地震映像法和探地雷達(dá)法在城市地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

胡彥軍

摘? 要：地質(zhì)勘查要面對(duì)環(huán)境復(fù)雜的施工環(huán)境，有的復(fù)雜地質(zhì)處在明顯位置，有的處在隱伏狀態(tài)。采用地質(zhì)勘查的方法，對(duì)于不能達(dá)到施工要求的地質(zhì)進(jìn)行提前勘查，并根據(jù)地質(zhì)情況設(shè)計(jì)施工方案。以幫助工程順利開(kāi)展。例如為了解決路面塌陷問(wèn)題，做好地下孔洞的勘查，探明巖溶位置以及空間規(guī)模，采用地震映射法和探底雷達(dá)法，結(jié)合勘查結(jié)果分析，對(duì)巖溶地質(zhì)發(fā)育取得良好的勘查效果，用以指導(dǎo)施工處理。另外采用地震影響法和探地雷達(dá)法結(jié)合的方式能夠?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害治理提供依據(jù)。本文對(duì)地震映像法和探地雷達(dá)法在城市地質(zhì)勘查中應(yīng)用進(jìn)行分析，希望能夠?qū)μ嵘锾郊夹g(shù)水平具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：地震映像法? 探地雷達(dá)法? 地質(zhì)勘查? 工作質(zhì)量

中圖分類號(hào)：P624? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）12（b）-0014-04

Abstract： Geological exploration must face the complex construction environment， some complex geology is in the obvious position， some is in the hidden state. By using the method of geological exploration， the geological exploration can not meet the construction requirements in advance， and according to the geological conditions design construction program. To help with the project. For example， in order to solve the problem of road surface collapse， do a good job in the exploration of underground cavities， and find out the location and spatial scale of karst， the seismic mapping method and the ground penetrating radar method are used， combined with the analysis of the exploration results， to obtain good exploration results for the development of karst geology， to guide the construction process. In addition， the combination of seismic impact method and ground penetrating radar method can provide a basis for geological disaster management. In this paper， the application of seismic imaging method and ground penetrating radar （GPR） method in urban geological exploration is analyzed. It is hoped that it can be of reference value to improve the level of geophysical exploration technology.

Key Words： Seismic imaging method; Ground penetrating radar method; Geological exploration; Quality of work

隨著城市建設(shè)步伐的加快，進(jìn)行城市工程建設(shè)中管線鋪設(shè)施工和地鐵施工等過(guò)程中，由于工程容易受到擾動(dòng)或塌陷影響，給路段建設(shè)造成損失。因此采用物探勘查方法，如運(yùn)用地震映像法和探地雷達(dá)結(jié)合的方式，經(jīng)過(guò)實(shí)地工程應(yīng)用驗(yàn)證二者能夠在勘查中發(fā)揮綜合應(yīng)用效果。

1? 地震映像法和探地雷達(dá)法概述

工程建設(shè)中常常由于對(duì)地質(zhì)勘查不足，對(duì)于地下管線復(fù)雜、隱伏地質(zhì)出沒(méi)等問(wèn)題不能做到預(yù)知。因此隨著工程建設(shè)的快速推進(jìn)，諸多影響工程建設(shè)進(jìn)度和引發(fā)工程風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題，如路面塌陷、空洞坍塌等，對(duì)于工程安全管控和人們的出行安全和日常生活都產(chǎn)生威脅。對(duì)于不密實(shí)等病害體，尤其是位于塌陷管線周邊的位置以及規(guī)模性空洞，可以采用物探方法，必須結(jié)合工程實(shí)際和地形情況進(jìn)行[1]。地質(zhì)雷達(dá)和地震映像方法常用于城市工程開(kāi)發(fā)建設(shè)中。地質(zhì)勘查依據(jù)地球物理勘查規(guī)范和城市工程相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于工期情況和現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行充分了解，采用綜合物探方法，相互結(jié)合、充分補(bǔ)充。

1.1 優(yōu)缺點(diǎn)分析

探地雷達(dá)法方法技術(shù)成熟、效率高、分辨率高，其缺點(diǎn)是信號(hào)探測(cè)深度存在有限的問(wèn)題。探地雷達(dá)法對(duì)地下金屬物影響和地表的影響有較強(qiáng)的反應(yīng);地震映像法獲得信息豐富，相對(duì)而言排列短、效率高、探測(cè)深度大，但是其缺陷在于受到數(shù)據(jù)解釋人員的實(shí)驗(yàn)影響較大，產(chǎn)生人工震源能量不穩(wěn)定。

