工程地球物理技术的最新发展

工程地球物理技术的最新发展一研究内容的新进展1工程地球物理勘查场地2工程检测隧道桥梁3工程与地质病害诊治隧道边坡水库二技术方法新进展1地震方法进展反射地震成像隧道中的TST（赵永贵2003）、TRT（NSA2000）、TSP（瑞士1998）折射地震成像GEOCT（美国2000）跨孔地震CT、地面地震CT（赵永贵。1995-2006）2高密度电法进展深度，地形与电阻率校正，电阻率反演3地质雷达进展硬件改进，软件3D成像，应用桥梁检测4其它电磁方法GEM2-5TEM5超生相控阵成像反射地震浅海反射地震造山带地区构造复杂，地形起伏大，岩层断续，产状陡峻。反射地震CDP方法应用时叠加困难，效果不好，难于应用。反射地震CT是在地面或隧道内观测条件下，进行反射地震偏移成像的地震处理技术。该软件系统是由赵永贵博士开发的，专为解决山区地震勘探和隧道超前预报而开发的。地面勘探中定名为反射地震CT成像系统，隧道地质超前预报中定名为TST技术（TunnelseismicTomography)。观测方式类似于CDP的剖面方法，但是资料处理上采用速度扫描、深度偏移成像技术和走时反演成像技术。具有较高的速度分析精度和反射面定位精度。图像直观，便于复杂构造的组合分析。避免了CDP方法在山区叠加困难的缺点，克服了TSP方法不能准确确定掌子面前方为岩波速的缺陷缺点。反射地震CT技术1隧道内观测系统可按2D和3D空间布置，隧道两侧壁接收，每侧6道，共12道；2侧壁上检波器间距4-6m,埋入1.5-2.0m;3激发点2-4个,在掌子面或侧壁，埋深2-3m;4接收点和激发点可根据需要任意改变位置，增减数量；5观测系统也可布置在地表，构成地表反射CT成像系统。激发和接收点位置平视图俯视图隧道内TST的2D-3D观测方式造山带地区反射地震CT成像造山带地区地质构造复杂,产状陡峭,一般反射地震方法CDP难于叠加。地表反射地震CT（TST）技术可在地表进行观测，实现山区的反射地震成像，展现地下结构与构造的形态分布。避免了CDP叠加的困难，对观测系统的密集程度要求不高，特别适合山区应用。隧道超前预报TST反射地震成像隧道地震CT（TST）技术在隧道内进行观测，实现隧道内的超前预报。下图是反射界面深度偏移成像。红黄色代表由软变硬的岩石的界面，兰色、深兰色代表由硬变软的界面。蓝红组合表示断裂位置。TST隧道超前预报掌子面前方围岩速度扫描结果应用TST技术可对隧道掌子面前方围岩的波速进行扫描分析。在可靠的波速分析的基础上实现岩体工程类别划分和不良地质体定位，这与TSP相比有重大改进。TSP技术不能提供掌子面前方的波速分析，因而岩体类别划分和反射界面定位不准确。反射地震CT深度偏移图像在明珠隧道地表沿隧道轴线布置反射地震观测，进行深度偏移成，反映地质构造组合特征。地震反射CT走时反演成像利用反射波相拾取，自动进行逆波震面追踪，完成反射面成像。图像直观，客观反映复杂地质构造特征。透射地震CT技术与应用地震CT或称地震层析成像，指的都是透射CT。其基本思想是将地质体看成是由力学形状各不相同的地质单元体组成的。当地震波通过各单元体时所耗时间不同，能量衰减不同。通过地震波走时和能量的观测，可确定各单元体的力学性质。为此目的赵永贵（1995年）开发了地震CT系统软件，文中所列实例均为该软件计算结果。地震CT可进行地震波速成像和衰减系数成像。完整坚硬岩体波速高、衰减小，破碎松散岩体波速低、衰减强烈。因而地震CT对于岩性和构造分布具有很好的分辨能力。地震CT分辨率高、可靠性好、图像直观，很受工程界欢迎。目前多被用于重大、疑难工程的勘察、工程与地质病害诊断等项目。地震CT因观测方式不同，可分为很多种类。常见的是利用钻孔的跨孔CT，利用隧道的有隧道CT。利用山地沟谷也可以进行地震CT观测，在没有这些条件时，利用地表也可以进行CT观测，这就是地面地震CT。地面地震CT要求的观测场地小，可以利用直达的纵波或面波进行成像，研究近地表20米以内场地的三维地质结构，特别适于山区松散层、风化层、基岩三层结构的场地勘察。隧道与地表间的地震CT这是在山东界河金矿的勘探结果。隧道与地表构成CT观测系统，图中浅黄色是含金富矿体，深兰色是采矿回填区，深红色是未矿化的花岗岩。福建核电站跨孔地震CT图中红色为高速区，兰色为低速区。断面内浅部松散层、右侧破碎构造带、斜向节理裂隙带清晰可见。地面地震CT地面地震CT的激发与接收都布置在地表，利用直达波、面波、折射波可以形成地下浅层的CT成像，研究近地表20米以内的三维地质结构分布。本项研究是利用直达体波完成的地表10m以内的平均速度的图像。北京大型射电天文望远镜场地地面地震CT勘测结果福建核电站海域地面地震CT观测系统的射线正交性-10001002003004005001002003004005000.20.30.40.50.60.70.80.91.0地震CT勘测中有三个要素必须满足：1地震射线密度足够大，2射线正交性足够好，3射线总数大于单元体数。下图是福建核电站海域勘测时地面地震观测系统的正交性分布。表征射线正交性是用射线最大交角的正弦值，其值大于0.6足以。福建核电站海域地面地震CT勘测结果第1层波速分布(8m深）-10001002003004005001002003004005002.02.53.03.54.04.55.0福建核电站海域地面地震CT勘测结果第2层波速(15m深)-10001002003004005001002003004005002.02.53.03.54.04.55.05.5高速公路边坡地面地震CT勘测结果沿坡面周边进行激发和接收，利用直达纵波研究表层10m以内平均波速分布，反映边坡岩土介质力学强度分布。