工程物探培训讲座

1、物探技术在岩土工程勘察中的应用勘察中的物探方法物探方法分类 电法 重磁法 地震 电法电测深法电剖面法高密度电法自然电位法充电法激发极化法可控源音频大地电磁测深法、瞬变电磁法地质雷达电法能够解决的岩土工程问题 高密度电法实例高密度电法勘探现场照片高密度电法的优缺点优点：快速、轻便、直观；缺点：1. 深度误差大；2. 用电阻率变化来推断地层，与岩土工程所依赖的力学指标不符；3. 对地层含水量变化敏感，在水文地质、环境地质中应用良好；4. 低阻地层（如盐碱地）有屏蔽。我分院曾经用电法做过的项目实例1. 地铁1号线钻孔电阻率测试；2. 地铁1号线基地勘察3. 岭头别墅勘查基岩裂隙水磁法工程上主要探测沉

2、船、炸弹，较少用；桩长检测地震勘探折射波法反射波法瑞利面波法声波测井地震勘探的基本原理 地震勘探就是利用人工方法引起地壳振动（或利用天然地震），如利用炸药爆炸产生人工地震，再用地震仪记录下爆炸后地面上各点的震动情况。利用记录下来的资料，推断地下地质构造的特点。那么人工地震为什么能查明地下地质构造呢？我们知道，当投一块石头到平静的水池里，平静的水面就会出现一圈圈的波纹，向四面八方传播，形成了“水波”。 “水波”传到水池边或遇到障碍物时还会返回来，发生所谓的“波的反射”。地震勘探的原理与此十分类似，在地面上某点打井放炮后，爆炸产生的地震波向下传播。地震波遇到地层(速度与密度的乘积有差异)的分界面时

3、，通常会发生反射；同时另一部分地震波还会继续向下传播，碰到相似的地层界面后还会产生反射和透射，即一部分地震波的能量反射回地面，另一部分继续向下传播。与此同时，地面上精密的仪器把来自各个地层分界面的反射波引起地面振动的情况记录下来。然后根据地震波从地面开始向下传播的时刻和地层分界面反射波到达地面的时刻，得出地震波从地面向下传播到达地层分界面，又反射回地面的总时间，再用别的方法测定出地震波在岩层中传播的速度，最后就可得到地层分界面的埋藏深度了。地震勘探基本概念纵波横波(SH波.SV波)面波(瑞利面波或瑞雷面波 勒夫波)波长 速度 频率地震展开排列波序图地震波速度 VpVsVr地震波能量 纵波7%

4、横波26% 面波67%地震折射时距曲线及成果解释瞬态多道瑞利面波勘探技术方法说明瑞利波勘察基于瑞利波的如下特性： 在均匀半无限空间分层介质中，瑞利波具有频散特性(不同频率的波以不同的相速度传播)； 瑞利波的影响深度大致在一个波长以内，波长不同，穿透深度也不同，不同波长的瑞利波反映不同深度的介质情况,目前一般用半波长理论； 瑞利波传播速度与剪切波速具有密切相关性；瑞利面波基本概念面波记录处理流程：提取频散曲线FK域图谱反演处理 地层剪切波速度地质解释时空域data in X-T domain记录面波记录采集1面波能解决的岩土工程问题岩土分层不良地质体探测(兰州中川机场)滑坡体探测 边坡勘察剪切波

5、速测试地基土检测岩土层分层 上海轨道交通4号线修复工程 滑坡勘查滑坡体探测目的包括滑坡体分布范围、厚度、分层情况、滑床起伏形态、滑坡体内部含水层或富水带、测试滑坡体物性参数等；宜采用的物探方法包括地震勘探、电法勘探、综合测井等； 漳州后石电厂二期地基土强夯处理前后频散曲线对比图 强夯有效影响深度评价 BL10线面波视层速度彩色等值线剖面图 图4AL2线面波视层速度彩色等值线剖面图 图5地基土均匀性评价 变形模量与承载力特征值 B区场地承载力特征值fa分布图 B区地基土变形模量等值线图面波勘察关注问题1 探测深度(排列长度 检波器频率)2 震源激发频率3 现场干扰波4 高阶波问题5 地形影响微动

6、勘探技术1、微动(microtremor)与微动勘探(microtremor survey) 什么叫微动？ 地球表面无论何时何地都存在着一种天然的微弱振动称为“微动”或常时微动； 微动的振幅约为10-410-2mm，人类感觉不到。 微动勘探的原理与方法 一、微动信号的组成 微动是一种由体波(P波和S波)和面波(Rayleigh 波和Love波)组成的复杂振动，并且面波的能量占信号总能量的70%以上。 微动勘探利用微动信号中的面波(瑞雷波) 微动信号的频率成分：理论范围020Hz；各频率成分具有如下特点： 1.低频部分(1Hz)：主要受交通等人为因素的影响，白天/晚上,工作日/休息日有明显变化；

