[转载]27年历程回顾，带你全面认识“陆地声纳法 [复制链接]

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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2015-07-08

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：
（1）铁建设【2008】105号《铁路隧道超前地质预报技术指南》；
（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》；
（3）交通运输部JTG/T F60-2009《公路隧道施工技术细则》。

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。

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。
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。
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。

救危解难，浅层勘探陷入困境

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。

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；
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；
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。

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。

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。

志同道合共创两大技术难题被攻克

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。
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。
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）。
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。

初喜，陆地声纳取得“第一次”成功

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。
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。
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。
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。

“关门”断层预报，中国物探史上一段“羞羞的往事”

在1992年6～7月间，课题组全部6个课题，5种方法，十多个单位，近50人的队伍云集云台山隧道，作“关门”断层的预报。
依据一年多的研究与包括煤矿矿井等多个工程的实践经验，“陆地声纳法”先作了预报，其中包括60m内未见主干断层，60m内有3条小断层，并定出了其大致出现里程。但其它几个小项目在作出预报之后，即离开了现场。他们的预报开挖发现发生了错误。陆地声纳组则坚持留在了工地，并作了第3次探查，预报了主干断层的位置、产状，开挖结果证实第1次预报的3条小断层实际是1条断层，2条大节理，位置与预报相差仅1m，这些地段开挖时隧道拱部坍方，设计方变更了围岩分类并加强了支护。破碎带出现的里程也与预报一致。主干断层出露里程与预报差1～2m之间，宽度为2m，比预报的宽4m要窄。
由于大多数课题撤离了现场，施工单位极为不满，有关领导表示，科研允许失误，预报错了也不是严重问题。但预报后撤离而不去观察实际情况，预报对了也无法总结提高，错了也无法总结经验并作出改进和再作一次探查预报，这不是严肃的态度。于是宣布：除陆地声纳组外其它子课题一律不欢迎再进工地。这确实是一个教训。
由于这个事件，整个课题几乎被撤销，只是由于陆地声纳预报的基本正确，陆地声纳组在现场坚持到底，后来才改变撤销课题的意见，课题继续进行。
此后，钟世航团队又在开滦矿务局的马家沟矿和荆各庄矿和淮北矿务局的朔里矿、海孜矿，多次进行试验研究，开展了物理模拟试验和数值模拟试验。并进行了地面勘察方面的应用或试验。

千锤百炼，实战出真知！

1994年在南昆铁路的铝厂隧道、羊寨隧道、干桥隧道，配合施工作地质预报，主要目标是断层，岩溶的探查预报。由于预报正确，及时指导了施工，加上铁道部第一设计院用地震反射负速度波法（隧道VSP）在米花岑隧道、康华隧道的工作，被授予南昆铁路一等奖。
1995年5月，作为隧道地质预报的课题之一“高频反射法（陆地声纳）在隧道掌子面前方不良地质预报”通过了铁道科学研究院组织的成果鉴定，1995年底作为铁道部“隧道施工工作面前方不良地质预报”总课题的一部分，通过部级鉴定。
1995～2000年，陆地声纳法作为当时最长的铁路隧道（长18km并行的两条隧道）秦岑隧道的攻关课题的重要方法，投入“从II线（平行导坑）探I线（TBM全断面掘进的正洞）中断层等不良地质”的科研工作，并取得了成功。
从1994年以来，作为生产工作陆地声纳法投入了多个隧道地质预报工作。与此同时，陆地声纳法在地面上作浅层地质勘查的岩溶探查、工程质量检测等方面也作了大量工作，使他的优点在更广的范围内得以发挥。
2000年之后，陆地声纳的发展基本上通过第一发明人钟世航第二发明人孙宏志、第三发明人王荣等艰苦奋斗、自力更生，以个人力量和资金投入系统的研发。在长期努力中得到社会许多单位和个人的支持与协助，并通过承接生产任务的有利条件进行各种试验、实践和提高，并下力量突破一些关键性的技术，如波速测量、反射面偏移等，取得长足的进展。
2001年起下力量在浅层高分辨率勘查中给予发展。
2002年首先在广州白云新国际机场进行探查溶洞的试验，安排了11个钻孔的验证。
2002年在陆地声纳原理基础上发明了新型的水声勘探仪，2002年在长江武汉阳逻段、2003年在（南通）苏通大桥做了实测，同年申报了发明专利，2004年11月17日授权（专利号：ZL021208131，发明专利证书号108017）。
2004年在舟山海岛上用陆地声纳作跨海大桥桥址勘查，这是继1999年在贵州册亨石油勘探区作较长陆地声纳法剖面探查浅层地层结构和波速，为石油地震静校正提供参数之后的又一次工作量较大的山地探查工作；
2006年～2008年在四川锦屏二级电站隧道作侧壁和隧道底下小溶洞探查；
2006年在沪蓉西高速公路十里排路段探查浅层溶洞；
2009年承接了济南泉区地铁前期地质探查，探查是在交通繁忙的闹市区进行的，测线长度超过25km。
2010年承接了广州花都广深高速公路扩建工程试验区查找单个溶洞、溶蚀断裂和基岩面溶槽的物探工作，以陆地声纳法为主，微分电测深和孔间电阻率成像和充电法测地下水流向等方法配合，打了19个钻孔验证。
2011年、2012年又承接了广西岑溪—水高速公路岭脚隧道突水涌泥原因地质探查和湖北鄂州地面下陷区岩溶探查等任务。
与此同时，在推广用陆地声纳法作隧道施工地质预报的工作中，又做了大量的工作。先后在宜-万铁路、沪蓉西高速公路、莱芜高速公路、云南富广及广砚高速公路等的隧道中作地质预报，特别是2006～2009年围绕北京的京平高速公路大岭后隧道、京包高速公路德胜口隧道、北京六环线卧龙岗隧道等的100余次施工地质预报实践作为重点，由发明人带领技术队伍并亲自操作各个工序环节中实际工作，进一步研究和深化有关技术，使陆地声纳法又上了一个台阶；2006年和2008年解决了实测各层波速的理论和技术。
这几项工作的成功及技术的进展，反映陆地声纳法在浅层高分辨勘查中已成熟。

