地震映像法在超深管線探測中的應用

肖順 ，張永命，任建平

(廣州市天馳測繪技術有限公司，廣東 廣州 510660)

1 引 言

隨著城市建設的快速發展，越來越多的地下管線密布穿行在大街小巷下方，管道埋設方法也不斷推陳出新。近年來，穿越施工方法因其適應性強、效率高，免去開挖路面的麻煩，能夠穿越交通繁雜的十字路口及不宜開挖的河流、居民區，越來越多地被管道鋪設單位所青睞。利用穿越施工方法鋪設的地下管線，一般埋設較深，其縱剖面一般呈“V”字型分布，即中間深兩邊淺，中間區深度可達10 m以上。如此深的地下管道，如何能夠準確定位、定深?這是擺在管線勘測單位面前的一道新課題。

常規的管線探測手段如:低頻電磁波法(運用管線探測儀探測可帶電的金屬管道或電纜);高頻電磁波法(運用地質雷達探測地下管道)等。低頻電磁法有效探測埋深一般在5 m之內，超過5 m的用管線探測儀很難進行有效探測，不能滿足精度要求;用地質雷達探測管線，只能解決極少一部分問題(因為受目標體大小、地電條件、干擾異常等因素影響較大，往往很難探測出有效異常)［1］;剖面觀測法對有可充電條件的且能有效避開淺部干擾的超深金屬管道的探測非常有效［2］。但若遇到無有效接觸點的超深金屬管或非金屬管，在雷達探測又沒有效果的情況下，該如何進行有效探測呢?通過運用磁法、電法和地震映像法等物探方法對該類管線進行對比探測，發現地震映像法在探測該類管線時，異常明顯，且儀器輕便、操作簡單，效果很好。

2 地震映像法工作原理

地震映像法，又稱地震共偏移距法，是以地層的物性差異為基礎，用相同的小偏移距逐步移動測點接收地震信號，基于反射波法中的最佳偏移距技術發展起來的一種淺地層勘探方法。［3］地震映像法中每個記錄道都采用相同的偏移距，且在該偏移距接收的反射波應具有良好的信噪比和分辨率［4］。地震映像法工作模式如圖1所示，數學模型及計算公式如圖2所示。

圖1 地震映像法工作模式及簡化波形圖

圖2 地震映像法數學模型

式中:t—彈性波的雙程走時，單位:ms;

Z—反射點距離地面的埋深，單位:m;

x—地震儀的收發距，單位:m;

V—介質中彈性波的波速，單位:m/ms。

波形的正負峰分別以黑白色表示，或者以灰階或彩色表示，這樣同相軸或等灰線、等色線即可形象地表征出地下反射面或異常體。

地震映像法工作原理同地質雷達一致，地質雷達利用高頻電磁波，其特點是衰減快，但分辨率高;地震映像法利用彈性波，其特點是穿透力強，但分辨率低［5］。兩種方法各有所長，可互為補充。

3 應用實例

3.1 地震映像法在探測超深金屬管中的應用

目標管道位于廣東某大型火電廠內，從珠江中間引水至廠區作冷卻用途，由兩條直徑3.2 m的鋼管頂管鋪設，管間距約13 m，管頂至地面埋深約9 m。目標管道從頭至尾沒有任何已知信息，加之管道位于江水水面下方3 m ～5 m，常規手段無法進行有效探測。采用地震映像法恰好能克服上述困難，并取得了很理想的反射波形。經鉆探抽樣驗證，地震映像法確定的平面位置準確可靠，用驗證點的鉆探結果反推波速，再算出其他探測點埋深。

地震映像法使用人工震源產生脈沖信號，利用彈性波在地層中的傳播和反射特性來探測目標體［6］，收發距:4 m，道間距:0.5 m。實測波形如圖3所示:

圖3 地震剖面實測圖(管1:9 道，管2:35 道)

