專利名稱：一種基于鉆孔與地面相結(jié)合的地震波空間探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地鐵工程的地質(zhì)勘察方法，特別是一種基于原有鉆孔同時(shí)在孔中和地面接收地震波的空間探測方法。
背景技術(shù)：
地鐵勘察手段包括地質(zhì)調(diào)查、鉆探、物探、原位測試、室內(nèi)試驗(yàn)和水文地質(zhì)試驗(yàn)等。限于當(dāng)前勘察技術(shù)水平及成本，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)地層各類物性的精細(xì)描述。如地質(zhì)調(diào)查會(huì)面臨管線資料不足，地下廢棄管線及防空洞等構(gòu)筑物難以查清等問題；鉆探在地鐵勘察中一般間距為50m網(wǎng)度極疏，僅能揭示某點(diǎn)的地質(zhì)情況，其間距能否滿足土層連續(xù)性要求還有待論證；室內(nèi)試驗(yàn)則有試樣數(shù)量的限制、土層擾動(dòng)、土樣保存及運(yùn)輸?shù)入y題。地震CT是工程物探的一種新的勘探方法，也稱地震波層析成像方法，地震CT是用地震波射線穿透地質(zhì)體，通過對(duì)地震波走時(shí)和波動(dòng)能量變化的觀測，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理·反演，重現(xiàn)地質(zhì)體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像。地震波CT儀器通常都是由地震儀主機(jī)、檢波器串、震源以及觸發(fā)器組成，其中前三者是地震波CT儀器的主要部分，觸發(fā)器的功能是在震源發(fā)射的瞬間，給主機(jī)提供一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，主機(jī)開始采集數(shù)據(jù)，也就是銜接地震儀主機(jī)和震源的裝置。地震波CT適用于巖土體地震波速度成像，可進(jìn)行巖體質(zhì)量分級(jí)，圈定構(gòu)造破碎帶，裂隙密集帶，喀斯特等波速異常體，壩基開挖質(zhì)量檢測及固結(jié)灌漿效果檢測等。目前地震CT技術(shù)多采用跨孔法或單孔法，跨孔法即利用相鄰兩個(gè)鉆孔，從一個(gè)孔激振發(fā)射，另一個(gè)孔接收，探測其縱、橫波在巖體中傳播速度的方法；單孔法是在一個(gè)鉆孔孔口附近地表施加水平?jīng)_擊力，在孔內(nèi)放置檢波器也就是常用的地表激發(fā)孔中接收法。震源采用放炮、錘擊和電火花等方式，地鐵勘察領(lǐng)域地震CT法的應(yīng)用較少，跨度及深度有限，檢波器的排布及接收方式單一，無法滿足復(fù)雜地形的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于鉆孔與地面相結(jié)合的地震波空間探測方法，解決現(xiàn)有的地震CT技術(shù)的中跨孔法或單孔法的檢波器排布和接收方式單一的技術(shù)問題，無法滿足復(fù)雜地形的探測需要，地層劃分不夠精確的技術(shù)問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種基于鉆孔與地面相結(jié)合的地震波空間探測方法，
步驟一、根據(jù)待測現(xiàn)場地形條件及周邊環(huán)境，設(shè)置震源的激發(fā)方式和檢波器排布方
式；
步驟二、利用勘察鉆形成探測孔，探測孔內(nèi)安裝護(hù)壁管；
步驟三、地表面與探測孔中同時(shí)布設(shè)檢波器串，所述檢波器串為多個(gè)檢波器連接形成，地表面布設(shè)的地面檢波器串為單向檢波器串，探測孔中布設(shè)的檢波器串為三分量檢波器串，檢波器串均與位于地面的數(shù)據(jù)采集儀連接，數(shù)據(jù)采集儀與計(jì)算機(jī)連接；
步驟四、根據(jù)地質(zhì)情況選擇數(shù)據(jù)采集儀的探測參數(shù)，激發(fā)震源，地震波通過不良地質(zhì)體從震源傳播至地表面和探測孔，數(shù)據(jù)采集儀同時(shí)接收到探測孔和地表面的地震波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和成像；
