地震勘探在巖土工程勘察中的應用

喬得福

（甘肅省地礦局第二地質礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730020）

在各類工程項目建設之初，都需要進行巖土工程勘察，以保證后續(xù)項目建設的順利推進。地震勘探技術作為目前巖土工程勘察中使用最多的技術，是一門電磁波、電學等多學科成果組成的技術，在專用儀器的支持下，能實現(xiàn)對地下巖土層的全面有效勘探，從而為后續(xù)巖土工程建設提供第一手的真實決策資料[1]。地質勘探技術對保證巖土工程勘察的質量和效率具有特殊作用。本文主要介紹地震勘探技術的概念和應用的領域特點，結合巖土工程勘察的需要，探討了多種地震勘探技術的應用特點。

1 巖土工程勘察

（1）巖土工程勘察意義。任何工程項目所在地的地質狀況和其周圍環(huán)境都有著非常密切的關系。巖土工程勘察就是要對所在地的地質情況結合周圍環(huán)境進行情況勘探。這是一項需要投入巨大工作量的細致工作，必須對每一項工作進行詳細的記錄，并在結束后進行匯總分析，為工程施工提供地質地層情況的決策依據(jù)。目前巖土工程勘察工作中，如果只關注所在區(qū)域內(nèi)的地形地貌，單純對施工場地進行地質勘察，忽視了周邊的地質地層情況，就會導致最后的勘查結果不夠準確，科學性不足。這也說明巖土工程勘察工作是否全面覆蓋周邊環(huán)境、是否詳細真實掌握地質情況非常重要。

（2）巖土工程勘察的主要工作內(nèi)容。巖土工程勘察的主要工作內(nèi)容包含三個方面：第一，對工程建設區(qū)域的地下水文數(shù)據(jù)，如地下水的位置、水流波動情況、水質情況等數(shù)據(jù)進行全面采集，找到工程建設中可能存在的水文方面的安全隱患，避免工程建設時受到影響[2]。第二，對工程作業(yè)區(qū)域的地質構造情況數(shù)據(jù)，如地層組成、地層厚度、節(jié)理發(fā)育情況、溶洞、軟土地基等多種情況進行全面采集，針對不同的地質地層情況制定針對性處理措施，以避免地質構造對工程后續(xù)建設帶來影響。第三，對工程作業(yè)區(qū)域的氣象氣候情況數(shù)據(jù)進行采集，主要有季節(jié)溫度變化、雨季的周期和持續(xù)時間、降雨量等，避免受到氣候因素帶來的影響。

（3）巖土工程勘察的重要性。巖土工程勘察的重要性主要來源于其采集的各種地質參數(shù)的可靠性和準確性。在勘察巖土工程中，如果勘察測點分布不夠科學合理，或者分布不夠全面，就會導致后續(xù)工程建設直接受到影響。比如基礎工程設計過于保守，或者是對地層地質條件認識不足，從而安全性設計缺失或者不足等。因此在巖體工程勘察中，必須要針對不同區(qū)域的場地條件、地層結構等因素選擇最適合的勘探技術來進行勘察，這樣不僅能保證勘察水平，還能有效控制勘察成本，以優(yōu)良的勘查結果為后續(xù)的工程設計方案制定和工程功能質量提供最可靠的支持。

2 地震勘探技術

（1）地震勘探技術發(fā)展歷史。最早的地震勘探技術于1919 年由德國人申請了技術專利，主要應用于石油勘探領域，采用的是地震折射波的原理進行數(shù)據(jù)采集。之后英國的學者又提出了基于反射波原理的地震勘探方法。但無論是折射波還是反射波，地震勘探技術最主要的特點就是需要人工激發(fā)地震波，這被稱之為人工激發(fā)源。人工激發(fā)源包括炸藥震源、氣槍、可控震源等類型。其中可控震源的地震勘探技術是工業(yè)化應用的重要類型?？煽卣鹪吹卣鹂碧郊夹g誕生于20 世紀的50 年代，并于20 世紀70 年代開始進入工業(yè)化應用?？煽卣鹪吹卣鹂碧郊夹g大規(guī)模應用中，主要是采用多臺設備組合激發(fā)產(chǎn)生可控震源，在利用相關方法采集野外單炮記錄。該技術具有安全環(huán)保的特點，具體地震勘探中能按照所在區(qū)域的地表條件、地層深處地震物質條件等對地質震源的出力大小、掃描時間、相位等參數(shù)進行科學調整，有效地提高了地震勘探技術的工作效率，改變了傳統(tǒng)的勘查工作方式，因此可控震源地震勘探技術是目前世界上應用最為廣泛的地震勘探技術。

