专利名称：一种基于钻孔与地面相结合的地震波空间探测方法
技术领域：
本发明涉及一种地铁工程的地质勘察方法，特别是一种基于原有钻孔同时在孔中和地面接收地震波的空间探测方法。
背景技术：
地铁勘察手段包括地质调查、钻探、物探、原位测试、室内试验和水文地质试验等。限于当前勘察技术水平及成本，无法实现对地层各类物性的精细描述。如地质调查会面临管线资料不足，地下废弃管线及防空洞等构筑物难以查清等问题；钻探在地铁勘察中一般间距为50m网度极疏，仅能揭示某点的地质情况，其间距能否满足土层连续性要求还有待论证；室内试验则有试样数量的限制、土层扰动、土样保存及运输等难题。地震CT是工程物探的一种新的勘探方法，也称地震波层析成像方法，地震CT是用地震波射线穿透地质体，通过对地震波走时和波动能量变化的观测，经过计算机处理·反演，重现地质体内部的结构图像。地震波CT仪器通常都是由地震仪主机、检波器串、震源以及触发器组成，其中前三者是地震波CT仪器的主要部分，触发器的功能是在震源发射的瞬间，给主机提供一个触发信号，主机开始采集数据，也就是衔接地震仪主机和震源的装置。地震波CT适用于岩土体地震波速度成像，可进行岩体质量分级，圈定构造破碎带，裂隙密集带，喀斯特等波速异常体，坝基开挖质量检测及固结灌浆效果检测等。目前地震CT技术多采用跨孔法或单孔法，跨孔法即利用相邻两个钻孔，从一个孔激振发射，另一个孔接收，探测其纵、横波在岩体中传播速度的方法；单孔法是在一个钻孔孔口附近地表施加水平冲击力，在孔内放置检波器也就是常用的地表激发孔中接收法。震源采用放炮、锤击和电火花等方式，地铁勘察领域地震CT法的应用较少，跨度及深度有限，检波器的排布及接收方式单一，无法满足复杂地形的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于钻孔与地面相结合的地震波空间探测方法，解决现有的地震CT技术的中跨孔法或单孔法的检波器排布和接收方式单一的技术问题，无法满足复杂地形的探测需要，地层划分不够精确的技术问题。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案
一种基于钻孔与地面相结合的地震波空间探测方法，
步骤一、根据待测现场地形条件及周边环境，设置震源的激发方式和检波器排布方
式；
步骤二、利用勘察钻形成探测孔，探测孔内安装护壁管；
步骤三、地表面与探测孔中同时布设检波器串，所述检波器串为多个检波器连接形成，地表面布设的地面检波器串为单向检波器串，探测孔中布设的检波器串为三分量检波器串，检波器串均与位于地面的数据采集仪连接，数据采集仪与计算机连接；
步骤四、根据地质情况选择数据采集仪的探测参数，激发震源，地震波通过不良地质体从震源传播至地表面和探测孔，数据采集仪同时接收到探测孔和地表面的地震波信号进行数据采集，通过计算机进行数据处理和成像；
步骤五、根据计算机得到的地震波CT图像的成像结果与各类典型地层的地震波CT图像比对后进行地质情况的判译。所述步骤一中，震源的激发方式可为电火花震源发生器激发或锤子人工激发。所述步骤二中，探测孔的直径大于等于90mm，护壁管的外径为90mm，内径为80mm。所述电火花震源发生器设置在震源激发处地表面，激发处钻孔，电火花震源发生器通过电缆连接电火花探头，将电火花探头伸入孔内，孔内注水。所述步骤三中，地面检波器串是由若干的纵向检波器串接而成，每个纵向检波器串的航空插头均连至信号电缆上组成单向检波器串。
所述步骤三中，三分量检波器串是由若干单个三分量检波器串接而成，所述三分量检波器包括三个纵向检波器，纵向检波器两两互相垂直且使用导线连接至航空插头，注蜡固定于PVC管内侧中部，PVC管上下两端盖有管帽，PVC管外侧中部与上下两端部之间通过螺丝固定滑轮，滑轮与护壁管内壁紧贴，上下两半部分的螺丝上都分别固定钢丝绳，上半部分钢丝绳的另一端还穿有万向钩，相邻的三分量检波器通过万向钩和钢丝绳串接成为一体，所述航空插头固定于Pvc管端的管帽表面，每个航空插头均连至信号电缆上组成三分量检波器串。所述纵向检波器的频率均为100Hz。所述步骤三中，数据采集仪为MHHC数据采集仪。所述pvc管的外径为50mm。与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果