这是岩土改性前的勘测结果。清水沟2号隧道地震CT的勘测成果是3个垂直隧道轴向的波速分布图像，从波速图像中可以得到围岩地质结构的解释。隧道所处的围岩是白云质灰岩，节理裂隙发育，隧道通过部位有断层发育。图中红色区代表完整性较好围岩，黄色区代表中等风化的岩体，兰色代表强风化的岩体，深兰色代表松散层。其主要结论如下：清水沟2号隧道地震地质解释剖面CT上行出口下行入口+620+588+546清水沟2号隧道地震地质解释剖面CT上行出口下行入口+620+588+5461.隧道所处的山体边坡是稳定的，不存在山体滑坡的问题;2.隧道位置处于断裂破碎带中，开挖扰动在顶部围岩中形成的松动区，隧道顶部围岩存在局部不稳定问题；3．山体开裂与隧道衬砌开裂的几何形态和位置都是分离的，属于局部破坏，并不沟通。4建议隧道治理以加固围岩松动圈为主，径向6-8m围岩锚杆注浆加固。这些结果为隧道病害治理起了重要作用。地震CT用于清水沟2号隧道病害诊断加拿大TEM美国GEM5CoaxialGEM-5DevelopmentGEM-5Advantages•ImmunitytoMotion-InducedNoise–balancedreceiverscancelsnoiseduetosensormotionintheEarth’smagneticfield.•ImmunitytoAmbientEMNoise–thesensorisimmunetoambientEMnoise.Cart-mountedGEM-5HandheldGEM-3Receiver1Receiver2Transmitter1ReceiverTransmitterTransmitter2ConcentricCoils(GEM-3)ConfigurationCoaxialCoils(GEM-5)ConfigurationReceiver1Receiver2Transmitter1ReceiverTransmitterTransmitter2ConcentricCoils(GEM-3)ConfigurationCoaxialCoils(GEM-5)ConfigurationHandheldGEM-5GEM-5GEM-3GEM-2TXRX1RX2TEM在澳大利亚金矿勘测结果TEM在山东金矿的勘探结果高密度电法与应用经过不断的改进，目前的高密度电法的勘探深度可以超过400m，对含水地质体特别敏感，浅部最小分辨尺度可达0.5m，很适合山区复杂地质条件的勘探和隧道含水性的预报。高密度电法的供电电压目前可达到了1100V，采用多点供电方式，有效地保证了深部探测的信噪比；山区地形起伏，山高谷深，地形对探测的视电阻率有很大的影响。在山峰部位高密度电法探测得到的视电阻率偏低，在山谷部位偏高，必须进行校正，才能真实地反映地质对象的特征。在地形起伏较大的条件下，视电阻率点的位置也受地形影响，深度和水平位置都明显偏离水平表面时的位置，需要进行地形校正和变换，恢复到真实的位置，才能正确地反映地质体特征。赵永贵（2004）开发了高密度电法校正软件，对复杂地形的视电阻率剖面进行地形校正和电阻率校正，经过地形与电阻率校正的视电阻率剖面，地形与观测地形一致，图像更直观，更符合实际地质体性质与产状。高密度电法目前在高速公路的隧道含水性预报、工程与地质病害诊断、桥基和路面岩溶勘查、边坡勘查与治理中，广泛应用，效果很好。高速公路隧道含水性预报明珠隧道电阻率剖面160016501700175018001850190019502000160016501700175018001850190019502000k0+110k0+310k0+510k0+710k0+910k1+110k1+310k1+510k1+710k1+910k2+110k2+300k2+480k2+640k2+800k2+960k3+120k3+280k3+480高程m明珠隧道位于个旧至蒙自的高速公路上，长3.4km，探测深度420m。视电阻率剖面图中深蓝色为含水岩体，结构破碎，施工中易坍塌涌水。红色、黄色区为结构完整岩体，围岩稳定。25507510012515017520022525027530032535037540042545047550052555057560017001720174017601780180018201840186018801900192019401960下行线隧道上行线隧道冒顶中心左7m南溪河高程(m)图例隧道断面断层或构造范围和产状汇水范围与下渗通道和方向饱水区F2F4元磨高速公路大风垭口隧道地下水探测高密度电法探测剖面垂直隧道沿山谷布置，剖面长度1.2km，探测深度300m。探测结果表明：左侧山谷内地下60m深处有一个60m厚的含水层，向隧道渗流。右侧地表南溪河水源源不断地渗入不给地下，向隧道方向径流。隧道突水后在上方含水层中形成了60m深的下降漏斗。正常水头静压力超过120m。这些结果为隧道病害治理提供了科学依据。1020304050607080901001101201301401501601701801902001490150015101520153015401550桥桩1桥桩2桥桩3桥桩4桥桩5可能发育岩溶区可能发育岩溶区高程（m）个旧大屯个屯一级公路K7+197桥位E2等视电阻率分布图个屯公路桥基桥基岩溶勘查路基岩溶电阻率与雷达联合探测