（2）地震勘探技術的可控震源系統(tǒng)?？煽卣鹪吹牡卣鹂碧郊夹g依據(jù)激發(fā)地震波的類型倆分類，主要有縱波、橫波和縱橫波三種類型，其中縱波可控震源的應用范圍最廣最為普遍。可控震源系統(tǒng)是一個比較復雜的控制系統(tǒng)，主要是由以下三大部分組成。第一，掃描信號發(fā)生器。這是產(chǎn)生掃描信號的發(fā)生器，也被稱為編碼器，是安裝在地震儀器車上，主要作用是產(chǎn)生具有一定延續(xù)時間的連續(xù)震動信號作為向地下傳播的激發(fā)信號，為區(qū)別該信號和炸藥作為震源產(chǎn)生的脈沖信號，稱這種信號為掃描信號、真參考信號。掃描信號發(fā)生器不僅產(chǎn)生信號，還能通過把信號遙控器安裝到所有施工的可控震源上，從而讓可控震源按照真參考信號一樣產(chǎn)生振動，并控制振動的啟動時間，利用無線電接收到實時震源的監(jiān)控數(shù)據(jù)[3]。第二，可控震源。它是整個系統(tǒng)的主體部分，也是通常說的震源車，它能按照設定的指標產(chǎn)生振動信號，并將設定好產(chǎn)生頻率、振動時間的信號向地下傳播。震源車本身的組成比較復雜，包括，動力、驅動、振動、輔助等部分組成。而振動系統(tǒng)又是整個部分的核心所在。一般的振動系統(tǒng)是由震動器、震動液壓裝置、電動控制系統(tǒng)、電動控制箱體等組成。

（3）地震勘探技術的工作流程。地震勘探技術的工作流程主要是包含三個階段。一是采集野外地震數(shù)據(jù)資料。在該階段，地質工作者會利用相關的地質勘探設備和儀器在勘探區(qū)域進行相關數(shù)據(jù)的采集，通過提高采集數(shù)據(jù)的準確度、真實性，來保證后續(xù)數(shù)據(jù)處理的質量。主要工作是，先按照勘探區(qū)域的地區(qū)物理特征開展測量設計，就是要確定好測量的測線距離、爆炸點和接收點的位置。之后挖掘一個用來埋炸藥的淺井，將一定劑量的炸藥放入淺井中，從而產(chǎn)生爆炸震動發(fā)出地震波，或者是利用震動車來產(chǎn)生地震波。地震波在不同地層界面反射回來的數(shù)據(jù)被檢波器接收并記錄下來。工作人員采集的相關數(shù)據(jù)包括、排列縣局、總覆蓋次數(shù)等。地震勘探也分為一維、二維、三維勘探。一維勘探只能獲得一個點的地震情況；二維勘探能感知一條線之下的地質情況；三維勘探能觀測一個區(qū)域面積下的地層情況，得到的是地層立體圖像。二是地震勘探數(shù)據(jù)處理。主要是對勘探地區(qū)的地形測量數(shù)據(jù)，采集到的其他原始數(shù)據(jù)進行處理，從而繪制出所在測區(qū)的地形平面圖和立體圖。三是地震勘探數(shù)據(jù)解釋。解釋工作目前主要是利用到計算機處理技術，在電腦上對采集的資料數(shù)據(jù)進行處理并作出相應的圖形圖紙。再依據(jù)繪制出的圖件來進行地層地質解釋工作，對探區(qū)范圍地底下構造、地質發(fā)展情況、巖性結構和變化等進行整理，劃分出關鍵地區(qū)和部位，寫出總結分析報告，為后續(xù)巖土工程建設方案提供技術支持。