步驟五、根據(jù)計(jì)算機(jī)得到的地震波CT圖像的成像結(jié)果與各類典型地層的地震波CT圖像比對(duì)后進(jìn)行地質(zhì)情況的判譯。所述步驟一中，震源的激發(fā)方式可為電火花震源發(fā)生器激發(fā)或錘子人工激發(fā)。所述步驟二中，探測孔的直徑大于等于90mm，護(hù)壁管的外徑為90mm，內(nèi)徑為80mm。所述電火花震源發(fā)生器設(shè)置在震源激發(fā)處地表面，激發(fā)處鉆孔，電火花震源發(fā)生器通過電纜連接電火花探頭，將電火花探頭伸入孔內(nèi)，孔內(nèi)注水。所述步驟三中，地面檢波器串是由若干的縱向檢波器串接而成，每個(gè)縱向檢波器串的航空插頭均連至信號(hào)電纜上組成單向檢波器串。
所述步驟三中，三分量檢波器串是由若干單個(gè)三分量檢波器串接而成，所述三分量檢波器包括三個(gè)縱向檢波器，縱向檢波器兩兩互相垂直且使用導(dǎo)線連接至航空插頭，注蠟固定于PVC管內(nèi)側(cè)中部，PVC管上下兩端蓋有管帽，PVC管外側(cè)中部與上下兩端部之間通過螺絲固定滑輪，滑輪與護(hù)壁管內(nèi)壁緊貼，上下兩半部分的螺絲上都分別固定鋼絲繩，上半部分鋼絲繩的另一端還穿有萬向鉤，相鄰的三分量檢波器通過萬向鉤和鋼絲繩串接成為一體，所述航空插頭固定于Pvc管端的管帽表面，每個(gè)航空插頭均連至信號(hào)電纜上組成三分量檢波器串。所述縱向檢波器的頻率均為100Hz。所述步驟三中，數(shù)據(jù)采集儀為MHHC數(shù)據(jù)采集儀。所述pvc管的外徑為50mm。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下特點(diǎn)和有益效果
本發(fā)明在孔內(nèi)和地面同時(shí)布設(shè)檢波器串，克服了現(xiàn)有的地震CT技術(shù)的中跨孔法或單孔法的檢波器排布和接收方式單一的技術(shù)問題，通過不同的算法研究，對(duì)檢波器串進(jìn)行排布，可實(shí)現(xiàn)任意角度與位置下觀測復(fù)雜地形的需要，能適應(yīng)較復(fù)雜的地形勘察。本發(fā)明可將地震波的反射法與透射法相結(jié)合，能獲得詳細(xì)的地層聲學(xué)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)地層更加精細(xì)的劃分。本發(fā)明充分有效的利用原有鉆孔，實(shí)現(xiàn)鉆孔利用的最大化，利用電火花震源孔中激振或者人工錘擊產(chǎn)生地震波，同時(shí)通過外觸發(fā)的方式同步到數(shù)據(jù)采集儀，通過地面檢波器串以及孔中三分量檢波器串接收直達(dá)波或者反射波，并記錄到數(shù)據(jù)采集儀上，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)各類地層信息的采集與判譯，對(duì)鉆孔間地層分層情況作出詳細(xì)的描述，為地鐵施工提供足夠的地層信息與地質(zhì)資料。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于地鐵工程的地質(zhì)勘察探測。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。圖I是本發(fā)明實(shí)施例一的原理圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例二的原理圖。圖3是實(shí)施例一中單個(gè)三分量檢波器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是實(shí)施例一中護(hù)壁管的剖面結(jié)構(gòu)示意。
附圖標(biāo)記1 一電火花震源發(fā)生器、2 —電纜、3 —地面檢波器串、4 一數(shù)據(jù)采集儀、5 —電火花探頭、6 —不良地質(zhì)體、7 —三分量檢波器串、8 —地層界面、9 一護(hù)壁管、10 —直達(dá)波、11 一反射波、12 —入射波、13 —錘子、14 一航空插頭、15 —鋼絲繩、16 —螺絲、17 —滑輪、18 —傳感器、19 - PVC管、20 —管帽、21 —鋁套、22 —萬向鉤、23 —導(dǎo)槽、24 —填土、25 一探測孔、26 —地表面、27 —信號(hào)電纜。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一參見圖I所示，一種基于鉆孔與地面相結(jié)合的地震波空間探測方法，步驟如下
