王德福

(中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司， 南京 250101)

近年來，隨著各種非炸藥震源及淺層地震技術(shù)的發(fā)展，地震勘探在城市工程勘探中的應用越來越多[1-2]。工程勘探中常用的非炸藥震源有電火花震源、夯擊震源、電磁式與液壓驅(qū)動式可控震源等[3]，其中使用最多的是電火花震源，這是一種通過水環(huán)境將電能轉(zhuǎn)化為動能的震源裝置，它以電極高壓脈沖放電，產(chǎn)生高溫高壓的電弧將周圍水體氣化，對水產(chǎn)生巨大的沖擊力，從而產(chǎn)生地震波[4]。電火花震源在江河湖海等水域環(huán)境應用很好，但因依賴水體也有局限性[5]。夯擊震源使用沖擊夯作為激震源，體積小，易攜帶，但夯擊震源因沖擊夯的自身原因存在相關(guān)干擾問題[6]。電磁式可控震源是一種由振動器將電能轉(zhuǎn)換成動能，并沖擊大地產(chǎn)生的地震波[7-8]，具有性價比高、分辨率高的特點，但存在與大地耦合困難，且難以提高震源能量等問題，常用于教學當中[9-10]。液壓驅(qū)動式可控震源是目前深部地震勘探最常用的可控震源[11]，常搭載于震源車上，但對施工場地有要求[12]。在當下非炸藥震源中可控震源是最突出的一類，但還沒有一種機動性強、環(huán)境適應性好、震源能量可控、激振頻率變化大且可控、噪聲干擾壓制好、探測距離長且成熟的可控震源[3]。針對這一需求，探索研究可控沖擊震源在工程勘探中的應用效果。

1 可控沖擊震源原理

1.1 相關(guān)疊加原理

可控震源技術(shù)是一種相關(guān)疊加技術(shù)，它通過震源信號的相關(guān)疊加實現(xiàn)增強能量壓制噪聲的目的，并能保持信號的高頻特性，達到探測距離大、分辨率高的特點[13-16]。單次撞擊的震源信號為s(t)，是一個具有高頻特性的理想子波，每次沖擊重復發(fā)射。可控震源設計一個時間編碼序列p(t)，用以控制震源s(t)使之重復作用，產(chǎn)生地震波輸出。編碼信號具有偽隨機特點，是時間離散的單位脈沖序列。編碼時間序列p(t)滿足2個條件：1) 自相關(guān)為δ函數(shù)；2) 與干擾噪音的互相關(guān)為零。一個線性的時間編碼序列可滿足上述2個條件，表達如下：

p(t)=δ(t-ti)

(1)

線性時間編碼序列具有偽隨機特點的數(shù)學表達，就是其自相關(guān)函數(shù)ACF(P)具有δ函數(shù)的性質(zhì)，滿足下列條件，即

(2)

式中：m為編碼長度，即沖擊次數(shù)。當時間編碼序列作用于震源時，震源就會按照編碼的控制產(chǎn)生時間序列輸出振動z(t)。

(3)

此時要求最小沖擊時間間隔大于震源信號的周期，即最高沖擊頻度要小于地震波的頻率。編碼沖擊震源的地震記錄D(t)可寫成：

Dc(t)=p(t)*s(t)+n(t)

(4)

式中：n(t)為噪聲；*為褶積算子。

按相關(guān)算法，合成的地震記錄U(t)可由沖擊記錄與沖擊時間序列的互相關(guān)獲得。

U(t)=p(t)?D(t) =

ACF{p(t)}*s(t)+p(t)?n(t)

(5)

由于編碼序列滿足偽隨機性，因此解編后的地震記錄是單次激發(fā)地震波的m倍。

AFC[p(t)]=mδ(t)p(t)?n(t)=0

U(t)=ms(t)

(6)

從式(6)可知，m次沖擊的編碼系列，得到的地震記錄的幅值是單次沖擊幅值的m倍，這就是可控震源的相關(guān)疊加原理。

1.2 可控沖擊震源工作方式和技術(shù)參數(shù)

