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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2015-06-23

关键词：地质勘查浅地表物探精细探查陆地声纳法

浅层地质勘查和岩土工程的设计和施工中遇到许多重要的地质勘查难题，特别是地质环境安全及预警预报、防灾减灾方面的地质隐患探查缺少对地质小尺度作精细探查的手段。研制适合我国国情的勘查新技术是行业发展的共同责任。

Part 1浅地表物探4大难题

难题1-城市勘查：
我国35个城市建地铁城铁、城市中建设大型建筑物、城市中出现许多地质和施工引起的灾害，但因行人、车辆等的振动噪声和地电干扰，使传统的物探技术方法在城市中几乎无法做面积性的工作；这些勘查要求的小尺度的精细探查，目前缺少手段。
难题2-岩溶探查：
我国喀斯特发育面积约占陆地面积20%以上，大量工程遇到溶洞、暗河，而中、小溶洞、暗河的探查、定位一直是国内外勘查技术的难题，大量的地下工程、路桥、采空区、建筑物等基础的隐患、居民区的岩溶地质灾害等呼唤对溶洞等地质隐患做准确探查的技术出现。单个溶洞的探查历来是国内外的技术难题。
难题3-隧道施工地质预报
要求能分辨中小断层、溶洞、暗河，定位误差小于5%。
难题4-崎岖山地探查的地形影响，这是传统各种方法都面临的难题。

Part 2陆地声纳法解决如上问题的5个方面的技术发明
此项技术方法以岩土工程安全急需解决的探查难题为目的，1990年从隧道施工不良地质预报着手，以弹性波的基本理论为基础，综合不同专业的技术，另辟蹊径创造新方法，发明、研发了陆地声纳法及其专业设备。方法技术研究初期和后期得到了部科研项目、863项目、国家自然科学基金重点项目、国家973项目、自然科学基金重大科研设备项目的支持。

实现了5项主要的技术发明，使技术迈进到精细探查阶段。
①现了极小偏移距自激自收单点连续剖面方法等多项技术创造；
②发明了新型的激震方法，可激发高宽频带的振波；
③研制了有效接收10Hz-4000Hz的检波器和仪器；
④发明了自激自收方法和现场实测弹性波波速的方法
⑤实现了弹性波自激自收方法准确定位的理想要求。

技术发明1：弹性波单点连续剖面法
1920年，弹性波反射方法出现时的理论基础是自激自收，但为勘探石油，采用爆炸震源，而发展成一点激发，多点接收的方法，但当一点激发，多点接收的地震反射法用于浅层探查时，特别是深0~40m时，遇到一系列问题：
A.直达波、面波、折射波的干扰；
B.一点激发多点接收的方法在浅层探查时与基本理论差距大；
C.浅层探查时，往往测线不够长，不能应用探查深部的资料处理方法，工作困难；
D.一点激发多点接收的方法在崎岖山区要作静校正。
单点自激自收方法，只要将起伏的地面作为基准面即不需要其它校正。同时，自激自收方法对溶洞等物体的反映很清晰，图像反映为很易识别的双曲线。
实现这一技术的难点：弹性波单点连续剖面法必须将各个测点的时间曲线汇成一幅时间剖面图才能进行处理和判释，而每一点的激振强度不同、检波器的耦合不同，因而同一反射面的反射波在各测点上的振幅相差很大，无法辨认。1990年发明人钟世航提出将各测点振幅作道间均衡的归一化方法，1991年使用刚进入我国的286便携式计算机实现。

技术发明2：实现激发和接收高宽频带反射波
A.可以接收超宽频带的反射波（10Hz~4000Hz)；
B.新型的激震方式可以激发10Hz~10000Hz的高宽频带的频率；
传统地震勘探可以接收到最高频率反射波：石油地震约20-80Hz，浅层地震反射法最高250Hz。对于探查浅层的方法，必须要高宽频率激发与接收：若要分辨1m厚的层，1m大小物体，需要高于500~1000Hz的频率，才可以实现岩土工程中地质小尺度的精细探查。采用异于传统检波器的思路，实现了超宽频带高灵敏度检波器，仪器主机则实现了采样率高，采样长度长的专用仪器。在激发高宽频方面也创造了新型的激发方式。
激发和接收超宽频带的反射波的优点：
①＞400Hz的工作频段可以避开人、车、火车的振动影响，可应用于闹市区工作；
②可作精细探查，研究地质体的细观结构，特别是中小溶洞、暗河、中小断层等的反射频率在1000~2000Hz，这正是陆地声纳法的工作频段。
③在场地狭小处可正常使用（在掌子面可布置测线，可采用跳段间隔工作，可使用折线型测线等）；
④可在崎岖地形工作；
⑤采用锤击震源（非爆炸震源）探查深度（或距离）可达200m以上；
⑥不必固着检波器，大大提高了工作效率。

技术发明3：单点连续剖面反射法确定反射面空间位置
几十年来业界认为，单点连续剖面反射法不能确定反射面空间位置，在隧道地质预报中，目前其他方法均未能突破（要准确的确定反射面空间位置，必须得到其倾角）。
本项目未采用地球物理技术的常规思路，利用计算数学方法予以突破，有两种方法：
①三维建模；
②利用隧道地质预报时的掌子面上水平和铅垂向测线，在已知波速情况下，推导出了根据一系列测点的反射面的反射时计算出反射面的空间位置的公式和方法。