步驟一、根據(jù)待測現(xiàn)場地形條件及周邊環(huán)境，設(shè)置震源的激發(fā)方式為電火花震源發(fā)生器I激發(fā)，并設(shè)計(jì)檢波器的排布方式。步驟二、利用勘察鉆形成探測孔25，探測孔25內(nèi)安裝護(hù)壁管9，探測孔25的直徑可為90mm，護(hù)壁管9的外徑為90mm，內(nèi)徑為80mm ;電火花震源發(fā)生器I設(shè)置在震源激發(fā)處地表面，激發(fā)處鉆孔，電火花震源發(fā)生器I通過電纜2連接電火花探頭5，將電火花探頭5伸·入孔內(nèi)，孔內(nèi)注水。步驟三、地表面26與探測孔25中同時(shí)布設(shè)檢波器串，所述檢波器串為多個(gè)檢波器連接形成，地表面26布設(shè)的地面檢波器串3為單向檢波器串，探測孔25中布設(shè)的檢波器串為三分量檢波器串7，檢波器串均與位于地面的數(shù)據(jù)采集儀4連接，所述數(shù)據(jù)采集儀4可為MHHC多通道高精度高速同步信號(hào)采集器數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀4與計(jì)算機(jī)連接。步驟四、根據(jù)地質(zhì)情況選擇數(shù)據(jù)采集儀4的合理的探測參數(shù)，例如采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)等，激發(fā)震源，地震波通過不良地質(zhì)體6從震源傳播至地表面26和探測孔25，數(shù)據(jù)采集儀4同時(shí)接收到探測孔和地表面的地震波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，計(jì)算機(jī)同步收到地震波的走時(shí)資料，并對(duì)這些聲學(xué)參數(shù)及波形變化做分析研究，利用地震波CT技術(shù)可得地震波CT圖像。步驟五、根據(jù)計(jì)算機(jī)得到的地震波CT圖像的成像結(jié)果與各類典型地層的地震波CT圖像比對(duì)后進(jìn)行地質(zhì)情況的判譯，可得到待測區(qū)域的地層信息情況。圖像判譯進(jìn)行前，通過大量的室內(nèi)、室外試驗(yàn)，通過歸納分析，得到各類典型地層的地震波CT圖像，據(jù)此作為地層判譯與劃分的依據(jù)。圖像判譯即以地震波CT圖像為背景，結(jié)合鉆孔資料，物探資料，分析比較各種地層的典型圖譜，從而做出定性、定量的解釋，并繪制地層信息圖。參見圖1-2所示，本實(shí)施例中的地面檢波器串3由若干縱向檢波器串接而成，縱向檢波器串的航空插頭均連至信號(hào)電纜27上組成單向檢波器串，每個(gè)縱向檢波器內(nèi)包括一個(gè)傳感器18。參見圖3所示，本實(shí)施例中的三分量檢波器串7是由若干單個(gè)三分量檢波器串接而成，所述三分量檢波器包括三個(gè)頻率為IOOHz的縱向檢波器，其中三分量檢波器使用的縱向檢波器即與地面檢波器串3中縱向檢波器內(nèi)相同的傳感器18，傳感器18兩兩互相垂直且使用導(dǎo)線連接至航空插頭14，注蠟固定于pvc管19內(nèi)側(cè)中部，pvc管上下兩端蓋有管帽20，pvc管19外側(cè)中部與上下兩端部之間通過螺絲16固定有滑輪17，上半部對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)滑輪，下半部分對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)滑輪，兩部分滑輪垂直設(shè)置?；?7與護(hù)壁管9內(nèi)壁緊貼，上下兩半部分的螺絲16上都分別固定鋼絲繩15，上半部分的鋼絲繩15的另一端還穿有萬向鉤22，相鄰的三分量檢波器通過萬向鉤22和鋼絲繩15串接成為一體，鋼絲繩15的兩端彎曲可使用鋁套21緊固出掛圈進(jìn)行元件之間的連接。所述航空插頭14固定于pvc管端的管帽表面，每個(gè)航空插頭14均連至信號(hào)電纜27上組成三分量檢波器串7。參見圖3-4所示，本實(shí)施例中pvc管19外側(cè)中部和端部之間設(shè)置四個(gè)滑輪17，上半部對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)，下半部分對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)，護(hù)壁管9內(nèi)側(cè)設(shè)置與滑輪17相應(yīng)的導(dǎo)槽23，護(hù)壁管9外側(cè)為填土 24。