可控沖擊震源激發(fā)地震波，地震儀與檢波器接收地震波。震源按時間序列產(chǎn)生一系列沖擊，地震儀將這些沖擊過程產(chǎn)生的所有地震波都記錄下來，經(jīng)過時間序列與地震記錄的相關(guān)處理，合成高信噪比的單炮記錄。震源工作方式如圖1、圖2所示。

圖1 震源工作原理示意

圖2 震源連接示意

有2個技術(shù)環(huán)節(jié)保證震源與地震儀兩者的協(xié)調(diào)工作：一是時間序列的掌控，地震儀要早于震源開始記錄，并晚于震源結(jié)束；二是將震源每次激震的時間序列記錄到地震記錄中。具體步驟如下：1) 使用震源自帶的編碼線，將震源沖擊時間信號連接到地震電纜上，同步記錄到地震記錄中，占用一個通道；2) 可在震源附近地面插一個檢波器，用以記錄震源子波，代替編碼信號進行相關(guān)疊加。目前北京某公司生產(chǎn)的TDIS系列可控沖擊震源，可與國內(nèi)外各種地震儀匹配，其中TDIS-1800用于隧道超前預報，TDIS-2800用于路面、巖溶等工程勘探，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 TDIS-2800型可控沖擊震源技術(shù)參數(shù)

2 可控沖擊震源的工程應用

(a) 單次沖擊震源子波

(b) 震源子波匯總

(c) 時間-重復頻率曲線

2.1 隧道超前預報

目前炸藥管控越來越嚴，開展非炸藥震源隧道地質(zhì)超前預報研究重要且必要。在大羅山隧道采用可控震源與炸藥震源，以TST方法進行超前地質(zhì)預報對比試驗。試驗布置采用TST常規(guī)布置方案，陣列式觀測排列，道間距2 m，炮間距8 m，如圖4所示。二者只是震源布置方式不同：炸藥震源采用打孔預埋方式，可控沖擊震源采用在圍巖表面直接激振的方式。第1次預報里程為K1+62～K1+162，采用炸藥震源，用縱波做預報，第2次預報里程為K1+134～K1+234，采用可控沖擊震源，2次預報中間重疊路段為28 m，據(jù)文獻[16]可控震源原理，采用橫波做預報更適宜。

單位：m

預報成果主要由地質(zhì)界面偏移成像圖和圍巖波速分布圖組成，偏移圖像給出了地質(zhì)界面的位置，波速圖給出了圍巖的真實波速[17-18]，結(jié)果如圖5所示。在重疊段K1+134～K1+162，縱波波速4 000 m/s，橫波波速3 100 m/s，偏移圖像都是細碎密集小條紋組合，說明存在眾多小反射界面，可解讀為節(jié)理裂隙發(fā)育，2次預報結(jié)果基本一致。試驗表明，在良好圍巖地質(zhì)條件下(支護等級為Ⅲ級及以上)，可控沖擊震源可替代炸藥震源進行長距離超前地質(zhì)預報。但當隧道圍巖情況較差，可控沖擊震源激振效果不佳。由震源工作原理可知，當圍巖較差時，地震波能量衰減較快。在隧道超前預報工作中發(fā)現(xiàn)，使用可控沖擊震源激振過程中，直接在圍巖表面激振效果優(yōu)于在初期支護表面激振，尤其是當初期支護噴涂不密實，存在空洞時，可控沖擊震源激振效果很差，激發(fā)能量很弱。

(a) 炸藥震源反演結(jié)果

(b) 可控沖擊震源反演結(jié)果

2.2 電塔地基巖溶探測

可控沖擊震源在工程領(lǐng)域另一個重要應用就是作為場地地震勘探的震源。某地電力局架高壓線電塔，因為地處灰?guī)r地區(qū)，在預設電塔中心位置打鉆孔后發(fā)現(xiàn)存在巖溶發(fā)育，會對電塔地基產(chǎn)生影響，隨即開展震源勘探，對巖溶發(fā)育情況進行探測。受測區(qū)環(huán)境限制，觀測排列方案采用32道插地檢波器，道間距0.5 m，檢波器固定位置，炮點每次前進1 m?？煽貨_激震源每炮點激振100 s，重復頻率2 Hz～8 Hz，典型單炮記錄如圖6所示。

