工程物探培訓(xùn)講座

1、物探技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用勘察中的物探方法物探方法分類 電法 重磁法 地震 電法電測深法電剖面法高密度電法自然電位法充電法激發(fā)極化法可控源音頻大地電磁測深法、瞬變電磁法地質(zhì)雷達(dá)電法能夠解決的巖土工程問題 高密度電法實(shí)例高密度電法勘探現(xiàn)場照片高密度電法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：快速、輕便、直觀；缺點(diǎn)：1. 深度誤差大；2. 用電阻率變化來推斷地層，與巖土工程所依賴的力學(xué)指標(biāo)不符；3. 對地層含水量變化敏感，在水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)中應(yīng)用良好；4. 低阻地層（如鹽堿地）有屏蔽。我分院曾經(jīng)用電法做過的項(xiàng)目實(shí)例1. 地鐵1號線鉆孔電阻率測試；2. 地鐵1號線基地勘察3. 嶺頭別墅勘查基巖裂隙水磁法工程上主要探測沉

2、船、炸彈，較少用；樁長檢測地震勘探折射波法反射波法瑞利面波法聲波測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殼振動（或利用天然地震），如利用炸藥爆炸產(chǎn)生人工地震，再用地震儀記錄下爆炸后地面上各點(diǎn)的震動情況。利用記錄下來的資料，推斷地下地質(zhì)構(gòu)造的特點(diǎn)。那么人工地震為什么能查明地下地質(zhì)構(gòu)造呢？我們知道，當(dāng)投一塊石頭到平靜的水池里，平靜的水面就會出現(xiàn)一圈圈的波紋，向四面八方傳播，形成了“水波”。 “水波”傳到水池邊或遇到障礙物時(shí)還會返回來，發(fā)生所謂的“波的反射”。地震勘探的原理與此十分類似，在地面上某點(diǎn)打井放炮后，爆炸產(chǎn)生的地震波向下傳播。地震波遇到地層(速度與密度的乘積有差異)的分界面時(shí)

3、，通常會發(fā)生反射；同時(shí)另一部分地震波還會繼續(xù)向下傳播，碰到相似的地層界面后還會產(chǎn)生反射和透射，即一部分地震波的能量反射回地面，另一部分繼續(xù)向下傳播。與此同時(shí)，地面上精密的儀器把來自各個(gè)地層分界面的反射波引起地面振動的情況記錄下來。然后根據(jù)地震波從地面開始向下傳播的時(shí)刻和地層分界面反射波到達(dá)地面的時(shí)刻，得出地震波從地面向下傳播到達(dá)地層分界面，又反射回地面的總時(shí)間，再用別的方法測定出地震波在巖層中傳播的速度，最后就可得到地層分界面的埋藏深度了。地震勘探基本概念縱波橫波(SH波.SV波)面波(瑞利面波或瑞雷面波 勒夫波)波長 速度 頻率地震展開排列波序圖地震波速度 VpVsVr地震波能量 縱波7%

4、橫波26% 面波67%地震折射時(shí)距曲線及成果解釋瞬態(tài)多道瑞利面波勘探技術(shù)方法說明瑞利波勘察基于瑞利波的如下特性： 在均勻半無限空間分層介質(zhì)中，瑞利波具有頻散特性(不同頻率的波以不同的相速度傳播)； 瑞利波的影響深度大致在一個(gè)波長以內(nèi)，波長不同，穿透深度也不同，不同波長的瑞利波反映不同深度的介質(zhì)情況,目前一般用半波長理論； 瑞利波傳播速度與剪切波速具有密切相關(guān)性；瑞利面波基本概念面波記錄處理流程：提取頻散曲線FK域圖譜反演處理 地層剪切波速度地質(zhì)解釋時(shí)空域data in X-T domain記錄面波記錄采集1面波能解決的巖土工程問題巖土分層不良地質(zhì)體探測(蘭州中川機(jī)場)滑坡體探測 邊坡勘察剪切波

5、速測試地基土檢測巖土層分層 上海軌道交通4號線修復(fù)工程 滑坡勘查滑坡體探測目的包括滑坡體分布范圍、厚度、分層情況、滑床起伏形態(tài)、滑坡體內(nèi)部含水層或富水帶、測試滑坡體物性參數(shù)等；宜采用的物探方法包括地震勘探、電法勘探、綜合測井等； 漳州后石電廠二期地基土強(qiáng)夯處理前后頻散曲線對比圖 強(qiáng)夯有效影響深度評價(jià) BL10線面波視層速度彩色等值線剖面圖 圖4AL2線面波視層速度彩色等值線剖面圖 圖5地基土均勻性評價(jià) 變形模量與承載力特征值 B區(qū)場地承載力特征值fa分布圖 B區(qū)地基土變形模量等值線圖面波勘察關(guān)注問題1 探測深度(排列長度 檢波器頻率)2 震源激發(fā)頻率3 現(xiàn)場干擾波4 高階波問題5 地形影響微動