本发明在孔内和地面同时布设检波器串，克服了现有的地震CT技术的中跨孔法或单孔法的检波器排布和接收方式单一的技术问题，通过不同的算法研究，对检波器串进行排布，可实现任意角度与位置下观测复杂地形的需要，能适应较复杂的地形勘察。本发明可将地震波的反射法与透射法相结合，能获得详细的地层声学参数，可实现对地层更加精细的划分。本发明充分有效的利用原有钻孔，实现钻孔利用的最大化，利用电火花震源孔中激振或者人工锤击产生地震波，同时通过外触发的方式同步到数据采集仪，通过地面检波器串以及孔中三分量检波器串接收直达波或者反射波，并记录到数据采集仪上，利用计算机技术实现对各类地层信息的采集与判译，对钻孔间地层分层情况作出详细的描述，为地铁施工提供足够的地层信息与地质资料。本发明可广泛应用于地铁工程的地质勘察探测。
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。图I是本发明实施例一的原理图。图2是本发明实施例二的原理图。图3是实施例一中单个三分量检波器的剖面结构示意图。图4是实施例一中护壁管的剖面结构示意。
附图标记1 一电火花震源发生器、2 —电缆、3 —地面检波器串、4 一数据采集仪、5 —电火花探头、6 —不良地质体、7 —三分量检波器串、8 —地层界面、9 一护壁管、10 —直达波、11 一反射波、12 —入射波、13 —锤子、14 一航空插头、15 —钢丝绳、16 —螺丝、17 —滑轮、18 —传感器、19 - PVC管、20 —管帽、21 —铝套、22 —万向钩、23 —导槽、24 —填土、25 一探测孔、26 —地表面、27 —信号电缆。
具体实施例方式实施例一参见图I所示，一种基于钻孔与地面相结合的地震波空间探测方法，步骤如下
步骤一、根据待测现场地形条件及周边环境，设置震源的激发方式为电火花震源发生器I激发，并设计检波器的排布方式。步骤二、利用勘察钻形成探测孔25，探测孔25内安装护壁管9，探测孔25的直径可为90mm，护壁管9的外径为90mm，内径为80mm ;电火花震源发生器I设置在震源激发处地表面，激发处钻孔，电火花震源发生器I通过电缆2连接电火花探头5，将电火花探头5伸·入孔内，孔内注水。步骤三、地表面26与探测孔25中同时布设检波器串，所述检波器串为多个检波器连接形成，地表面26布设的地面检波器串3为单向检波器串，探测孔25中布设的检波器串为三分量检波器串7，检波器串均与位于地面的数据采集仪4连接，所述数据采集仪4可为MHHC多通道高精度高速同步信号采集器数据采集仪，数据采集仪4与计算机连接。步骤四、根据地质情况选择数据采集仪4的合理的探测参数，例如采样率、采样点数等，激发震源，地震波通过不良地质体6从震源传播至地表面26和探测孔25，数据采集仪4同时接收到探测孔和地表面的地震波信号进行数据采集，计算机同步收到地震波的走时资料，并对这些声学参数及波形变化做分析研究，利用地震波CT技术可得地震波CT图像。步骤五、根据计算机得到的地震波CT图像的成像结果与各类典型地层的地震波CT图像比对后进行地质情况的判译，可得到待测区域的地层信息情况。图像判译进行前，通过大量的室内、室外试验，通过归纳分析，得到各类典型地层的地震波CT图像，据此作为地层判译与划分的依据。图像判译即以地震波CT图像为背景，结合钻孔资料，物探资料，分析比较各种地层的典型图谱，从而做出定性、定量的解释，并绘制地层信息图。参见图1-2所示，本实施例中的地面检波器串3由若干纵向检波器串接而成，纵向检波器串的航空插头均连至信号电缆27上组成单向检波器串，每个纵向检波器内包括一个传感器18。