7、 3.不同地点功率谱形状不同。同一地点不同时间的微动信号，功率谱形状相似。 微动具有如下特征： 在地球表面无论何时何地都存在； 源的空间分布、 触发时间及源的强度是随机的； 在某一固定的位置， 波的到来方向一般不确定； 频率一般较低； 微动面波中携带有面波所固有的频散信息。 基于微动的勘探方法就是从采集的微动数据中提取面波的频散信息， 并推断地下介质的速度结构。 微动是一种由体波(P波和S波)和面波(Rayleigh 波和Love波)组成的复杂振动，并且面波的能量占信号总能量的70%以上。 微动勘探利用微动信号中的面波(瑞雷波)微动信号的组成 海 浪 面波的频散特性不同频率成分具有不同的传播速

8、度（相速度群速度） 频率（波长）CCCC波长不同波,传播速度不同（相速度） 道路振动微动 地下構造（S波速度構造）分散異9011013052011022090520 S波速度（m/sec）频散曲线频率（Hz）位相速度 C （m/sec）频散特性的定量表示：频散曲线不同地下结构具有不同的频散曲线 频散特性与介质结构有关。 了解频散特性可获得介质结构信息。 微动勘探 从微动信号中提取面波的频散曲线， 通过对频散曲线的反演，得到地下介质 的横波速度结构。微动观测台阵至少4台仪器同时观测，组成观测半径为r的观测台阵。r基本观测台阵(台仪器) 多重观测台阵 (台仪器) 探测深度(25)r 2、微动数据采

9、集微动测深微动剖面SPAC法微动数据处理流程关键：从微动信号的垂直 分量中提取面波频散曲线3、微动数据处理及成果1. 问题的提出 花岗岩风化土中的球状风化核,俗称 “孤石” ,在我国南方花岗岩发育地区普遍存在,其形状各异,大小从几十厘米到几米,强度可以达到 100Mpa以上。 孤石会给地铁施工带来极大风险,盾构机掘进中若遇未探明的孤石,会导致喷涌、塌方、刀盘被卡住或严重磨损等多种意外情况,给地铁施工、环境保护、工期和投资控制产生重大不利影响。孤石的发育无明显规律性,埋藏及分布也较为随机,很难通过地质钻探探明其分布情况。受场地条件及多种场源干扰限制,采用常规地震方法及电法类的地球物理勘探方法查找

10、孤石的效果有限,部分物探方法达不到预期效果。所以,采用有效的探测手段探查孤石,对地铁盾构施工安全具有重要意义。地铁盾构施工孤石探测解决方案城市地铁孤石探测的地球物理环境1、测试场地位于闹市区、城市主干道，交通繁忙，车辆多，人类活动振动源多，噪音大。2、城市中的电磁环境复杂，广告牌多，一般非屏蔽天线的电磁波类方法效果不佳或探测深度有限。3、测试场地周边建筑物较多，有各种规模的多层或高层建筑。4、地下不明障碍物较多，如各种电缆、光缆、管道等。5、测试场地地表一般为混凝土路面、水泥路面、人行道、草地、花圃、井盖等。6、时常遇到高架桥、人行地下通道、已建好的地铁。7、要求的探测深度一般在10多米至30

11、多米之间。 “孤石”的存在长期困扰着地铁盾构施工，在钻探方法效率低下，传统的物探方法效果不理想的情况下，探索高效、无损的物探新技术尤为重要。 微动探测孤石具有明显优势，理由如下： 1、适合城市复杂环境；微动勘探对环境无特殊要求，非常适合应用于人口密集的闹市区，与传统的地震反射波勘探不同，它利用通常概念的“噪音”作为测试信号，市区繁忙的交通不仅不影响观测，还为浅层微动勘探提供丰富的高频信号源(经过测点附近的重型载重车辆除外)。 2、微动勘探不需要人工激发的震源，对周围环境不产生任何影响，仅需测试时较短时间的交通布控，有利生态环境保护。 3、由面波频散曲线推断地层横波速度结构，由于速度小，分辨率较

12、高； 4、微动勘探与少量钻孔结合，可以得到较精确的地下构造的二维剖面。 5、面波对地层横向的速度变化极其敏感，探测孤石有方法本身的优势。 6、由微动勘探原理可知 微动勘探得到的是观测阵列所覆盖范围内地下结构的平均 V s 分布。 结论：微动探测孤石是很有前景的物探方法，值得尝试！2. 解决问题的总体思路 三、地铁盾构施工孤石探测解决方案孤石的地球物理特征孤石与周围的包裹花岗岩风化土体有如下差别：1、密度差别2、S波速度差别3、横波波阻抗差别从微动探测方法上看，S波速度差异可以由反演的视S波速度剖面反映。波阻抗差异可以由由测点的H/V曲线定性反映出来。由于孤石的大小不等，单一的速度参数推断孤石会