6、勘探技術(shù)1、微動(microtremor)與微動勘探(microtremor survey) 什么叫微動？ 地球表面無論何時(shí)何地都存在著一種天然的微弱振動稱為“微動”或常時(shí)微動； 微動的振幅約為10-410-2mm，人類感覺不到。 微動勘探的原理與方法 一、微動信號的組成 微動是一種由體波(P波和S波)和面波(Rayleigh 波和Love波)組成的復(fù)雜振動，并且面波的能量占信號總能量的70%以上。 微動勘探利用微動信號中的面波(瑞雷波) 微動信號的頻率成分：理論范圍020Hz；各頻率成分具有如下特點(diǎn)： 1.低頻部分(1Hz)：主要受交通等人為因素的影響，白天/晚上,工作日/休息日有明顯變化；

7、 3.不同地點(diǎn)功率譜形狀不同。同一地點(diǎn)不同時(shí)間的微動信號，功率譜形狀相似。 微動具有如下特征： 在地球表面無論何時(shí)何地都存在； 源的空間分布、 觸發(fā)時(shí)間及源的強(qiáng)度是隨機(jī)的； 在某一固定的位置， 波的到來方向一般不確定； 頻率一般較低； 微動面波中攜帶有面波所固有的頻散信息。 基于微動的勘探方法就是從采集的微動數(shù)據(jù)中提取面波的頻散信息， 并推斷地下介質(zhì)的速度結(jié)構(gòu)。 微動是一種由體波(P波和S波)和面波(Rayleigh 波和Love波)組成的復(fù)雜振動，并且面波的能量占信號總能量的70%以上。 微動勘探利用微動信號中的面波(瑞雷波)微動信號的組成 海 浪 面波的頻散特性不同頻率成分具有不同的傳播速

8、度（相速度群速度） 頻率（波長）CCCC波長不同波,傳播速度不同（相速度） 道路振動微動 地下構(gòu)造（S波速度構(gòu)造）分散異9011013052011022090520 S波速度（m/sec）頻散曲線頻率（Hz）位相速度 C （m/sec）頻散特性的定量表示：頻散曲線不同地下結(jié)構(gòu)具有不同的頻散曲線 頻散特性與介質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)。 了解頻散特性可獲得介質(zhì)結(jié)構(gòu)信息。 微動勘探 從微動信號中提取面波的頻散曲線， 通過對頻散曲線的反演，得到地下介質(zhì) 的橫波速度結(jié)構(gòu)。微動觀測臺陣至少4臺儀器同時(shí)觀測，組成觀測半徑為r的觀測臺陣。r基本觀測臺陣(臺儀器) 多重觀測臺陣 (臺儀器) 探測深度(25)r 2、微動數(shù)據(jù)采

9、集微動測深微動剖面SPAC法微動數(shù)據(jù)處理流程關(guān)鍵：從微動信號的垂直 分量中提取面波頻散曲線3、微動數(shù)據(jù)處理及成果1. 問題的提出 花崗巖風(fēng)化土中的球狀風(fēng)化核,俗稱 “孤石” ,在我國南方花崗巖發(fā)育地區(qū)普遍存在,其形狀各異,大小從幾十厘米到幾米,強(qiáng)度可以達(dá)到 100Mpa以上。 孤石會給地鐵施工帶來極大風(fēng)險(xiǎn),盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中若遇未探明的孤石,會導(dǎo)致噴涌、塌方、刀盤被卡住或嚴(yán)重磨損等多種意外情況,給地鐵施工、環(huán)境保護(hù)、工期和投資控制產(chǎn)生重大不利影響。孤石的發(fā)育無明顯規(guī)律性,埋藏及分布也較為隨機(jī),很難通過地質(zhì)鉆探探明其分布情況。受場地條件及多種場源干擾限制,采用常規(guī)地震方法及電法類的地球物理勘探方法查找

10、孤石的效果有限,部分物探方法達(dá)不到預(yù)期效果。所以,采用有效的探測手段探查孤石,對地鐵盾構(gòu)施工安全具有重要意義。地鐵盾構(gòu)施工孤石探測解決方案城市地鐵孤石探測的地球物理環(huán)境1、測試場地位于鬧市區(qū)、城市主干道，交通繁忙，車輛多，人類活動振動源多，噪音大。2、城市中的電磁環(huán)境復(fù)雜，廣告牌多，一般非屏蔽天線的電磁波類方法效果不佳或探測深度有限。3、測試場地周邊建筑物較多，有各種規(guī)模的多層或高層建筑。4、地下不明障礙物較多，如各種電纜、光纜、管道等。5、測試場地地表一般為混凝土路面、水泥路面、人行道、草地、花圃、井蓋等。6、時(shí)常遇到高架橋、人行地下通道、已建好的地鐵。7、要求的探測深度一般在10多米至30