從圖6(a)可控沖擊震源原始記錄可見，地震波同相軸清晰、連貫，對干擾壓制良好，無明顯低頻或高頻干擾。由于震源激發(fā)地震波的頻率與震源的作用時間、地基剛度及檢波器的頻率特性有關(guān)，當作用時間短、地基剛性強時，激發(fā)的地震波頻率高。由于地震波傳播過程中高頻衰減快，近場接收時頻帶寬，遠場接收時頻率低。本次勘探的場地為灰?guī)r區(qū)，沖擊震源激發(fā)的地震波頻帶為10 Hz～500 Hz，如圖6(b)在巖溶勘探中具有一定的代表性。在可控震源地震勘探中，巖溶發(fā)育區(qū)受入射波的激勵會對外發(fā)出散射波，這是巖溶區(qū)探測的基礎。但因巖溶散射的地震波能量較弱，可能被其他干擾波掩蓋，為此，可通過提高震源能量的方式，增強散射波?？碧街邪l(fā)現(xiàn)，可通過延長可控沖擊震源的激振時長來增強能量，對震源采集的數(shù)據(jù)進行處理后的波速圖像和地質(zhì)偏移圖像，如圖7所示。

(a) 可控沖擊震源原始單炮記錄

(b) 記錄頻譜

巖溶發(fā)育處不僅在波速圖像中呈低波速異常區(qū)域，如圖7(a)所示，還在偏移圖像中存在先負反射界面后正反射界面結(jié)構(gòu)，如圖7(b)所示。上界面波阻抗變低，為負反射界面；下界面波阻抗升高，為正反射界面。對圖中巖溶位置進行鉆孔驗證，鉆孔數(shù)據(jù)如表2所示，在鉆孔中發(fā)現(xiàn)溶洞，證實勘探結(jié)果準確可靠。

(a) 波速圖像

(b) 偏移圖像

表2 鉆孔數(shù)據(jù)

2.3 路面空洞探測

某地發(fā)生局部道路塌陷，現(xiàn)進行地震勘探對整段路進行脫空區(qū)排查。為協(xié)調(diào)工作效率與數(shù)據(jù)質(zhì)量，開展錘擊震源與可控沖擊震源對比試驗，為后續(xù)此類勘探工作的開展提供參考。采用23磅大錘與可控沖擊震源進行對比試驗，震源參數(shù)設置為沖擊時長50 s，重復頻率1 Hz～6 Hz，單炮沖擊175次。現(xiàn)場為瀝青路面，觀測排列采用32道1 m間距的檢波器串進行接收，偏移距1 m，炮間距1 m。地震記錄如圖8所示。

(a) 23磅大錘震源的共炮點道集

(b) 可控沖擊震源共炮點道集

從圖8中可知，在未對原始記錄進行濾波處理時，可控沖擊震源對過往車輛等隨機噪聲壓制效果更好，幾乎沒有低頻干擾，反射、散射波明顯，同相軸清晰，一目了然；而圖8(a)錘擊記錄地震信號與背景噪聲混雜，信噪比低，反射波不明顯，且錘擊能量較弱，在瀝青路面環(huán)境下衰減較快，遠端直達波較弱信號不甚清晰。

對震源采集得到的數(shù)據(jù)使用SSP地震散射軟件進行波速掃描，如圖9所示。結(jié)果表明，由于可控沖擊震源沖擊疊加的工作方式，對干擾波壓制效果理想，速度掃描能量團疊加較為集中，最深極值點出現(xiàn)在180 m(最大勘探深度)。

圖9 可控沖擊震源共炮點道集速度掃描

3 結(jié)束語

1) 在巖溶探測中，采用可控沖激震源可增強散射波能量，提高探測的準確性。

2) 對比錘擊震源，可控沖擊震源的能量更大，且對干擾波的壓制效果良好。

3) 采用可控沖擊震源后，地震勘探探測深度會隨激振時長的增大而增大，在采用激振50 s，重復頻率1 Hz～6 Hz的情況下，勘探深度可達180 m。

4) 采用可控沖擊震源進行長距離超前地質(zhì)預報是可行的，但可控沖擊震源在隧道內(nèi)的使用受到圍巖破碎情況的制約，且必須直接在圍巖表面激振。本文研究未涉及面波法等其他淺層地震勘探應用，可作進一步的研究。