1.2 工作原理

探地雷達(dá)法通過(guò)探地雷達(dá)發(fā)射高頻電磁波對(duì)地底介質(zhì)的分布規(guī)律進(jìn)行探測(cè)。通過(guò)天線進(jìn)行電磁波的發(fā)射，探查地下目標(biāo)體。天線形成數(shù)百兆赫的電磁波，由媒介進(jìn)行發(fā)射。電磁頻率遇到不同媒介時(shí)界面產(chǎn)生反射波，在反射過(guò)程中返回電表面又被接收天線所接受，電磁波在地下傳播速度由已知介質(zhì)測(cè)定。探地雷達(dá)法勘查，電磁波通常傳播速度在高速介質(zhì)中會(huì)出現(xiàn)均勻平波面，其取決于媒介的相對(duì)介電常數(shù)，進(jìn)行媒介的相對(duì)介電常數(shù)計(jì)算時(shí)，可由公式得出不同的媒介界面可產(chǎn)生不同的電磁波傳播速度，并運(yùn)用公式得出反射系數(shù)。電磁波的反射系數(shù)取決于相對(duì)介電常數(shù)差異反射系數(shù)和差異形成正比。顧名思義地下空洞的存在物性差異，產(chǎn)生較強(qiáng)的反射差異[2]。

地震映像法是地震勘查的方法之一，采用吸納后采集技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)如巖溶內(nèi)部的彈性差異進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，得到確定的形態(tài)特征。地震映像法的發(fā)展是從淺地層勘探方法而來(lái)，其對(duì)單點(diǎn)地震反射和高密度地震勘測(cè)均能進(jìn)行勘探。地震映像法產(chǎn)生的不包括繞射波和反射波，記錄激發(fā)點(diǎn)和接觸點(diǎn)之間的反射波，繞射波形成波形圖予以時(shí)間剖面記錄，采集過(guò)程中避免叫正對(duì)反射波的拉伸，即便對(duì)不需要處理的可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，防止高頻成分損失，利用地震波的多種信息進(jìn)行資料解釋時(shí)反射波的動(dòng)態(tài)特征得到完整體現(xiàn)，分辨率不受影響[3]。利用反射波和繞射波地震應(yīng)設(shè)法可以產(chǎn)生明顯的反射波和繞射波，路在空洞頂著的測(cè)量室延伸范圍反映出公眾發(fā)育范圍，如果空洞頂范圍較小，則溶洞頂產(chǎn)生繞射波，同相軸反射波反映空洞的埋深，雙曲線零點(diǎn)為空洞點(diǎn)的位置，繞首播顯示為同相軸雙曲線。

1.3 應(yīng)用難點(diǎn)

在實(shí)際工作中，地震映像法的難點(diǎn)在于確定最佳偏移句，對(duì)剖面上的波的傳播速度、時(shí)間，振幅的相互關(guān)系進(jìn)行分析。最佳偏移距離越小，地震映像法的效果就越好。采集數(shù)據(jù)過(guò)程中使用相等的移動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)接收點(diǎn)和激發(fā)點(diǎn)之間的垂直反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行記錄，避免校正反射波的拉伸機(jī)變，測(cè)量結(jié)果受到影響不大，完整體現(xiàn)反射波特征。

1.4 方法研究

在兩種方法的發(fā)展研究中發(fā)現(xiàn)，探地雷達(dá)法雛形應(yīng)用在1904年，由德國(guó)人首先使用，德國(guó)用電磁波信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離地面金屬體的探測(cè)，后有提出用電磁波技術(shù)來(lái)探查地下的目標(biāo)體，首次提出電磁波在節(jié)點(diǎn)常數(shù)不同的介質(zhì)界面下會(huì)反射電磁波反射，這一原理應(yīng)用在數(shù)據(jù)處理技術(shù)上得到大大的發(fā)展，后在20世紀(jì)70年代得到技術(shù)的提升，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地下淺層的目標(biāo)勘查。隨著應(yīng)用目前土木工程、技術(shù)調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面均有廣泛使用[4]。

2? 探地雷達(dá)法和地震映像法在物探中綜合運(yùn)用

以某工程為例，工程屬于鐵路高速客運(yùn)主骨架，全線長(zhǎng)達(dá)1560km，橫跨三省，鐵路沿線熔巖隧道多下方有異常發(fā)育的容顏，因此進(jìn)行工程方案論證時(shí)候，運(yùn)營(yíng)過(guò)程為防止對(duì)鐵路安全造成損失，因此在土建工程實(shí)施前期，要求進(jìn)行地質(zhì)勘查，對(duì)于巖溶的位置和規(guī)模獲取探測(cè)資料，在處理效果上為采集到有效波的最佳數(shù)據(jù)，進(jìn)行無(wú)損探測(cè)，確保地質(zhì)數(shù)據(jù)得到完全處理，保證運(yùn)營(yíng)安全。

2.1 設(shè)置地質(zhì)雷達(dá)參數(shù)

首先是用探地雷達(dá)法，設(shè)置了地質(zhì)雷達(dá)參數(shù)，利用高超電磁波信號(hào)進(jìn)行介質(zhì)探測(cè)，使用地質(zhì)雷達(dá)儀進(jìn)行無(wú)損探測(cè)。天線中心頻率高，分辨率高，探測(cè)深度小，針對(duì)這一情況對(duì)于雷達(dá)天線中心頻率進(jìn)行深入考慮，充分考慮天線尺寸和分辨率對(duì)探測(cè)地點(diǎn)的影響，設(shè)置了天線的頻率為100mHz，減小雷達(dá)天線中心頻率，對(duì)分辨率和地點(diǎn)無(wú)影響，對(duì)采樣窗口設(shè)置為400ns采樣點(diǎn)為512，每秒掃描100道，來(lái)回掃描20道，使用自動(dòng)增益的方法設(shè)置地址雷達(dá)，探測(cè)深度為15km。