11、多米之間。 “孤石”的存在長期困擾著地鐵盾構(gòu)施工，在鉆探方法效率低下，傳統(tǒng)的物探方法效果不理想的情況下，探索高效、無損的物探新技術(shù)尤為重要。 微動探測孤石具有明顯優(yōu)勢，理由如下： 1、適合城市復(fù)雜環(huán)境；微動勘探對環(huán)境無特殊要求，非常適合應(yīng)用于人口密集的鬧市區(qū)，與傳統(tǒng)的地震反射波勘探不同，它利用通常概念的“噪音”作為測試信號，市區(qū)繁忙的交通不僅不影響觀測，還為淺層微動勘探提供豐富的高頻信號源(經(jīng)過測點(diǎn)附近的重型載重車輛除外)。 2、微動勘探不需要人工激發(fā)的震源，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生任何影響，僅需測試時(shí)較短時(shí)間的交通布控，有利生態(tài)環(huán)境保護(hù)。 3、由面波頻散曲線推斷地層橫波速度結(jié)構(gòu)，由于速度小，分辨率較

12、高； 4、微動勘探與少量鉆孔結(jié)合，可以得到較精確的地下構(gòu)造的二維剖面。 5、面波對地層橫向的速度變化極其敏感，探測孤石有方法本身的優(yōu)勢。 6、由微動勘探原理可知 微動勘探得到的是觀測陣列所覆蓋范圍內(nèi)地下結(jié)構(gòu)的平均 V s 分布。 結(jié)論：微動探測孤石是很有前景的物探方法，值得嘗試！2. 解決問題的總體思路 三、地鐵盾構(gòu)施工孤石探測解決方案孤石的地球物理特征孤石與周圍的包裹花崗巖風(fēng)化土體有如下差別：1、密度差別2、S波速度差別3、橫波波阻抗差別從微動探測方法上看，S波速度差異可以由反演的視S波速度剖面反映。波阻抗差異可以由由測點(diǎn)的H/V曲線定性反映出來。由于孤石的大小不等，單一的速度參數(shù)推斷孤石會

13、有一定的誤判，驗(yàn)證鉆孔表明強(qiáng)風(fēng)化土層常常會與孤石混淆；增加H/V參數(shù)可以提高孤石判別的準(zhǔn)確度。微動探測假設(shè)條件1、平面波假設(shè)2、水平層狀介質(zhì)假設(shè)（適合小臺陣）3、垂直分量基本為RAYLEIGH面波，且基階波占主要能量。4、微動的振幅隨時(shí)間 地點(diǎn)等變化很大，但在一定時(shí)空范圍內(nèi)具有統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性 ,可用時(shí)間和空間上的隨機(jī)平穩(wěn)過程理論描述。（1）微動勘探能得到地層的二維速度剖面圖。（2）橫向速度異常能有明顯反映。（3）推斷的速度異常體與孤石的結(jié)合解釋需鉆探驗(yàn)證或已知孤石位置。（4）可推斷劃分出盾構(gòu)掘進(jìn)位置正常地層與可疑孤石地層的界限。（5）微動探測效果取決于孤石尺度及與圍巖的速度差異。（6）對可疑孤石異

14、常位置應(yīng)加密勘探點(diǎn)探測。 (7) 根據(jù)二維速度剖面和H/V曲線經(jīng)少量鉆孔驗(yàn)證可以排除測線下方?jīng)]有孤石的區(qū)段。可能解決問題的程度分析 觀測系統(tǒng)采用圓形陣列，0.6m、0.9m的臺陣半徑，測點(diǎn)點(diǎn)距5m。微動觀測系統(tǒng)示意圖1、地鐵工程勘察 二、微動探測實(shí)例探測： 土石界面、巖溶構(gòu)造、孤石、劃分巖性層濟(jì)南軌道交通規(guī)劃勘察微動探測 微動剖面探測觀測系統(tǒng) 土石界面、巖溶構(gòu)造驗(yàn)證孔土石界面、巖溶構(gòu)造土石界面、巖溶構(gòu)造土石界面、巖溶構(gòu)造車公廟南上沙微動剖面位置微動剖面觀測系統(tǒng)深圳地鐵7號線車公廟南上沙站區(qū)間“孤石”探測孤石巖性層劃分：北京地鐵亦莊線次渠站廣場微動臺陣半徑6m、12m1.微動剖面探測配合鉆孔,可