3 地震勘探技術在巖土工程勘察中的典型應用分析

（1）波速測試地震勘探技術。該技術主要是以波速作為分析巖土工程中地基圖的物理性質的主要依據(jù)，是目前應用于巖土工程勘察中比較先進的技術。常見的波速測試地震勘探技術有橫波技術、壓縮波技術等。利用波測試測試的結果，能實現(xiàn)對巖土工程類型的具體分類，能非常準確的反應動剪切剛度、阻尼比等地震參數(shù)。在對測試的數(shù)據(jù)進行分析后，能準確判斷巖土工程中是否存在著液化現(xiàn)象，從而判斷出地下巖土的生命周期，保證后續(xù)的巖土工程現(xiàn)場施工方案劃分更加科學合理。波速測試技術的計算中，在固體介質受到外力影響產(chǎn)生固體介質之間的應變時，彈性波就會產(chǎn)生，并從固體介質轉移到周圍位置。彈性波的組成非常復雜，常見的有表面波和體積波。目前主要采用的是橫波速度測試技術應用于巖土工程勘察的淺層勘探中，用來計算出工程動力參數(shù)、場地土的承載力等。

（2）地震波層析成像技術。該技術通過利用淺層地震儀器，以地震鉆探技術來實現(xiàn)坡面測試工作。在測試過程中，因為很好地隔離了風化層和障礙物帶來的影響，有效提高了測試的準確性。但是目前的地震波層析成效技術的坡面測試還是會因為電纜盒子的井深有限而受到局限。也就是說，只要電纜的長度增加，就能實現(xiàn)更深的井深，這樣測試坡面的深度就會越來越大，采集到的深層地質構造數(shù)據(jù)就會越多，就能更加全面地掌握地下的情況，進行科學全面分析研究。地震波層析成像技術還具有成像效果好，圖像直觀便于直接使用的優(yōu)點，這些優(yōu)點讓該技術受到巖土工程勘察領域的歡迎，預計在該技術的不斷優(yōu)化和更新后，未來的應用領域和空間會更加廣泛。

（3）隧道地震勘察技術。隧道地震勘察技術能實現(xiàn)遠距離探測，測試結果的分辨率高，有很強的抗干擾能力，對施工帶來的影響較少，因此是目前比較前沿的地震探測方法。該技術的原理是基于深度偏移成像原理，這也是最終成像精度高、預測預報準確度好的主要原因。但是從巖土工程勘察技術應用的過程也發(fā)現(xiàn)，該技術存在著一些不足，如還沒有建立科學明確的不良地質條件的判斷指標，目前采用的專家人工經(jīng)驗方法過于單一，科學性不好。而且該技術還有一個重要不足，無法對和隧道走向處于平行的斷裂帶、溶洞、飽水帶等進行有效探測勘察。在巖土工程的圍巖級別、塌方可能性分析上，還有一定的技術差距。該技術要提高應用的范圍，必須進一步強化技術操作人員的技能水平，具有豐富的工作經(jīng)驗，才能提高預報的精度和數(shù)據(jù)翻譯的水平。還可以采用多種測試相結合的方法，利用測試結果的相互應證來提高整體的勘探測試精度和準確性。

（4）地質雷達勘察技術。地質雷達勘察技術采用的是電磁波作為發(fā)射頻率產(chǎn)生的電磁波作為探測介質，是目前比較新型的技術之一，在隧道巖土勘查中取得了很好的應用效果。地質雷達利用天線將電波傳輸?shù)降叵?，并利用脈沖電磁波的強弱來反應地下地層結構的變化情況。在將地質雷達和鉆探結合起來建立探測模型后，能更大程度地提高地震勘探效果和質量。

在巖土工程勘察中應用地震勘探技術的方法很多，本文結合巖土工程勘察的主要工作內(nèi)容和地震勘探技術的主要特點，分析了波速測試地震勘探技術、地震波層析成像技術、隧道地震勘察技術、地質雷達勘察技術等應用的特點和不足，探討了提高地震勘探技術效率和質量的方法。