CN102866417A - 一种地下溶洞地震跨孔ct探测及层析成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地下溶洞地震跨孔CT探测及层析成像装置，包括一串检波器、激振设备、激发控制***、第一电缆、第二电缆、第三电缆、第四电缆、地震仪和计算机，在地表设有垂直的第一钻孔和第二钻孔，所述多个检波器置于所述第一钻孔中，所述检波器通过第一电缆连接地震仪，所述激振设备置于所述第二钻孔中，该激振设备可上下自由移动，并通过第四电缆连接激发控制***，所述激发控制***通过第二电缆连接地震仪，所述地震仪通过第四电缆连接计算机。本发明还公开了一种地下溶洞地震跨孔CT探测及层析成像方法。本发明能够对地下溶洞进行快速有效的探测。
Description
技术领域
本发明涉及地下小型溶洞的探测领域，特别涉及一种地下溶洞地震跨孔CT探测及层析成像装置及方法。
背景技术
岩溶是在工民建、公路、铁路环境等多方面的工程地质勘查中，常常会遇到的情况。由于溶蚀作用使可溶岩表面石芽、溶沟丛生，参差不齐；地下溶洞又破坏了岩体完整性。岩溶水动力条件的变化，使其上部覆盖土层产生开裂、沉陷。地下岩溶常常以溶洞、地下廊道、地下暗河的形式表现出来，这些都不同程度地影响着建筑物地基的稳定性。
传统的钻孔资料难以对岩溶的发育规模、分布情况等作出合理准确的评价，这就使得一些岩溶区工程地质问题（渗漏、突水、地面塌陷等）的发生几率大为增加，而一味的增加钻孔密度和钻进深度则必然大大增加勘察工作量。
近几年随着地球物理勘探（简称物探）技术逐步应用到工程勘察中来，这一难题已得到了较好的解决，常用的岩溶物探方法有：
（1）地质雷达探测法
探地雷达利用超高频短脉冲电磁波在地下介质中传播特征，分析地下或结构物内部不可见的目标体或分界面，进行定位或判别。由于探地雷达是一种非破坏性探测技术，可以安全地用于城市和正在建设中的工程现场，工作工程区条件宽松，适应性强；同时探地雷达的脉冲时域输出功率大，抗电磁干扰能力强，可在城市内各种噪声环境下工作，环境干扰影响小；具有工程上较满意的探测深度和分辨率，现场直接提供实时剖面记录图，图像清晰直观。
探地雷达探测地下目标体（如溶洞等）的原理是通过特定设备向地下发送脉冲形式的高频、甚高频电磁波。高频电磁波以宽频带短脉冲形式，通过发射天线被定向送入地下，经存在电性差异的地层或岩溶（目标体）反射后返回地面，由接收天线所接收。高频电磁波在介质中传播时，其传播路径、电磁场强度与波形将随通过介质的电性特征与几何形态而变化。因此，通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下分界面或岩溶—地质体的空间位置及结构。
电磁波在介质中传播时，当遇到存在电性差异的地下目标体，如溶洞、分界面等时，电磁波便发生反射，返回到地面时由接收天线所接收。在对接收天线接收到的雷达波进行处理和分析的基础上，根据接收到的雷达波形、强度、双程时间等参数便可推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态,从而达到对地下隐蔽目标物的探测。
地质雷达采用高频电磁波作为信息载体，电磁波能量在地下衰减较强烈，在厚覆盖条件下，探测范围（主要指深度上）将受到限制。
（2）高密度电法勘探
高密度电法是一种有效工程物探方法。该方法是从常规电阻率法发展而来，其工作原理也与常规电阻率法大体相同。它是以岩土体的电性差异为基础。根据其施加电场作用下地下岩土体中传导电流的分布规律，推断地下不同电阻率的地质体的分布情况。高密度电法实际上就是测定地下各种岩土体的电阻率。由于所测定电阻率值是在地下存在多种岩土体的情况下测得的，所以不是某一种岩石的真电阻率，它除受各种岩石电阻率的综合影响外，还与岩、矿石的分布状态(包括—些构造因素)、电极排列等具体情况有关，所以称它为视电阻率。 决定视电阻率大小的因素有:①各岩层地质体的真电阻率；②地下不同电性体实际分布状况（各电性体的厚度、大小和形状、埋藏的深浅）；③供电电极和测量电极的相互位置以及与不均匀电性层的相对位置。