通過分析，在第9 道和第35 道位置下方出現兩組形似于倒置雙曲線的同向軸，這與管道的理論地震波形(如圖1)相吻合，故推測這兩個位置為管道所在。通過鉆探+釬探驗證，異常反應的管道平面位置準確，釬探得該點管頂埋深9.6 m，管頂雙程走時約65 ms，反算該區域波速V=300 m/s。

3.2 地震映像法在探測超深非金屬管中的應用

目標管道為直徑1.4 m 的污水壓力輸送管，材質為玻璃鋼夾砂，位于廣州市大坦沙島上，管頂埋深7 m～8 m。探測時先用地質雷達進行掃描無異常信號(如圖4所示)，分析原因主要為地下水位太高導致電磁波被大量吸收，加之玻璃鋼夾砂管的介電常數與周圍介質差別不大，故難以產生明顯的反射波。再采用地震映像法探測該段管道，異常明顯(如圖5所示)，經釬探驗證，異常反應的管道平面位置準確，管道實際埋深為7.8 m。該點探測儀器參數為:收發距2 m，道間距0.5 m，管中異常點12 道，管頂雙程走時約40 ms，反推該區域波速V=390 m/s。

圖4 雷達掃描圖(2 m 以下含水層全是噪聲)

圖5 玻璃鋼夾砂管地震映像實測剖面圖

4 結 語

4.1 地震映像法應用的基本條件

地震映像法是探測超深地下管線重要的補充手段，采用地震映像法探測的目標管道需要滿足以下兩個基本條件:

(1)管頂埋深＞3 m，埋深太淺，其反射波容易被直達波和面波所覆蓋，導致無法分辨反射波形態［7］;

(2)管徑＞1 m，原則上管徑越大，越容易從地震波中識別出來。因為地震波波長相對較長，太小的目標體無法形成完整的曲線異常，容易造成遺漏。

4.2 地震映像法探測地下管線的優勢

(1)相比高頻電磁法(地質雷達)的優勢:地震波的反射性能受介質的電性影響較小，穿透能力與土壤的含水量大小也關系不大［8］，故該方法在地面、水面均可適用。

(2)相比低頻電磁法(管線探測儀)的優勢:地震映像法可以探測深埋在地下的非金屬管道，同時可以“忽略”淺部管線干擾;低頻電磁法對非金屬管道無能為力，且易受地表其他管線干擾，地震映像法正好彌補了這一缺陷。

4.3 地下管線探測手段的歸類

(1)淺部管線(埋深＜5 m)探測

①對于金屬及電纜類管線，使用管線探測儀即可進行有效探測;

②對于非金屬管線，采用地質雷達+釬探的綜合手段可進行有效探測。

(2)超深管線(埋深≥5 m)探測

①對于可以找到有效接觸點的金屬管線、電纜類管線，采用剖面觀測法進行有效探測;

②對于難以找到有效接觸點的金屬管線、非金屬管線，采用地質雷達+地震映像法+釬探的綜合手段可進行有效探測。

［1］楊峰，彭蘇萍．地質雷達探測原理與方法研究［M］．北京:科學出版社，2010:5 ～6．

［2］張永命，肖順．剖面觀測法在超深管線探測中的應用［D］．城市勘測論文集，2011，S1:125．

［3］單娜琳，程志平．地震映像方法及其應用［J］．桂林工學院學報，2003，23(7):36 ～37．

［4］徐濤，許順芳．多偏移距地震映像法應用技術研究［J］．工程地球物球物理學報，2009，6(3):273 ～276．

［5］單娜琳，程志平，丁彥禮．地震映像數據的時頻分析方法及應用［J］．地球物理學進展，2007，22(6):1740 ～1745．

［6］王治華，仇恒永，楊振濤等．地震映像法及其應用［J］．物探與化探，2008，32(6):696 ～700．

［7］王東，方玉滿．地震映像法在采空區勘探中的應用［J］．礦產勘察，2012，3(2):244 ～246．

［8］王小杰，印興耀，吳國忱．粘彈性介質地震波傳播特性及反射特性研究［J］．物探化探計算技術，2012，34(3):631．