管竹青

(上海陽旭建設(shè)工程檢測技術(shù)有限公司，上海 201600)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，交通體系也越來越發(fā)達(dá)，我國每年新增公路約10萬km[1]。部分地區(qū)公路修建在地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)[2]，易出現(xiàn)路基空區(qū)、公路變形等，給交通安全帶來隱患[3]。為保證公路的正常運營，公路工程質(zhì)量檢測工作越來越受到重視。淺層地震勘探技術(shù)是工程勘探中的常用方法，其原理是根據(jù)地震波在不同介質(zhì)中的傳播速度、路徑、頻率等參數(shù)不同的特點，反演出地下障礙物結(jié)構(gòu)與幾何位置等參數(shù)，從而達(dá)到勘探的目的[4]。本文以某公路為例，說明淺層地震勘探技術(shù)的實際應(yīng)用效果。

1 方法原理

工程淺層地震，即運用地震勘探方法解決淺層工程地質(zhì)問題，其工作原理是利用人工震源在激發(fā)點所激發(fā)的地震波在地下不同介質(zhì)中傳播特征不同，從而反演出地下結(jié)構(gòu)與構(gòu)造[5]。基本原理是當(dāng)人工震源所激發(fā)的地震波遇到不同的物體或底層界面時(密度和波速發(fā)生變化時)，地震波的速度或傳播路徑會發(fā)生改變。實際工作中，使用儀器記錄各種波的傳播時間和波形特征的變化規(guī)律，分析解釋地震記錄，可以推斷出有關(guān)巖石性質(zhì)、管線、地下障礙物結(jié)構(gòu)和幾何位置等參數(shù)，從而達(dá)到勘探的目的[6]。

在工程勘察中，使用淺層反射波法研究的目標(biāo)是淺層分層，確定十幾米以內(nèi)的較小的地質(zhì)構(gòu)造以及尋找局部地質(zhì)體、洞穴、沉陷帶、殘留孤石等地下異常以及地下工程和地下管線等，要求很高的分辨率。為了獲得較高的分辨率，淺層反射波法的工作頻率要比中、深層地震反射波法的頻率高一個數(shù)量級，一般為幾百赫茲。

地震波在其傳播過程中遇到介質(zhì)性質(zhì)不同的巖層界面時，根據(jù)波的傳播規(guī)律，其中的一部分能量被反射，一部分能量則透過界面而繼續(xù)傳播，因此任何兩種介質(zhì)的分界面都可產(chǎn)生反射波[1-2,6]。可使用專業(yè)的地震勘探儀器，在地表面通過接收來自不同界面的反射波來詳細(xì)查明地下巖層的分層結(jié)構(gòu)及其幾何形態(tài)。簡單的水平二層結(jié)構(gòu)反射波路徑與時距曲線如圖1所示。

圖1 水平二層結(jié)構(gòu)反射波路徑和時距曲線圖

地震映像法是基于反射波法中的最佳偏移距技術(shù)發(fā)展起來的，是一種常用的淺層地震勘探方法[5]，可以利用多種波作為有效波來進(jìn)行探測，也可以根據(jù)特定的探測目標(biāo)而選取某一種波作為有效波。除常見的折射波、反射波、繞射波外，還可以利用有一定規(guī)律的面波、橫波和轉(zhuǎn)換波。每一測點的波形記錄都采用相同的偏移距激發(fā)和接收，在該偏移距處收到的有效波具有較好的信噪比和分辨率，能夠反映出地質(zhì)體沿垂直方向和水平方向的變化(圖2)。

圖2 地震映像工作示意圖

設(shè)水平大地模型為均勻兩層介質(zhì)構(gòu)成，L為偏移距，O1、O2為激發(fā)源，S1、S2為接收點，當(dāng)界面水平時，反射點和接收點中點下的界面上，反射波的傳播時間與界面深度、圍巖的波速有關(guān)。反射波時距方程為：

(1)

式中，Z為V1介質(zhì)的厚度；V1為速度；偏移距L為常數(shù)。

地震映像法是地震單道反射，利用介質(zhì)的彈性波速差異來探測異常體。人工錘擊地面產(chǎn)生的地震波在向地下傳播過程中，遇到地下介質(zhì)存在的波速差異時，便會產(chǎn)生反射波并反射回地面。當(dāng)介質(zhì)分布均勻，無地下空區(qū)、空洞等異常體存在時，則所得到的同相軸連續(xù)穩(wěn)定，不會出現(xiàn)錯斷、缺失、能量減弱等現(xiàn)象。 若地下存在空區(qū)、空洞等不良地質(zhì)情況，則地震波在其分界面上會產(chǎn)生波的繞射，使得同相軸出現(xiàn)錯斷、缺失、能量減弱等現(xiàn)象，從而識別空區(qū)。