对现场采集的数据先用反演软件进行了反演，但是反演误差较大，如果用反演图像来判断地质体的赋存情况，结果可靠度较低。在城市市区进行探测时，有时电极只能布置在沥青或混凝土路面上，由于沥青或混泥土路面的导电率是非常低的，直接影响了电流的激发和传播，因此在这种情况下得到的测量数据用来反演的话，效果将很不理想。
（3）井地地震探测法
井地地震探测技术是采用地面激发，井内布设检波器，采用地震仪接受探测信号的方式，地面测线和任意布置，且可布置较密集的激发点，震源除了考虑满足激发高频地震波之外，地面震源的选用要简单易行，激发效率要高。常用的激发方法有浅井(小于1m)、瞬发***、浅井小药量***、重锤激发等方式。另外还要考虑现场情况对勘测的干扰，实测时应避开。
它利用地震波穿过地质体后走时及能量的改变等物理信息，在计算机上重建地质体内部图像，从而得到所研究地质体的岩性、洞室及构造分布。该方法图像直观、分辨率高、信息量大、可靠性好，可以清楚地反映所研究区域的覆盖层分区、岩性分布与构造特点, 用来研究第四系覆盖层的分布、厚度以及基底埋深、风化分层、厚度及基底节理、断裂等构造, 可以用于浅部隐伏矿体勘查、地质灾害预报、工程场地评价等方面。同时，该方法实施简单, 操作方便, 效果明显。
井地地震探测法虽然易于操作，精度较高，但也同样存在探测深度范围受限制、且受地面干扰较严重的问题，特别是在市区马路边施工时，行驶汽车振动的影响不可忽视。
从目前研究成果来看，溶洞探测技术存在检测方法不完善、费用高、市区施工受干扰严重、准确性差及探测的范围受限制的特点。特别是探测深度上，随着城市地下工程深度的发展（城市地铁、地下商场等），常用的几种探测方法将逐渐失去优势。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种地下溶洞地震跨孔CT探测及层析成像装置及方法，能够对地下溶洞进行快速有效的探测。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的第一种技术方案为一种地下溶洞地震跨孔CT探测及层析成像装置，包括一串检波器、激振设备、激发控制***、第一电缆、第二电缆、第三电缆、第四电缆、地震仪和计算机，在地表设有垂直的第一钻孔和第二钻孔，所述多个检波器置于所述第一钻孔中，所述检波器通过第一电缆连接地震仪，所述激振设备置于所述第二钻孔中，该激振设备可上下自由移动，并通过第四电缆连接激发控制***，所述激发控制***通过第二电缆连接地震仪，所述地震仪通过第四电缆连接计算机。
优选的，所述检波器的数量为12个，主频为100Hz。
所述第一钻孔和第二钻孔的水平间距可大于50米。
优选的，所述激振设备和检波器均位于地下水位以下，保证地震波的接收质量。
优选的，所述激发控制***内置触发开关，所述触发开关通过第二电缆连接地震仪，所述激发控制***激震的同时触发开关的电信号通过第二电缆传至地震仪，所述地震仪通过第一电缆拾取并记录检波器采集到的直达波信号，地震仪将记录的直达波信号通过第四电缆传输到计算机上，所述计算机根据该直达波信号，拾取初至波走时并进行波速CT层析成像。
优选的，相邻所述检波器的间距为0.5至1米。
优选的，所述地震仪为浅层地震仪，所述计算机为便携式计算机，所述激振设备为电火花震源，所述检波器为三分量检波器。
本发明提供的另一种技术方案为一种地下溶洞地震跨孔CT探测及层析成像方法，包括如下步骤：
步骤1：在拟探测区域钻孔，得到第一钻孔和第二钻孔；
步骤2：将一串检波器置于第一钻孔内，检波器通过第一电缆与地震仪连接；
步骤3：将激振设备放入第二钻孔内，所述激振设备可上下自由移动，并通过第四电缆与激发控制***连接；
步骤4：所述激发控制***内置触发开关，所述触发开关通过第二电缆连接地震仪，所述激发控制***激震的同时触发开关的电信号通过第二电缆传至地震仪，所述地震仪通过第一电缆拾取并记录检波器采集到的直达波信号，地震仪将记录的直达波信号通过第四电缆传输到计算机上；
步骤5：所述计算机根据采集到的直达波信号拾取初至波走时，对探测区域进行单元划分，计算各单元波速；
步骤6：进行波速CT层析成像，合成波速等值线图；
步骤7：根据所述波速等值线图上的波速异常处，判定溶洞位置和溶洞尺寸。
优选的，所述激振设备和检波器均位于地下水位以下，保证地震波的接收质量。
优选的，所述步骤5中，采用射线追踪法计算各单元波速。
