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|LJv* @TW:6v` 陆地声纳法作为弹性波反射类方法中的一种新技术方法推出和应用已有20余年,多项技术发明填补了国内外浅层勘探领域中的技术空白,并于2010年通过了由中国岩石力学与工程学会严格规范的技术成果鉴定。该技术成果在预警预报、防灾减灾、岩溶探查、城市物探、工程质量检测等多个建设领域中被推广应用,目前该方法已纳入3部国家行业技术标准: Y?1T
XsvF (1)铁建设【2008】105号《铁路隧道超前地质预报技术指南》; e;~(7/1 (2)铁路工程施工技术指南 TZ 204—2008、《铁路隧道工程施工技术指南》; _,0.h*c (3)交通运输部JTG/T F60-2009《公路隧道施工技术细则》。 bBML +0a
H(K!{k p:b{>lM 陆地声纳法是"陆上极小偏移距(震-检距)超宽频带弹性波反射连续剖面法"的简称,其精华在于超宽频带的激发和接收(带宽可达2000~3000Hz以上)和近于零的极小震-检距。作为弹性波反射法的一个新方法,其理论基础与地震勘探的基本理论是一样的。 lIEZ=CEmY b=BNbmX 地震勘探是利用人工方法激发弹性波来进行勘探的方法,近20年来也发展出利用天然的地震动作勘探的方法。 l'[;q ' 1914年在泰坦尼克号悲剧之后,Reginald A. Fessenden申请了《水声定位矿体的方法及仪器》专利(美国),1914年Ludger Mintrop 在德国设计了一种地震仪,1919年Mintrop申请了《探测岩石构造的方法》德国专利,提出了人工(炸药)激震、接收弹性波作勘探的方法,1920年John William Evans 和WillisB.Whitney 申请了英国专利《探测地壳内部特征的方法及其改进》,提出了地震反射波法。 $X;OK 1921年至1926年间开始了用地震反射法进行石油勘探的试验和生产活动,检波器由3个增加至4道、6道至24道,60年代末被48道取代,以后更发展出240道,至今使用1000道或更多道数。海上勘探甚至有用到万道以上的。这是由于石油勘探的深度大,需要钻孔,在钻孔中放置炸药爆炸激震。采用一点激发,多道接收,经济上较合理。多道的采集必然使的震—检距大,跟地震反射法的自激自收(震-检距接近于零)的理论要求已是很远了。为此发展出一系列处理技术,如叠前偏移、叠后偏移,反褶积等等以及研究转换波等的一系列成果。 x`+M#A()/ vh&~Y].W Y 救危解难,浅层勘探陷入困境 >{(c\oMD KsTGae;ds 20世纪80年代,浅层地震反射法应用到工程物探领域时遇到了诸多困难。 k(tB+k!vH\ [mwqCW& 第一个困难,是为勘探浅层,偏移距(震源至第一个检波器距离)小,直达波、面波、转换波的干扰比石油地震反射更突出,先至的直达纵波、直达横波、声波、折射波、面波等造成对反射波的极大干扰;若偏移距加大,则会使入射波和反射波角度很大,形成宽角反射。宽角反射有他的一系列问题,而且对浅层反射法来说,宽角的入射及反射波路径上穿过地表不均匀的第四系层距离长,波速不均匀干扰很大; d, g~.iS~ 第二个困难,是分辨率不够,环境与工程需要浅层勘查要查找的是较浅、较小的物体,分辨较薄的层,常规地震反射法的频率偏低,例如石油地震可平均40Hz的反射波,浅层地震的反射法可激发、接收达200~250Hz的波,但这还不够高,要分辨1m大小或1m薄的层需要更高的频率; -[vw 8 第三个困难,是浅层勘探往往是工作场地狭小,如隧道地质预报,掌子面仅宽几米到十余米,不能采用较长测线排列,也不能利用常规地震反射法的水平叠加,叠前偏移等处理方法;在房屋集中地区或地形很差的山区,也不能采用直线的排列。 Has}oe[ &+02Sn3A 80年代就有不少同行设想过零震—检距单点连续剖面,但首先遇到在采用单道连续剖面排列时,各测点(道)的激发强度和检波器与地面、岩面的耦合极不一致的困难,各道接收到的同一反射面的反射波振幅相差极大,无法汇成可用的时间剖面。其次是难以突破采集高、宽频带的理论和实现的困难。 ^L.I9a#]