2 儀器設(shè)備

本項目地震映像探測采用美國SI公司生產(chǎn)的S-Land數(shù)字化地震勘探采集系統(tǒng)進(jìn)行探測，該儀器具有集成、高效、輕便和抗干擾能力強等優(yōu)點(圖3)。

圖3 S-Land數(shù)字化地震勘探采集系統(tǒng)

該系統(tǒng)為國內(nèi)外目前性能最為優(yōu)良的淺層地震勘探儀器之一，最大的特點在于接收的地面振動信號經(jīng)過極短距離的傳輸后就被△-Σ24A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，全數(shù)字化的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)極大地降低了地震數(shù)據(jù)采集時反射、折射等信號的損耗和畸變，真正做到對傳感器的模擬信號進(jìn)行最大程度地高保真模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字化傳輸和數(shù)字化記錄，以獲得高信噪比、高分辨率、高保真度的原始數(shù)據(jù)。極大地降低了50 Hz工頻干擾對地震反射數(shù)據(jù)的干擾，體現(xiàn)了全數(shù)字化地震勘探儀器的優(yōu)勢，尤其是在城市進(jìn)行地震勘探時，可獲得高信噪比的地震數(shù)據(jù)。激發(fā)方式采用人工大錘激發(fā)，為確保能量集中，盡量往下傳播，錘擊時垂直重?fù)?。激發(fā)能量大、頻帶寬。

3 勘探過程

本次工作嚴(yán)格遵守國家、地方的物探探測規(guī)范、規(guī)程并結(jié)合現(xiàn)場踏勘、調(diào)查結(jié)果進(jìn)行。執(zhí)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要包括《城市工程地球物理探測規(guī)范》(CJJ7—2017)、《淺層地震勘查技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0170—2020)等。

為獲得可靠的數(shù)據(jù)，施工過程中按照“達(dá)到目的、解決問題”的原則，滿足設(shè)計、施工、管理工作的需要；數(shù)據(jù)采集、處理和成果的移交、保密符合國家、地方、行業(yè)及業(yè)主、設(shè)計的要求；保證技術(shù)質(zhì)量，保障措施健全、數(shù)據(jù)庫與成果圖一致性保障措施完善。

開始工作前需進(jìn)行現(xiàn)場試驗，根據(jù)實驗結(jié)果采用地震映像法進(jìn)行探測，選擇的數(shù)據(jù)采集參數(shù)如下：道間距0.5 m，炮間距0.5 m，記錄長度為200 ms,采樣率0.25 ms。數(shù)據(jù)處理主要流程為：原始數(shù)據(jù)→格式轉(zhuǎn)換→道編輯及切除→一維濾波、二維濾波→CDP分選→速度分析→迭加→預(yù)測反褶積→AGC→輸出。

針對物探任務(wù)，本次地震映像法采用0.5 m道間距，1 m線距。布設(shè)3條平行測線，L1測線布設(shè)在管道上方，L2測線布設(shè)在L1線右側(cè)1 m，L3測線布設(shè)在L1線左側(cè)1 m(圖4)。

圖4 地震映像測線布置示意圖

4 成果解釋

抽取三組不同偏移距數(shù)據(jù)(4、8、11 m)進(jìn)行綜合解釋，成果剖面圖如圖5所示，解釋成果如下：

(1)從4 m偏移距地震映像數(shù)據(jù)來看，反射波組連續(xù)，頻率較為均一，推測測線控制位置，淺表地層較穩(wěn)定均一。

(2)從8 m偏移距地震映像數(shù)據(jù)來看，L3反射波組連續(xù)，頻率較為均一，推測測線控制位置，淺表地層較穩(wěn)定均一。L1與L2測線26～30 m附近，波組頻率相對較低，振幅相對較弱，推測該段地層與其他位置地層相比，較為松散。結(jié)合本次物探任務(wù)推測，該異常可能為水管破裂或者滲漏造成的地層松動，也可能為道路施工或者管道施工過程中回填土的橫向不均一造成。

圖5 不同偏移距地震映像物探成果剖面圖

(3)從11 m偏移距地震映像數(shù)據(jù)來看，反射波組連續(xù)，頻率較為均一，推測測線控制位置，相對較深位置的地層較穩(wěn)定均一。

5 結(jié)論

(1)受地震映像方法本身特性的限制，地震映像法僅能判斷速度異常區(qū)域，不能精確反演異常深度。

(2)由于受城市地球物理條件的影響與制約，地下障礙物探測有一定的誤差，設(shè)計及施工需考慮增加一定的安全系數(shù)。

(3)城市地球物理勘探是一項非常復(fù)雜的工作，受到影響的因素也很多。地球物理勘查技術(shù)人員應(yīng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)對待異常解譯，要充分考慮現(xiàn)場實際情況，不能盲目地以達(dá)到所謂的目標(biāo)解譯成果。