拨云见日，“神器”有大成！

在2006年由山东大学岩土中心组织申请的国家自然科学基金重点项目“高压大流量岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报和治理”（50539080）、2007年国家863项目重大交通基础设施核心技术“隧道施工期大涌水等地质灾害超前实时预报系统与装备”（49274215）的支持下，也在隧道施工地质预报方面得到进一步的发展。
此方法的数据处理软件，从1991年的1.0版本不断发展，推出了2.0、3.0、3.2版本，2002年由以前采用dos系统改为windows系统，推出了4.0版本，5.0、5.2版本，2005年推出了6.0版本，2006年推出7.0版本。目前随着方法技术的发展和工作的需要还在不断地升级提高。
数据采集的第一代机由铁道部科学研究院与中国矿业大学北京研究生部联合，1991年初研制成功型号为FY—20的浅层地震仪，1991年5月通过了煤炭地质总局鉴定并由北京计算机五厂生产售出。2000年底，由发明人出资以全新的仪器构想研制了第2代陆地声纳仪样机。2001年初研制了第3代陆地声纳仪LDS-1（16位）并定型，2003年初研制了第3代陆地声纳仪LDS-1A（16位）并定型。
2007年发展为新研制的LDS-3（3代B型，16位）并定型；LDS-1于2005年开始推广，进入市场。2009年研制成功第4代陆地声纳仪LDS-4（18位）。
方法不断改进、发展，作者对此方法的认识、掌握上也不断提高。在综合物探方法方面，物探与地质结合等方面是也取得了大进展。

敢为人先胆，科技报国心！

作为一种新的物探方法，需要经过20年左右的发展，经过大量工程和多个推广单位的实践应用，不断积累经验，不断改进发展才能成熟起来，也需要有国家建设和生产安全、预警报警、防灾减灾等方面的需求为动力。长期以来陆地声纳法的发展得到了与其学科相关的几个学会的高度关心和支持，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鉴定，鉴定认为：陆地声纳法的技术属于国内外首创，它在隧道施工中探查断层破碎带、溶洞等方面以及在城市地面浅层勘查方面达到国际领先水平，有很好的推广价值和广阔的应用前景。

2012年《陆地声纳法》专著出版，全书包括绪论、理论、仪器设备、软件、现场数据采集、数据处理和资料解释、工程应用等七个章节，对此方法作了一个较全面的介绍。作者希望能使更多的物探或地质工作者掌握和应用陆地声纳法，使浅层物探和隧道地质预报多一个好武器，为我国国民经济服务，为工程物探和地震勘探技术的发展贡献一份力量。