参见图3所示，本实施例中的三分量检波器串7是由若干单个三分量检波器串接而成，所述三分量检波器包括三个频率为IOOHz的纵向检波器，其中三分量检波器使用的纵向检波器即与地面检波器串3中纵向检波器内相同的传感器18，传感器18两两互相垂直且使用导线连接至航空插头14，注蜡固定于pvc管19内侧中部，pvc管上下两端盖有管帽20，pvc管19外侧中部与上下两端部之间通过螺丝16固定有滑轮17，上半部对称设置两个滑轮，下半部分对称设置两个滑轮，两部分滑轮垂直设置。滑轮17与护壁管9内壁紧贴，上下两半部分的螺丝16上都分别固定钢丝绳15，上半部分的钢丝绳15的另一端还穿有万向钩22，相邻的三分量检波器通过万向钩22和钢丝绳15串接成为一体，钢丝绳15的两端弯曲可使用铝套21紧固出挂圈进行元件之间的连接。所述航空插头14固定于pvc管端的管帽表面，每个航空插头14均连至信号电缆27上组成三分量检波器串7。参见图3-4所示，本实施例中pvc管19外侧中部和端部之间设置四个滑轮17，上半部对称设置两个，下半部分对称设置两个，护壁管9内侧设置与滑轮17相应的导槽23，护壁管9外侧为填土 24。其中本发明使用的电火花震源发生器一般可为HX - DHH 一 03J型，传感器18的频率为100Hz，航空插头14可选IP68的四芯航空插头，螺丝16的直径可为4mm，钢丝绳15可选用直径为5mm长度为600m的钢丝绳,pvc管19的外径可为50mm,管帽的直径20与pvc管径相匹配，信号电缆27为68芯信号电缆。不同的地层往往存在明显的波速差异及波形变化，声波透射法是利用声波的透射原理对地下介质状况进行检测，地震波反射法是利用地震波反射回波方法测量的原理。钻 孔与地面相结合的地震波空间探测方法将反射法与透射法相结合，能获得详细的地层声学参数，通过分析与重建这些携带地层内部信息的波动信息，利用计算机图像重建技术绘制地层物性的空间分布图像，可实现对地层更加精细的划分。参见图I所示，地下分三层有两个地层界面8，激发电火花震源发生器I后，地震波从电火花探头5发出，地震波分为直达波10和非直达波，直达波在图中使用实线表示，非直达波即图I中的入射波12使用点划线表示，入射波12反射至地层界面8上后成为反射波11，反射波使用虚线表示。直达波10和反射波11的信号被地表面与探测孔中同时布设检波器串接收，检波器串连接的数据采集仪4将参数数据传至计算机并进行数据的处理和成像。实施例二参见图2所示，与实施例一不同的地方在于，步骤一中设置震源的激发方式为使用锤子13进行人工激发。地震波CT图像的数据处理的一般过程如下
(1)各通道数据检查检查数据质量，发现问题则需要重新观测；
(2)初至拾取导入位置参数表(位置参数表根据接收点与跑点的相对位置制定)，拾取各个通道的初至时间，并做数据处理；
(3)射线平均波速计算初步计算各射线平均波速，发现平均波速偏离正常范围，分析偏尚的原因；
(4)正演模拟按照钻孔情况和射线平均波速建立初始模型，并进行射线路径和理论旅行时；
(5)反演计算与成像建立旅行时方程，反演求解并进行叠加计算，根据反演得到的波速模型进行波速的二维/三维的数值分布，得到工程地质剖面 (6)图像判译以地震波CT图像为背景，结合钻孔资料，物探资料，分析比较各种地层的典型图谱，从而做出定性、定量的解释，并绘制地层信息图。数据处理分析系统还有对原始数据进行动静校正、球面扩散、能量均衡、频谱分析、带通滤波、波形平滑、波场分离、绕射叠加、深度偏移等处理功能。
权利要求
