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(kāi)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(kāi)發(fā)局407隊(duì) 湖南懷化 418000）

隨著我國(guó)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(lái)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(guó)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(lái)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(wú)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(guó)的美國(guó)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(guó)的美國(guó)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T(mén)unnel Seismic Prediction，簡(jiǎn)稱(chēng)TSP，它是通過(guò)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(lái)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(xiàn)全長(zhǎng)為530km，共計(jì)橋梁有480座，占整個(gè)線(xiàn)路總長(zhǎng)度的1/4。全段左線(xiàn)拉通橋隧總長(zhǎng)419.631km，橋隧比重81.5％。正線(xiàn)路基長(zhǎng)度95.389km，占線(xiàn)路長(zhǎng)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(zhǎng)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(yè)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(mén)仰坡順層，隧道出口洞門(mén)上方有危巖分布，隧道洞身段泥巖和頁(yè)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(kāi)挖以點(diǎn)滴狀和線(xiàn)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)雙組分環(huán)氧樹(shù)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(guò)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(lái)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(guò)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(kāi)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(kāi)里邊的數(shù)據(jù)傳輸通道。通過(guò)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(lái)。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(xiàn)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(lèi)別進(jìn)行劃分。解釋原則如下所述：①泊松比高說(shuō)明有流體存在，縱波波速低說(shuō)明有裂隙存在；②S波反射能量強(qiáng)，P波反射能量弱，說(shuō)明有流體存在；③S波反射能量弱，P波反射能量強(qiáng)，說(shuō)明有裂隙存在；④反射波為正相位時(shí)，說(shuō)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(shuō)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(yǔ)

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(guò)對(duì)地震波反射法原理的分析，并且通過(guò)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(guó)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。