20m以下，最好用多炮组合，可以选3、5、7炮组合。炮数越多深部越强，但牺牲浅部越厉害。

讨论与建议

  物探是一门科学性很强的学科，在实践中，无论应用何种物探技术，都必须严格的按着技术要求认真做好，方能取得可靠的成果。数据的采集方案是物探结果成败的关键，需要根据具体的场地、探测目的认真规划。处理技术运用的是否得当，也是关乎结果好坏的重要因素。同样的数据，同样的程序，两个人处理出来的效果可能有很大的差别，关键是对技术参数选取的把握，参数要符合处理的对象。最后，图像处理技术也是关键的环节。如果图像色彩的选择不合理，色标选的不合适，异常就显示不出来。其关键在于色标值的选择一定要根据目标对象的物性差异的范围，这是最重要的理念。