有益效果：本发明提供了一种快速、高效且精度较高的的地下岩溶探测装置和方法。采用一串12个主频100Hz的检波器可深入到钻孔内任意深度，检波器与岩石间通过孔内的水或泥浆耦合，将电火花震源放入钻孔内激发，电火花震源的深度可人为控制，克服了以往地表激发探测深度受限制的缺陷。所用地震波穿透力强，激发和接受钻孔最大间距可达50m以上，与地质雷达探测法相比，具有探测范围大（特别是深度大）的优势。通过编写的Matlab程序可快速计算探测范围内的岩体波速，并绘制波速等值线图（层析成像），可判定溶洞位置和大小。
传感器采用一般的地震检波器，价格低、可重复使用不易损坏。传感器、地震仪、电脑等设备简便、体积小、质量轻，携带方便，采集和信号处理软件操作简单，使用效果好，电火花震源电源220V，一般小型发电机即可满足要求。在Matlab上编写的程序可快速对采集数据进行处理。
一般可根据地震仪通道数向厂家定制检波器，如24道地震仪可定制一串24个检波器（本发明采用24道地震仪，钻孔内一串12个检波器接受地震波），可加快探测速度。
附图说明
图1为本发明地下溶洞地震跨孔CT探测及层析成像装置的结构示意图；
图2为探测区域网格剖分及射线追踪示意图；
图3为波速等值线图；
图4为溶洞位置图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1、2所示，本发明具体实施方式如下：
（1）在拟探测区域钻孔（一般可利用勘察方案布置的钻探孔，分为第一钻孔13和第二钻孔14）至所需深度，对钻孔内做适当进行处理：对钻孔内的掉石进行清理，以保证检波器和电火花震源可下至所需达到的深度。
（2）检波器安放：将一串检波器1-12放入第一钻孔13内，检波器垂直间距满足设计要求，检波器通过第一电缆17与地震仪19连接。确保12个检波器均位于地下水位以下，保证地震波的接收质量。
（3）震源安放：将电火花震源15放入第二钻孔14内，通过第四电缆23与激发控制***16连接，并保证震源可在钻孔内可上下自由移动。本发明采用升压最大可达10000V的激发控制***，最大探测（激发、接受）距离（即第二钻孔14和第一钻孔13之间的距离）可达50m以上。
（4）发电机22作为电源，连接激发控制***16，激发控制***16内置触发开关（未图示）通过第二电缆18连接地震仪19，激发控制***16激震的同时触发开关电信号通过第二电缆18传至地震仪19，地震仪19通过第一电缆17拾取并记录检波器采集到的直达波信号，地震仪19将记录的直达波信号通过第三电缆20传到便携式计算机21上。
（5）根据采集到的地震波信号（即直达波信号），拾取初至波走时。
（6）进行波速CT层析成像：
a.数据处理
根据射线追踪方式，将成像方形剖面划分为 
×n个小正方形单元（像元）。假设慢度函数
在第
个小方格内为一常数
（
）；第条射线的走时为
（
）；第
条射线在第
个像元中的射线
长度为
。则
沿
的Radon变换为
式中，
表示长度，则第条射线的射线走时方程的离散形式可写为：
即 
（2）
对所有的条射线可得如下的矩阵方程：
即 
（4）
式中：
—距离矩阵；
—慢度向量；
—走时向量。若能从（4）式反解出慢度向量，并对每一元素取其倒数，便得到了速度向量。
b.成像
CT层析成像就是将每一像元对应的波速合成一张波速等值线图。将计算得到的波速视为每一像元几何中心的速度值，对这些点采用合理的插值手段（本次采用MATLAB中自带的格点样条内插法），即建立起了一张空间曲面
。以
截该曲面，截得的曲线在
面上的投影即为所求的波速等值线图。
7、图像解译
根据波速等值线图上波速异常处（一般岩石波速较高，溶洞处波速低），确定溶洞位置和溶洞尺寸。
具体实施时，检波器和电火花震源可下至孔内任意深度，激发点间距可根据初勘时发现的溶洞大小进行调整，溶洞较小时，激发点密度可适当增大，检波器间距也可适当减小；当溶洞较大时，激发点密度可减小，检波器间距也可增大，一般激发点和检波器间距为1m时即可获得较为满意的结果。这里所说的激发点间距，即为电火花震源15在第二钻孔14中自由移动时，相邻两次移动之间的间距。
数据处理和解译时，一般激发点和检波器密度越大，计算结果越精确，信号效果较差的个别通道可以剔除，不参与层析成像。