技术发明4：单点反射连续剖面法的波速测定方法
反射法类型的方法，数据采集测得的是反射时间，只有知道了波速才能计算长度和距离。不能测定波速，只能作定性的判释，称不上是完整的方法。业界只在一点激发、多点接收的方法上解决了测量地层波速的问题。陆地声纳法通过长期的努力在取得了测取波速的技术的发明后，才能被认可为一种独立的方法。
已授权国家发明专利8项，软件著作权10项，实用新型专利4项；共22项知识产权；这些发明专利、软件著作权涵盖5个方面的主要发明点。
成果及荣誉
1、2012年获得中国岩石力学与工程学会发明一等奖、
2、2014年北京市科学技术二等奖。
3、被纳入《铁路隧道超前地质预报技术指南》、《铁路隧道工程施工技术指南》、《公路隧道施工技术细则》3部国标规范。

Part3技术成果的推广应用
陆地声纳法的技术成果已被50多家产、学、研单位成功推广。已应用在120个岩土工程中，其中有国家级、省部级的重点工程，
（1）城市勘查
陆地声纳法超宽频带的激发和接收能力在城市物探中可以不受火车、汽车、行人或者其它振动干扰（干扰频率低于300Hz)
[实例1]济南闹市区断层、岩层层面及岩溶勘查，要求探深200m
[实例2]广清高速公路改扩建工程基岩面和岩溶、洞穴的探查

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工作在高速公路和国道旁进行，要求探查深度100m，探查直径≥0.5m溶洞；探查结果经19个钻孔验证，陆地声纳法报告给出的结果全部与钻探一致；
（2）溶洞探查
陆地声纳法可在100m以内深探查1m大小的单个溶洞，并定位。
[实例1]广清高速公路改扩建工程基岩面、溶洞、洞穴的探查
勘查段在岩溶发育区中，在高速公路旁和107国道上，要求探查70m以内深大于0.5m溶洞和土洞。采用陆地声纳法，以少微分电测深配合。在测区内查出1400个中小溶洞，经建设方用19个钻孔验证，定性上全部温和，仅1个钻孔的个别溶洞深度差大于2m。

[实例2]湖北鄂州泽林地陷区溶洞探查

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泽林镇相距约150m的两处先后发生地陷，1处地陷直径约20m，其边沿距运输繁忙的武九线铁路约十米，地陷造成民房塌陷。另1处地陷直径约10m,在一新盖居民楼的一楼商铺中，一根承力混凝土柱正在坍坑中。地陷区基岩主要是石灰岩，为此采用陆地声纳与微分电测深结合探查区内岩溶洞穴，以判定溶洞反映情况，确定处理方案。采用静力触探在7个点做了验证，触探和物探对比符合率在95%以上。
（3）崎岖山地勘查
陆地声纳法自激自收单点连续剖面的技术在崎岖的山区工作，不存在静校正问题。
[实例1]舟山金塘岛风化层、地下水面及岩体完整程度探查：
勘查目的是选择跨海悬索桥的桥墩和悬索锚固室位置，要求探查深度大于150m。测区地形起伏，地表常有岩石出露，基岩为流纹斑岩。要求探查强、中、弱风化层的厚度和以及各层的波速、划分出岩体中的破碎带。由于地形起伏对陆地声纳探查影响不大，故无须作静校。陆地声纳法成功完成任务
[实例2]广西岭脚隧道涌泥原因的探查：

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地面探查报告中被开挖揭示的大空腔

岭脚隧道埋深200余m，为双向公路隧道。右洞挖到K18+215时，突然一次性涌泥4万m3，然后涌水。之前的设计勘探和采用TSP进行地质预报，均未能发现什么异常情况。施工单位邀请课题组于2012年底用陆地声纳法探查。在隧道的左洞掌子面作了180m的探查，在山体地面上向下探查，得到结论：有近50m宽以前未发现的断层带，其中的岩体为可溶岩，受断层的切割和长期强烈溶蚀，溶蚀裂缝与地面降水和泥、砂连通成为涌泥、涌水源，按此地质结论在右洞作注浆，左洞继续向前开挖。按施工单位的反馈，开挖结果与预报吻合。
（4）隧道施工超前地质预报
在隧道掌子面上设测量剖面，约750px设一测点，用锤击方式激发弹性波，在激震点旁设检波器接收被侧物体的反射波，检波器用凡士林与岩面耦合。然后将各测点的时间曲线拼成时间剖面，根据相同轴和频谱解释圈定断层、大节理、岩层分界面、岩脉、涌水层、溶洞等不良地质体，为确定反射体的空间位置，通常布置水平和铅垂的两条测线。物探做隧道施工超前地质预报遇到一个最好的条件，就是预报的结果很快就能够得到隧道开挖的验证，不仅对工作一种督促，同时对技术的开发提供反馈资料和支出问题。
例如，北京的京包高速公路德胜口隧道，作者收集了大量预报断层后开挖反馈的实测资料和照片对比；湖北齐岳山隧道预报暗河和溶洞遇到争议时，是由开挖揭露给予了仲裁；四川锦屏二级电站探查岩溶裂隙和小溶洞的组合和大涌水的关系有开挖的实际做对比……

[实例1]德胜口隧道ZK34+448掌子面陆地声纳预报（穿过白云岩）

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在140m范围内有14组大小断层，其中有6组是2-3条断层的交叉，开挖后的实测与预报的符合率在95%以上。

[实例2]齐岳山隧道预报掌子面前方50-120的大暗河，找到施工单位的质疑。
齐岳山隧道ZK232+140预报前方暗河及溶洞资料及开挖反馈

大开挖证实了预报是正确的。这同一条暗河在线距几百米的并行的一条铁路的隧道则造成了大涌水，死亡十余人。

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极小震-检距超宽频带弹性波反射单点连续剖面法技术及装备（既“陆地声纳法”）由北京水工资环新技术开发有限公司自主研发。荣获中国岩石力学与工程学会技术发明一等奖、国家科技进步二等奖、山东省科技进步一等奖、北京市科学技术二等奖各1项。
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