1.一种基于钻孔与地面相结合的地震波空间探测方法，其特征在于步骤如下 步骤一、根据待测现场地形条件及周边环境，设置震源的激发方式和检波器排布方式； 步骤二、利用勘察钻形成探测孔(25)，探测孔(25)内安装护壁管(9)； 步骤三、地表面(26 )与探测孔(25 )中同时布设检波器串，所述检波器串为多个检波器连接形成，地表面(26)布设的地面检波器串(3)为单向检波器串，探测孔(25)中布设的检波器串为三分量检波器串(7)，检波器串均与位于地面的数据采集仪(4)连接，数据采集仪(4)与计算机连接； 步骤四、根据地质情况选择数据采集仪(4)的探测参数，激发震源，地震波通过不良地质体(6 )从震源传播至地表面(26 )和探测孔(25 )，数据采集仪(4 )同时接收到探测孔和地表面的地震波信号进行数据采集，通过计算机进行数据处理和成像； 步骤五、根据计算机得到的地震波CT图像的成像结果与各类典型地层的地震波CT图像比对后进行地质情况的判译。
2.根据权利要求I所述的一种基于钻孔与地面相结合的地震波空间探测方法，其特征在于所述步骤一中，震源的激发方式为电火花震源发生器(I)激发或锤子(13)人工激发。
3.根据权利要求I所述的一种基于钻孔与地面相结合的地震波空间探测方法，其特征在于所述步骤二中，探测孔(25)的直径大于等于90mm，护壁管(9)的外径为90mm，内径为80mmo
4.根据权利要求2所述的一种基于钻孔与地面相结合的地震波空间探测方法，其特征在于所述电火花震源发生器(I)设置在震源激发处地表面，激发处钻孔，电火花震源发生器(I)通过电缆(2)连接电火花探头(5)，将电火花探头(5)伸入孔内，孔内注水。
5.根据权利要求I所述的一种基于钻孔与地面相结合的地震波空间探测方法，其特征在于所述步骤三中，地面检波器串(3)是由若干纵向检波器串接而成，每个纵向检波器串的航空插头均连至信号电缆(27)上组成单向检波器串。
6.根据权利要求I所述的一种基于钻孔与地面相结合的地震波空间探测方法，其特征在于所述步骤三中，三分量检波器串(7)是由若干单个三分量检波器串接而成，所述三分量检波器包括三个纵向检波器，纵向检波器两两互相垂直且使用导线连接至航空插头(14),注腊固定于pvc管(19)内侧中部,pvc管上下两端盖有管帽(20), pvc管(19)外侧中部与上下两端部之间通过螺丝(16)固定有滑轮(17)，滑轮(17)与护壁管(9)内壁紧贴，上下两半部分的螺丝(16)上都分别固定钢丝绳(15)，上半部分钢丝绳(15)的另一端还穿有万向钩(22)，相邻的三分量检波器通过万向钩(22)和钢丝绳(15)串接成为一体，所述航空插头(14)固定于pvc管端的管帽表面，每个航空插头(14)均连至信号电缆(27)上组成三分量检波器串(7)。
7.根据权利要求5或6所述的一种基于钻孔与地面相结合的地震波空间探测方法，其特征在于所述纵向检波器的频率均为100Hz。
8.根据权利要求I所述的一种基于钻孔与地面相结合的地震波空间探测方法，其特征在于所述步骤三中，数据采集仪(4)为MHHC数据采集仪。
9.根据权利要求6所述的一种基于钻孔与地面相结合的地震波空间探测方法，其特征在于所述pvc管(19)的外径为50mm。
全文摘要
一种基于钻孔与地面相结合的地震波空间探测方法，步骤如下首先根据待测现场地形条件及周边环境，设置震源的激发方式和检波器排布方式；其次利用勘察钻形成探测孔，探测孔内安装护壁管；然后地表面与探测孔中同时布设检波器串，地表面布设单向检波器串，探测孔布设三分量检波器串，检波器串均与位于地面的数据采集仪连接，数据采集仪与计算机连接；根据地质情况选择合理的探测参数，激发震源，地震波通过地层从震源传播至地表面和探测孔，数据采集仪进行数据采集，最后通过计算机进行数据处理和成像。本发明解决现有的地震CT技术应用的跨度及深度有限，检波器的排布及接收方式单一，无法满足复杂地形的探测需要的缺陷。
文档编号G01V1/00GK102879805SQ201210409578
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月24日 优先权日2012年10月24日
发明者叶英, 侯伟清, 张鹏 申请人:北京市市政工程研究院
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