其中本發(fā)明使用的電火花震源發(fā)生器一般可為HX - DHH 一 03J型，傳感器18的頻率為100Hz，航空插頭14可選IP68的四芯航空插頭，螺絲16的直徑可為4mm，鋼絲繩15可選用直徑為5mm長度為600m的鋼絲繩,pvc管19的外徑可為50mm,管帽的直徑20與pvc管徑相匹配，信號(hào)電纜27為68芯信號(hào)電纜。不同的地層往往存在明顯的波速差異及波形變化，聲波透射法是利用聲波的透射原理對(duì)地下介質(zhì)狀況進(jìn)行檢測，地震波反射法是利用地震波反射回波方法測量的原理。鉆 孔與地面相結(jié)合的地震波空間探測方法將反射法與透射法相結(jié)合，能獲得詳細(xì)的地層聲學(xué)參數(shù)，通過分析與重建這些攜帶地層內(nèi)部信息的波動(dòng)信息，利用計(jì)算機(jī)圖像重建技術(shù)繪制地層物性的空間分布圖像，可實(shí)現(xiàn)對(duì)地層更加精細(xì)的劃分。參見圖I所示，地下分三層有兩個(gè)地層界面8，激發(fā)電火花震源發(fā)生器I后，地震波從電火花探頭5發(fā)出，地震波分為直達(dá)波10和非直達(dá)波，直達(dá)波在圖中使用實(shí)線表示，非直達(dá)波即圖I中的入射波12使用點(diǎn)劃線表示，入射波12反射至地層界面8上后成為反射波11，反射波使用虛線表示。直達(dá)波10和反射波11的信號(hào)被地表面與探測孔中同時(shí)布設(shè)檢波器串接收，檢波器串連接的數(shù)據(jù)采集儀4將參數(shù)數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和成像。實(shí)施例二參見圖2所示，與實(shí)施例一不同的地方在于，步驟一中設(shè)置震源的激發(fā)方式為使用錘子13進(jìn)行人工激發(fā)。地震波CT圖像的數(shù)據(jù)處理的一般過程如下
(1)各通道數(shù)據(jù)檢查檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)問題則需要重新觀測；
(2)初至拾取導(dǎo)入位置參數(shù)表(位置參數(shù)表根據(jù)接收點(diǎn)與跑點(diǎn)的相對(duì)位置制定)，拾取各個(gè)通道的初至?xí)r間，并做數(shù)據(jù)處理；
(3)射線平均波速計(jì)算初步計(jì)算各射線平均波速，發(fā)現(xiàn)平均波速偏離正常范圍，分析偏尚的原因；
(4)正演模擬按照鉆孔情況和射線平均波速建立初始模型，并進(jìn)行射線路徑和理論旅行時(shí)；
(5)反演計(jì)算與成像建立旅行時(shí)方程，反演求解并進(jìn)行疊加計(jì)算，根據(jù)反演得到的波速模型進(jìn)行波速的二維/三維的數(shù)值分布，得到工程地質(zhì)剖面 (6)圖像判譯以地震波CT圖像為背景，結(jié)合鉆孔資料，物探資料，分析比較各種地層的典型圖譜，從而做出定性、定量的解釋，并繪制地層信息圖。數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)還有對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)靜校正、球面擴(kuò)散、能量均衡、頻譜分析、帶通濾波、波形平滑、波場分離、繞射疊加、深度偏移等處理功能。
權(quán)利要求
1.一種基于鉆孔與地面相結(jié)合的地震波空間探測方法，其特征在于步驟如下 步驟一、根據(jù)待測現(xiàn)場地形條件及周邊環(huán)境，設(shè)置震源的激發(fā)方式和檢波器排布方式； 步驟二、利用勘察鉆形成探測孔(25)，探測孔(25)內(nèi)安裝護(hù)壁管(9)； 步驟三、地表面(26 )與探測孔(25 )中同時(shí)布設(shè)檢波器串，所述檢波器串為多個(gè)檢波器連接形成，地表面(26)布設(shè)的地面檢波器串(3)為單向檢波器串，探測孔(25)中布設(shè)的檢波器串為三分量檢波器串(7)，檢波器串均與位于地面的數(shù)據(jù)采集儀(4)連接，數(shù)據(jù)采集儀(4)與計(jì)算機(jī)連接； 步驟四、根據(jù)地質(zhì)情況選擇數(shù)據(jù)采集儀(4)的探測參數(shù)，激發(fā)震源，地震波通過不良地質(zhì)體(6 )從震源傳播至地表面(26 )和探測孔(25 )，數(shù)據(jù)采集儀(4 )同時(shí)接收到探測孔和地表面的地震波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和成像； 步驟五、根據(jù)計(jì)算機(jī)得到的地震波CT圖像的成像結(jié)果與各類典型地層的地震波CT圖像比對(duì)后進(jìn)行地質(zhì)情況的判譯。