13、有一定的误判，验证钻孔表明强风化土层常常会与孤石混淆；增加H/V参数可以提高孤石判别的准确度。微动探测假设条件1、平面波假设2、水平层状介质假设（适合小台阵）3、垂直分量基本为RAYLEIGH面波，且基阶波占主要能量。4、微动的振幅随时间 地点等变化很大，但在一定时空范围内具有统计稳定性 ,可用时间和空间上的随机平稳过程理论描述。（1）微动勘探能得到地层的二维速度剖面图。（2）横向速度异常能有明显反映。（3）推断的速度异常体与孤石的结合解释需钻探验证或已知孤石位置。（4）可推断划分出盾构掘进位置正常地层与可疑孤石地层的界限。（5）微动探测效果取决于孤石尺度及与围岩的速度差异。（6）对可疑孤石异

14、常位置应加密勘探点探测。 (7) 根据二维速度剖面和H/V曲线经少量钻孔验证可以排除测线下方没有孤石的区段。可能解决问题的程度分析 观测系统采用圆形阵列，0.6m、0.9m的台阵半径，测点点距5m。微动观测系统示意图1、地铁工程勘察 二、微动探测实例探测： 土石界面、岩溶构造、孤石、划分岩性层济南轨道交通规划勘察微动探测 微动剖面探测观测系统 土石界面、岩溶构造验证孔土石界面、岩溶构造土石界面、岩溶构造土石界面、岩溶构造车公庙南上沙微动剖面位置微动剖面观测系统深圳地铁7号线车公庙南上沙站区间“孤石”探测孤石岩性层划分：北京地铁亦庄线次渠站广场微动台阵半径6m、12m1.微动剖面探测配合钻孔,可

15、查明岩性层的纵、横向变化。2.在住宅区等钻机无法到达的场地，单点微动测深可以代替钻孔。6m12m人防工事位置（深度712m）福州地铁1号线新店段微动探测面波速度图（1）福州地铁1号线新店段微动探测面波速度图（2）测试现场台阵布设四、探测成果介绍1、深南大道孤石探测成果图建议验证钻孔顺序：B10、B11、B26、B4验证钻孔要求：全程取样、隧洞范围标贯、岩芯照片，B10、B11异常若为孤石,建议进行孔内悬挂式横波波速测试。验证结果：B4、B10两孔验证结果高速异常体位强风化岩。B11和B26未验证。深南大道孤石探测成果与详勘钻孔对比白石路探测成果与补勘钻孔对比验证点的H/V分析1、H/V曲线大致

16、可分成5类：A、尖单峰SHARP PEAKB、缓单峰BROAD PEAKC、双峰DUAL PEAKD、前台阶型E、后台阶型F、杂乱型（采集信号不可靠）频散曲线结合H/V曲线可以反演较可靠的速度结构H/V曲线分类：尖单峰Y30f0=2.44Hz,A0=6.11H/V曲线分类：缓单峰Y8f0=2.65Hz,A0=4.72H/V曲线分类：双峰Y19f0=2.87Hz,A0=5.06H/V曲线分类：前台阶型Y76f0=2.78Hz,A0=3.92H/V曲线分类：后台阶型Y37f0=2.41Hz,A0=6.23f1=3.5Hz,A1=3.6H/V曲线分类：杂乱型Y82说明：测点在环城路高架桥下面，振动源

17、很大一部分来源于高架桥车辆垂直方向传播的振动，不符合微动测试的平面波假设。地铁孤石探测注意事项1、尽量收集前期勘察资料，挑选详勘阶段到达中风化的部分代表性钻孔位置进行微动测试，取得一些对比参数。2、设计合适的台阵半径。3、采用三分量传感器，同时计算频散曲线和H/V曲线。4、孤石的判译要综合考虑二维剖面异常速度体、测点H/V类型， S波谐振频率f0， H/V幅值A0。5、了解测区范围内可能引起微动信号异常的因素，如测点上方的高架桥、人行通道、单一频率的振动源。水域地震反射波勘探法向入射(小角度入射)时反射、透射系数Zoeppriez方程 层状界面能量分配与入射角的关系液体-固体界面反射、透射与入

18、射角的关系1、水底介质为软弱层（淤泥）时，大部分能量能够穿透到下层介质中，不出现转换波且无水底多次波。 2、水底介质为相对硬层（砂层）时超过临界角时，能量分配变得复杂，反射能量增强，透射能量变小，同时相位发生变化，出现转换波。3、水底介质为硬层（岩石）时，当超过临界角时，能量分配变得更复杂。4、在浅层水域地震勘探中，常出现宽角入射，在记录中常叠加有与水底有关的噪音，包括直达波，导波，折射波、水底多次波。导波沿水平方向传播，圈闭在水层中，具频散特性，导波主要出现在超临界角区域，与水深和水底介质有关，导波在水浅时表现为复杂的波动特征，随着水深增加变化为简单的水底多次波。水域地震现场采集水域地震反射波勘探荆岳长江公路大桥长江河道采砂规划黄石西塞山 荆岳长江公路大桥富湾特