水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查反射地震法技術(shù)

羅騰

（湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局407隊(duì) 湖南懷化 418000）

水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查反射地震法技術(shù)

羅騰

（湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局407隊(duì) 湖南懷化 418000）

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查工作的要求也在不斷的提高，越來越多的先進(jìn)地質(zhì)調(diào)查方法被運(yùn)用到水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中。其中，反射地震法因其具有較強(qiáng)的適用性和較廣泛的運(yùn)用范圍，得到了非常廣泛的運(yùn)用。本文主要闡述了反射地震法的技術(shù)原理及其在水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中的運(yùn)用。

水工環(huán)；地質(zhì)；地震波；反射

引言

隨著我國工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人們對(duì)水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查的重視程度越來越高。在水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中，運(yùn)用反射地震法不僅可以對(duì)地質(zhì)調(diào)查的質(zhì)量進(jìn)行保證，還能夠保證水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查的應(yīng)用效果，為工程建設(shè)打下良好的基礎(chǔ)。本文主要談?wù)撍きh(huán)地質(zhì)調(diào)查中反射地震法的相關(guān)知識(shí)。

1 地震波反射法的起源

據(jù)查，地震波反射地質(zhì)調(diào)查方法最早起源于20世紀(jì)初，但是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的技術(shù)水平還比較低下，無法實(shí)際投入使用。到了20世紀(jì)20年代，J.C.卡徹才將地震波反射法投入到實(shí)際地質(zhì)調(diào)查工作中，在美國的美國俄克拉荷馬州第一次記錄到人工地震產(chǎn)生的比較清晰的反射波。到20世紀(jì)30年代，在美國的美國俄克拉荷馬州運(yùn)用該技術(shù)一共發(fā)現(xiàn)了三個(gè)油田。從此以后，地震波反射法正式投入到地質(zhì)調(diào)查工作中。

2 地震波反射法工作原理

地震波反射法英文名為Tunnel Seismic Prediction，簡稱TSP，它是通過地震波反射回波的方法原理進(jìn)行測(cè)量的方法。該技術(shù)主要是利用藥量比較小的炸藥激發(fā)產(chǎn)生地震震源，在巖石中地震波是以球面波的形式進(jìn)行傳播，一旦地震波遇到彈性波阻抗差異界面時(shí)，比如遇到巖體破碎帶、斷層或者是巖溶發(fā)育帶，那么其中一部分的地震信號(hào)就會(huì)向回反射，剩下的一部分信號(hào)會(huì)穿透界面繼續(xù)進(jìn)行傳播。靈敏度高的地震波接收器將會(huì)接收到反射回來的地震信號(hào)，反射信號(hào)的傳播時(shí)間與傳播速度成反比，與傳播距離成正比，通過測(cè)量得到的反射回波的時(shí)間以及直達(dá)波的速度，就能夠?qū)Φ刭|(zhì)條件進(jìn)行預(yù)報(bào)。

通常來說，地震波反射法運(yùn)用的最大的炮檢距不會(huì)高于最深目的層的深度。在檢測(cè)記錄的過程中，不僅會(huì)記錄到反射波的信號(hào)，還常常會(huì)記錄到其他雜亂的振動(dòng)波，這些接收到的不必要的波會(huì)對(duì)接收到的反射波產(chǎn)生一定的干擾。因而在地質(zhì)勘查中，通常運(yùn)用組合撿波，也就是運(yùn)用兩個(gè)或者以上的檢波器的組合取代運(yùn)用單個(gè)檢波器，此外，還可以運(yùn)用組合震源取代單個(gè)震源，并且之后需呀對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，保證地質(zhì)勘查的準(zhǔn)確性。

3 案例分析

3.1 工程概況

某鐵路正線全長為530km，共計(jì)橋梁有480座，占整個(gè)線路總長度的1/4。全段左線拉通橋隧總長419.631km，橋隧比重81.5％。正線路基長度95.389km，占線路長度的18.5％。××隧道進(jìn)口里程為D3K230+119，出口里程為D5K231+678，隧道全長1559m。丘陵-低山地貌，洞身基巖為志留系韓家店組和石牛欄組的灰?guī)r、泥巖、頁巖及砂巖，該段為單斜巖層，巖體節(jié)理裂隙弱發(fā)育，完整性好。隧道進(jìn)口洞門仰坡順層，隧道出口洞門上方有危巖分布，隧道洞身段泥巖和頁巖遇水易軟化，該段地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.25s。地表多為季節(jié)性沖溝，地表水不發(fā)育，地下水主要為基巖裂隙水，隧道開挖以點(diǎn)滴狀和線狀涌水為主。隧道洞身段D5K231+035～+455位于灰?guī)r和灰?guī)r與非可溶巖的接觸段，該段巖溶中等發(fā)育，且該段灰?guī)r上覆和下伏基巖均為非可溶巖該段灰?guī)r成為地下水流通和排泄的良好通道，特別是在接觸帶巖溶尤為發(fā)育；地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具侵蝕性，環(huán)境作用等級(jí)為H1級(jí)，平常期涌水量為926.52（m3/d），雨期最大涌水量為1519.49（m3/d）。在地質(zhì)調(diào)查法的基礎(chǔ)上，開展彈性波反射（如TSP）法預(yù)報(bào)工作。