15、查明巖性層的縱、橫向變化。2.在住宅區(qū)等鉆機(jī)無法到達(dá)的場地，單點(diǎn)微動測深可以代替鉆孔。6m12m人防工事位置（深度712m）福州地鐵1號線新店段微動探測面波速度圖（1）福州地鐵1號線新店段微動探測面波速度圖（2）測試現(xiàn)場臺陣布設(shè)四、探測成果介紹1、深南大道孤石探測成果圖建議驗(yàn)證鉆孔順序：B10、B11、B26、B4驗(yàn)證鉆孔要求：全程取樣、隧洞范圍標(biāo)貫、巖芯照片，B10、B11異常若為孤石,建議進(jìn)行孔內(nèi)懸掛式橫波波速測試。驗(yàn)證結(jié)果：B4、B10兩孔驗(yàn)證結(jié)果高速異常體位強(qiáng)風(fēng)化巖。B11和B26未驗(yàn)證。深南大道孤石探測成果與詳勘鉆孔對比白石路探測成果與補(bǔ)勘鉆孔對比驗(yàn)證點(diǎn)的H/V分析1、H/V曲線大致

16、可分成5類：A、尖單峰SHARP PEAKB、緩單峰BROAD PEAKC、雙峰DUAL PEAKD、前臺階型E、后臺階型F、雜亂型（采集信號不可靠）頻散曲線結(jié)合H/V曲線可以反演較可靠的速度結(jié)構(gòu)H/V曲線分類：尖單峰Y30f0=2.44Hz,A0=6.11H/V曲線分類：緩單峰Y8f0=2.65Hz,A0=4.72H/V曲線分類：雙峰Y19f0=2.87Hz,A0=5.06H/V曲線分類：前臺階型Y76f0=2.78Hz,A0=3.92H/V曲線分類：后臺階型Y37f0=2.41Hz,A0=6.23f1=3.5Hz,A1=3.6H/V曲線分類：雜亂型Y82說明：測點(diǎn)在環(huán)城路高架橋下面，振動源

17、很大一部分來源于高架橋車輛垂直方向傳播的振動，不符合微動測試的平面波假設(shè)。地鐵孤石探測注意事項(xiàng)1、盡量收集前期勘察資料，挑選詳勘階段到達(dá)中風(fēng)化的部分代表性鉆孔位置進(jìn)行微動測試，取得一些對比參數(shù)。2、設(shè)計(jì)合適的臺陣半徑。3、采用三分量傳感器，同時(shí)計(jì)算頻散曲線和H/V曲線。4、孤石的判譯要綜合考慮二維剖面異常速度體、測點(diǎn)H/V類型， S波諧振頻率f0， H/V幅值A(chǔ)0。5、了解測區(qū)范圍內(nèi)可能引起微動信號異常的因素，如測點(diǎn)上方的高架橋、人行通道、單一頻率的振動源。水域地震反射波勘探法向入射(小角度入射)時(shí)反射、透射系數(shù)Zoeppriez方程 層狀界面能量分配與入射角的關(guān)系液體-固體界面反射、透射與入

18、射角的關(guān)系1、水底介質(zhì)為軟弱層（淤泥）時(shí)，大部分能量能夠穿透到下層介質(zhì)中，不出現(xiàn)轉(zhuǎn)換波且無水底多次波。 2、水底介質(zhì)為相對硬層（砂層）時(shí)超過臨界角時(shí)，能量分配變得復(fù)雜，反射能量增強(qiáng)，透射能量變小，同時(shí)相位發(fā)生變化，出現(xiàn)轉(zhuǎn)換波。3、水底介質(zhì)為硬層（巖石）時(shí)，當(dāng)超過臨界角時(shí)，能量分配變得更復(fù)雜。4、在淺層水域地震勘探中，常出現(xiàn)寬角入射，在記錄中常疊加有與水底有關(guān)的噪音，包括直達(dá)波，導(dǎo)波，折射波、水底多次波。導(dǎo)波沿水平方向傳播，圈閉在水層中，具頻散特性，導(dǎo)波主要出現(xiàn)在超臨界角區(qū)域，與水深和水底介質(zhì)有關(guān)，導(dǎo)波在水淺時(shí)表現(xiàn)為復(fù)雜的波動特征，隨著水深增加變化為簡單的水底多次波。水域地震現(xiàn)場采集水域地震反射波勘探荊岳長江公路大橋長江河道采砂規(guī)劃黃石西塞山 荊岳長江公路大橋富灣特