2.2 側(cè)線的布置方案

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)之后，對(duì)于雙軌隧道左中線和左右中線的中間進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。由于工程所在的巖石體電性差異，小街至均勻沒(méi)有明顯的反射面，在進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)法應(yīng)用時(shí)顯示的剖面圖（見(jiàn)圖1），圖像特征、能量均勻、波形均勻，沒(méi)有雜亂反射波，地質(zhì)雷達(dá)圖像特征出現(xiàn)一定規(guī)律的多層反射波，高頻變化幅度較大，附近發(fā)射波振幅明顯增強(qiáng)[5]。因此對(duì)于剖面上的異常點(diǎn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)的反射波同相軸振幅明顯變大，并伴隨有多次反射，可能由于發(fā)育較小的溶蝕和裂隙帶，使得波形較為雜亂，推斷巖層為發(fā)育帶，并伴有溶腔，弧形反射同相軸，形成大規(guī)模的互相反射波，地質(zhì)雷達(dá)線電性差異小，反射波在穿透空洞后，在下底面再次發(fā)生反射，出現(xiàn)一定規(guī)律的多次反射波。

2.3 地震映像法的應(yīng)用

使用地震映像法進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，采用地震波信息勘探的方法，對(duì)地理介質(zhì)變化進(jìn)行勘查（見(jiàn)圖2）。完整的巖層發(fā)生裂隙或者破碎會(huì)出現(xiàn)高頻同相軸的不連續(xù)吸收，如果同相軸有斷面波則可能為斷裂，如果出現(xiàn)低頻振蕩則為空洞。運(yùn)用全數(shù)字化信號(hào)增強(qiáng)淺層地震儀，測(cè)得偏移距為5m，514到524處顯示距離為0.1ms，測(cè)量長(zhǎng)度為200ms，到間距為1.5m。測(cè)線的布置，首先對(duì)于雙線軌道左右和左右出現(xiàn)中間映像測(cè)線路。使用地震映像法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到的數(shù)據(jù)波長(zhǎng)顯示為不連續(xù)，發(fā)生破碎和裂隙的可能性較大[6]。

對(duì)該段使用地震映像法進(jìn)行剖面探測(cè)，縱波的波形較高，出現(xiàn)散射波同向軸逐步連接，出現(xiàn)了4個(gè)異常點(diǎn)，初步接論為巖溶發(fā)育帶有裂隙，隧道存在裂隙發(fā)育并伴有無(wú)填充小溶洞。

2.4 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)地震映像法和探地雷達(dá)法獲得數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理軟件處理，使用帶通濾波、繞舍偏移和反褶積濾波、頻率波數(shù)濾波等的方法對(duì)背景干擾進(jìn)行消除，提取速度、頻率、相位，突出地質(zhì)異常。采用雙曲線擬合和目標(biāo)深度對(duì)電磁波速度進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。探地雷達(dá)圖像反應(yīng)的同相軸起伏大且伴有層間裂隙弧形，電磁波振幅強(qiáng)烈[7]。地震映像上振幅增強(qiáng)，根據(jù)褶皺破碎帶響應(yīng)介質(zhì)波速推斷，對(duì)地段的發(fā)育可解釋為有裂隙水填充溶洞/兩種物探方法克服物探異常多解性問(wèn)題，經(jīng)過(guò)鉆探取芯，結(jié)果與物探結(jié)果一致，驗(yàn)證了運(yùn)用地震映像法和探地雷達(dá)法對(duì)巖溶勘查的可靠性。

3? 結(jié)語(yǔ)

（1）經(jīng)過(guò)探地雷達(dá)和地震映像法的結(jié)合，對(duì)于巖溶勘查的方法是有效的。鉆孔驗(yàn)證與物探結(jié)果基本一致。

（2）探地雷達(dá)和地震映像法的使用應(yīng)結(jié)合地質(zhì)特征，能夠?yàn)閹r溶勘查工作提供參考，解決物探異常多解性問(wèn)題。

（3）在進(jìn)行地質(zhì)物探過(guò)程中，使用探地雷達(dá)法和地震影響法綜合方法，結(jié)合工程地質(zhì)情況，在施工前期獲得空洞、管道探測(cè)資料和相應(yīng)的數(shù)據(jù)，為工程實(shí)際提出指導(dǎo)意見(jiàn)。確保施工現(xiàn)場(chǎng)地形施工條件較好，能夠確保地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)降低到最小。選取最佳施工參數(shù)，提高勘查精度、提供復(fù)測(cè)材料，實(shí)踐證明采用地震映像法和探地雷達(dá)法結(jié)合進(jìn)行工程地質(zhì)勘查能夠提供強(qiáng)有力依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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