3.2 TSP測(cè)量系統(tǒng)的布置和量測(cè)

以隧道內(nèi)部巖層的走向?yàn)橹饕罁?jù)，從而確定炮孔的布置位置。起始于掌子面附近的邊墻位置開始布置第一個(gè)激發(fā)孔，以后每間距1.5m處布置下一個(gè)激發(fā)孔，激發(fā)孔向下傾斜10～20°，孔深為1.5m，連續(xù)布置24個(gè)激發(fā)孔。在第24個(gè)激發(fā)孔朝著洞口的方向量測(cè)15～20m，分別在左右邊墻的位置布置一個(gè)地震波信息接收孔，孔徑為50mm，深度為2m。激發(fā)孔與接收孔基本保持在同一個(gè)高度上。待孔全部鉆好后需要對(duì)孔間距進(jìn)行量測(cè)并與隧道里程發(fā)生關(guān)系。如表1為炮孔布置參數(shù)表。圖1為2TSP測(cè)量系統(tǒng)布置圖。

表1 炮孔布置參數(shù)表

圖1 TSP測(cè)量系統(tǒng)布置圖

3.3 TSP測(cè)量的野外實(shí)施

3.3.1 埋設(shè)地震波信息接收探頭

在地震波反射法測(cè)量過程中，需要將接收器的探頭埋設(shè)在鋼套管中，之后將鋼套管通過雙組分環(huán)氧樹脂或錨固劑與圍巖緊緊耦合在一起，這樣便于進(jìn)行地震波信號(hào)的接收，提高工作效率。

3.3.2 藥包的埋設(shè)

在勘查過程中，炸藥需要采用乳化炸藥，并且使用可以瞬間發(fā)射的雷管。在各個(gè)激發(fā)孔中，需要利用小藥量的炸藥來對(duì)地震波信號(hào)進(jìn)行激發(fā)。在放炮之前，需要將水灌入到激發(fā)孔中，起到使爆破產(chǎn)生的能量能盡量在圍巖中傳播并壓制灰塵和消焰的目的。

3.3.3 數(shù)據(jù)采集

等到上述工作完成之后，進(jìn)行可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集工作。在數(shù)據(jù)采集過程中，需要進(jìn)行噪音監(jiān)測(cè)，當(dāng)噪音比較低時(shí)，就能夠采集數(shù)據(jù)并且開始進(jìn)行放炮作業(yè)。這時(shí)，起爆器產(chǎn)生的電信號(hào)不僅要去觸發(fā)電雷管引爆藥包，另一方面給儀器一個(gè)信號(hào)以打開里邊的數(shù)據(jù)傳輸通道。通過藥包的爆破，所產(chǎn)生的地震波信號(hào)很快會(huì)被接收探頭所接收到并記錄下來。依次下去，直到24個(gè)激發(fā)孔全部放炮完畢為止。

3.3.4 資料解釋

以地震波反射法的原理為依據(jù)，并且結(jié)合相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，將距離距離隧道軸線比較近并且能量較大的反射波組判釋為圍巖異常區(qū)域，并且綜合地震波速、反射波相位、泊松比和動(dòng)態(tài)楊氏模量等參數(shù)對(duì)圍巖異常區(qū)的類別進(jìn)行劃分。解釋原則如下所述：①泊松比高說明有流體存在，縱波波速低說明有裂隙存在；②S波反射能量強(qiáng)，P波反射能量弱，說明有流體存在；③S波反射能量弱，P波反射能量強(qiáng)，說明有裂隙存在；④反射波為正相位時(shí)，說明圍巖由軟弱巖層進(jìn)入堅(jiān)硬巖層；⑤反射波為負(fù)相位時(shí)，說明圍巖由堅(jiān)硬巖層進(jìn)入軟弱巖層；⑥當(dāng)泊松比大于0.28或VP/VS突然增大時(shí)，前方地質(zhì)情況為有水或圍巖較破碎；⑦當(dāng)靜態(tài)楊氏模量大于30時(shí)，石質(zhì)堅(jiān)硬，反之，石質(zhì)較軟；⑧當(dāng)反射界面較多且靜態(tài)楊氏模量和泊松比變化頻繁，幅度較大時(shí)，圍巖為破碎帶，若為負(fù)反射振幅時(shí)，圍巖為軟弱破碎帶。

4 結(jié)語

綜上所述，運(yùn)用地震波反射法，可以使得水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查水平得到很大的發(fā)展。上文主要通過對(duì)地震波反射法原理的分析，并且通過對(duì)相關(guān)案例的分析，相信讀者對(duì)水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查地震波反射技術(shù)有了一定的了解。在今后的工作中，還需要加大力度研究，提高地震波反射法的地質(zhì)調(diào)查水平，為水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查工作做出更大的貢獻(xiàn)。

[1]呂慶田，廉玉廣，趙金花.反射地震技術(shù)在成礦地質(zhì)背景與深部礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用：現(xiàn)狀與前景[J].地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010（06）.

[2]李凡斌.反射地震的速度[J].國外地質(zhì)勘探技術(shù)，1984（09）：34～35.

[3]刁 順，張軍華，王永剛.深反射地震法[J].地學(xué)前緣，1998（02）：67～68.

[4]王晨芳.談水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查反射地震法技術(shù)[J].黑龍江科技信息，2013（14）：56～57.

P631.4

A

1004-7344（2016）02-0159-02

2015-12-28

羅騰（1988-），男，助理工程師，本科，主要從事巖土工程勘察方面的工作。