工程实例：
某地铁工程其中一段穿越石灰岩地层，该地层中发育小型溶洞，溶洞尺寸一般为几十工分到2m，工程勘探目的是了解20～40 m深度钻孔周围的岩溶发育情况。但岩体上覆盖层厚度一般为10-20m左右，采用地质雷达探测发现，由于厚覆盖层中电磁波能量衰减较强烈，探测范围将受到限制，探测结果不理想。后采用跨孔CT法，钻孔深度为50m，间距为20-50m。
以G72和G73钻孔跨孔CT探测结果为例，得孔间岩体内波速等值线如图3所示，图中波速低处（深黑色区域）为溶洞位置。
钻探验证溶洞位置如图4所示，可见跨孔CT探测结果与钻探结果基本一致，图中的地震波接受孔即为前述的第二钻孔，图中的地震波激发孔即为前述的第一钻孔。
Claims (9)
1.一种地下溶洞地震跨孔CT探测及层析成像装置，包括一串检波器、激振设备、激发控制***（16）、第一电缆（17）、第二电缆（18）、第三电缆（20）、第四电缆（23）、地震仪（19）和计算机（21），在地表设有垂直的第一钻孔（13）和第二钻孔（14），所述多个检波器置于所述第一钻孔（13）中，所述检波器通过第一电缆（17）连接地震仪（19），所述激振设备置于所述第二钻孔（14）中，该激振设备可上下自由移动，并通过第四电缆（23）连接激发控制***（16），所述激发控制***（16）通过第二电缆（18）连接地震仪（19），所述地震仪（19）通过第四电缆（23）连接计算机（21）。
2.根据权利要求1所述地下溶洞地震跨孔CT探测及层析成像装置，其特征在于：所述检波器的数量为12个。
3.根据权利要求1所述地下溶洞地震跨孔CT探测及层析成像装置，其特征在于：所述激振设备和检波器均位于地下水位以下。
4.根据权利要求1所述地下溶洞地震跨孔CT探测及层析成像装置，其特征在于：所述激发控制***（16）内置触发开关，所述触发开关通过第二电缆（18）连接地震仪（19），所述激发控制***（16）激震的同时触发开关的电信号通过第二电缆（18）传至地震仪（19），所述地震仪（19）通过第一电缆（17）拾取并记录检波器采集到的直达波信号，地震仪（19）将记录的直达波信号通过第四电缆（23）传输到计算机（21）上，所述计算机（21）根据该直达波信号，拾取初至波走时并进行波速CT层析成像。
5.根据权利要求1所述地下溶洞地震跨孔CT探测及层析成像装置，其特征在于：相邻所述检波器的间距为0.5至1米。
6.根据权利要求1所述地下溶洞地震跨孔CT探测及层析成像装置，其特征在于：所述地震仪（19）为浅层地震仪，所述计算机（21）为便携式计算机，所述激振设备为电火花震源（15），所述检波器为三分量检波器。
7.一种地下溶洞地震跨孔CT探测及层析成像方法，包括如下步骤：
步骤1：在拟探测区域钻孔，得到第一钻孔（13）和第二钻孔（14）；
步骤2：将一串检波器置于第一钻孔（13）内，检波器通过第一电缆（17）与地震仪（19）连接；
步骤3：将激振设备放入第二钻孔（14）内，所述激振设备可上下自由移动，并通过第四电缆（23）与激发控制***（16）连接；
步骤4：所述激发控制***（16）内置触发开关，所述触发开关通过第二电缆（18）连接地震仪（19），所述激发控制***（16）激震的同时触发开关的电信号通过第二电缆（18）传至地震仪（19），所述地震仪（19）通过第一电缆（17）拾取并记录检波器采集到的直达波信号，地震仪（19）将记录的直达波信号通过第四电缆（23）传输到计算机（21）上；
步骤5：所述计算机（21）根据采集到的直达波信号拾取初至波走时，对探测区域进行单元划分，计算各单元波速；
步骤6：进行波速CT层析成像，合成波速等值线图；
步骤7：根据所述波速等值线图上的波速异常处，判定溶洞位置和溶洞尺寸。
8.根据权利要求7所述一种地下溶洞地震跨孔CT探测及层析成像方法，其特征在于：所述激振设备和检波器均位于地下水位以下。
9.根据权利要求7所述一种地下溶洞地震跨孔CT探测及层析成像方法，其特征在于：所述步骤5中，采用射线追踪法计算各单元波速。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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