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于鉆孔與地面相結(jié)合的地震波空間探測方法，其特征在于所述步驟一中，震源的激發(fā)方式為電火花震源發(fā)生器(I)激發(fā)或錘子(13)人工激發(fā)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于鉆孔與地面相結(jié)合的地震波空間探測方法，其特征在于所述步驟二中，探測孔(25)的直徑大于等于90mm，護(hù)壁管(9)的外徑為90mm，內(nèi)徑為80mmo
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于鉆孔與地面相結(jié)合的地震波空間探測方法，其特征在于所述電火花震源發(fā)生器(I)設(shè)置在震源激發(fā)處地表面，激發(fā)處鉆孔，電火花震源發(fā)生器(I)通過電纜(2)連接電火花探頭(5)，將電火花探頭(5)伸入孔內(nèi)，孔內(nèi)注水。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于鉆孔與地面相結(jié)合的地震波空間探測方法，其特征在于所述步驟三中，地面檢波器串(3)是由若干縱向檢波器串接而成，每個(gè)縱向檢波器串的航空插頭均連至信號(hào)電纜(27)上組成單向檢波器串。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于鉆孔與地面相結(jié)合的地震波空間探測方法，其特征在于所述步驟三中，三分量檢波器串(7)是由若干單個(gè)三分量檢波器串接而成，所述三分量檢波器包括三個(gè)縱向檢波器，縱向檢波器兩兩互相垂直且使用導(dǎo)線連接至航空插頭(14),注臘固定于pvc管(19)內(nèi)側(cè)中部,pvc管上下兩端蓋有管帽(20), pvc管(19)外側(cè)中部與上下兩端部之間通過螺絲(16)固定有滑輪(17)，滑輪(17)與護(hù)壁管(9)內(nèi)壁緊貼，上下兩半部分的螺絲(16)上都分別固定鋼絲繩(15)，上半部分鋼絲繩(15)的另一端還穿有萬向鉤(22)，相鄰的三分量檢波器通過萬向鉤(22)和鋼絲繩(15)串接成為一體，所述航空插頭(14)固定于pvc管端的管帽表面，每個(gè)航空插頭(14)均連至信號(hào)電纜(27)上組成三分量檢波器串(7)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的一種基于鉆孔與地面相結(jié)合的地震波空間探測方法，其特征在于所述縱向檢波器的頻率均為100Hz。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于鉆孔與地面相結(jié)合的地震波空間探測方法，其特征在于所述步驟三中，數(shù)據(jù)采集儀(4)為MHHC數(shù)據(jù)采集儀。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于鉆孔與地面相結(jié)合的地震波空間探測方法，其特征在于所述pvc管(19)的外徑為50mm。
全文摘要
一種基于鉆孔與地面相結(jié)合的地震波空間探測方法，步驟如下首先根據(jù)待測現(xiàn)場地形條件及周邊環(huán)境，設(shè)置震源的激發(fā)方式和檢波器排布方式；其次利用勘察鉆形成探測孔，探測孔內(nèi)安裝護(hù)壁管；然后地表面與探測孔中同時(shí)布設(shè)檢波器串，地表面布設(shè)單向檢波器串，探測孔布設(shè)三分量檢波器串，檢波器串均與位于地面的數(shù)據(jù)采集儀連接，數(shù)據(jù)采集儀與計(jì)算機(jī)連接；根據(jù)地質(zhì)情況選擇合理的探測參數(shù)，激發(fā)震源，地震波通過地層從震源傳播至地表面和探測孔，數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和成像。本發(fā)明解決現(xiàn)有的地震CT技術(shù)應(yīng)用的跨度及深度有限，檢波器的排布及接收方式單一，無法滿足復(fù)雜地形的探測需要的缺陷。
文檔編號(hào)G01V1/00GK102879805SQ201210409578
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月24日
發(fā)明者葉英, 侯偉清, 張鵬 申請(qǐng)人:北京市市政工程研究院