[ <d~b*/ 陆地声纳法的设计和实现是国民经济建设的需要而促成,是直接源于隧道施工时在掌子面上作前方不良地质的预警防灾的预报需要。因为隧道地质预报要在狭小的掌子面上布置测线和排列,要探查溶洞,既要探较厚层的岩层,又要探1~2m宽的断层并定出厚度,还要求更高的频率和分辨率分辨薄层和小的地质体,因此迫切要解决超宽带的激发和接收的问题,以此来满足工程施工中对地质小尺度精细探查的迫切需要和地质体的细观研究。 %JPr 7 } L"vk ^>E6 bxPa|s? 志同道合共创两大技术难题被攻克 ?glx8@ KM)MUPr 80年代中期,钟世航在设法突破隧道施工地质预报技术时,首先要解决的第一个难题是,在采用单点激发-接收的排列方式时,各点的激发能量与检波器耦合不一致,各测点接收到的同一反射面的反射波能量相差很远,各道的时间曲线如何汇成一张时间剖面图;钟世航于1 9 8 9年提出了用各道间振幅归一化的设想,1991年由孙宏志教授在286笔记本计算机上将这被业界视为“划时代的技术创造”实现了。 aC=2v7* 第二个难题是本方法的精髓所在——超宽频带接收的问题。首先要在理论上阐明,尽管探查到几百米远,高频成分被大地吸收更强烈,但高频反射波并没有全部被吸收掉,只要在检波器和仪器方面下工夫,是能够把他们捕捉得到的。 tk-)N+M. 1 9 8 9年设计时突破了第一个难点后,于1 9 8 9年3季度,1990年4季度,两次分别由铁道科学研究院的评审通过。1991年陆地声纳法的研究列为1991~1995年铁道部重点研究项目“隧道开挖工作面前方不良地质预报”的子课题,并作为1992~1995年国家自然科学基金项目“陆地声纳的方法理论和实际应用的研究”(No.49274215)。 IAkQR0fcN
1991年开始研制接收仪器、检波器,制定现场采集方案,编制采集和数据处理软件,同时在理论和现场试验中证明了在做200m以内深度或超前距离的浅层勘探时,高频的反射波是存在的这个质疑点之后,研制了特殊的检波器和接收仪器,突破了第二个难点。 GQ?FUFuIoW 0TV16-- Ff>X='{ 初喜,陆地声纳取得“第一次”成功 y|BHSc3 NG3:= 1991年5月进行第一次现场试验:在北京西单闹市区的路口马路边人行道上、10点~14点车流密度大的时间,探查正在开挖施工的地铁西单车站,并获得了成功,方法基本实现、成型。 d~_5Jx 作为部科研项目的第一次现场工作,1991年10月进行了侯月铁路的云台山隧道1#截煤点的预报。 QqF*SaO> 云台山隧道穿过煤系地层,附近的煤矿在这个煤系地层中遇到高含量的瓦斯。为保证施工安全,需要预报隧道遇到煤层的位置(截煤点),之后在合适的距离外钻孔抽排瓦斯。陆地声纳在隧道底铺碎石的路面上布置了纵向剖面向下探查,并与掌子面上作前方探查相结合,探查了在掌子面60m外的截煤点的里程并作了预报。钻孔钻探及隧道开挖结果证实预报的里程与实际截煤点里程仅差1m左右。取得了第一次预报的成功。 <(TAA15Xol 在云台山隧道作第一次地质预报后,为取得更多资料并对预报结果更有把握。作者立即带队伍到太原附近的古交矿务局西曲矿的矿井中寻找已知条件作试测。对断层和陷落柱的实测,得到了已知条件下的实例数据,得对方法本身更深的了解和经验积累,对云台山隧道截煤点的预报结果更有信心。特别是对已知陷落柱的实测(陷落柱是煤层底板下方有岩溶发育,形成降落漏斗状,使上方的岩体坍陷,在陷落柱中充填的破碎岩块,泥水等),由于陷落柱充填的多是碎块,对宽频带的弹性波的反射和散射规律与岩体破碎带很相似,这就给了我们在探查预报断层影响破碎带和剪切破碎带及其它碎碎岩体方面提供了有益的已知条件。 .<%q9Jy# Ep;?%o ,G 7hx^U90K “关门”断层预报,中国物探史上一段“羞羞的往事” &S |