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1、多波列浅层地震勘探新技术在岩土工程勘察中的应用与研究林胜天（福建省建筑设计研究院）提要本文根据近年来多波列浅层地震勘探的试验研究成果和若干大型岩土工程项目的实践经验，论 述浅层高分辨反射波技术、多道瞬态面波技术和高密度地震图像技术不失为当前很好的岩土工程勘 察新方法。该项技术在测定岩土物理力学参数、评价软土地基加固处理效果、提供地基抗震设计参 数以及探测地下空洞和掩埋物等方面均有良好的应用前景和推广应用价值。关键词浅层高分辨反射波技术多道瞬态面波技术高密度地震图像技术一 前言多波列浅层地震勘探技术是一种新兴的岩土原位测试勘察方法。充分利用了地震波传播中产生 的折射波、反射波、直达波、面波及转换
2、波特性，根据不同的勘察对象，可选择采用其中一种波或 综合采用多种波进行解释、推断，使得浅层工程物探勘察手段能够真正达到高精度、高分辨、定量 化。近几年来，由于引进了一些国外优秀浅层地震仪及我国自行开发的大量智能化地震仪，使传统 的折射法、反射法地震勘探在岩土工程勘察中得到应用和推广，尤其是我国自行研制的高分辨、高 精度、智能型仪器一一SWS-1&2型多波列数字图像工程勘察与测试仪及其配套的先进数据处理软件 的开发成功，使多波列浅层地震勘探技术在岩土工程勘察中崭露头角。我院从1993年以来开展了浅层高分辨反射波技术，多道瞬态面波技术和高密度地震图像技术等勘察新技术新方法的试验研究与应用工
3、作。从研究成果来看，它不但能在初勘阶段作为一种普查的 方法，而且在多层或高层建筑地基详勘中也能作为钻探的重要辅助手段，减少了钻孔、测试数量， 降低了勘察费用，提高了勘察工作效率，为城市岩土工程勘察提供了一种快速、廉价和较为有效的 手段。二浅层高分辨反射波技术浅层高分辨反射波技术是利用横波的波速低、波长短、分辨率高，不受潜水面影响，在不同介质的分界面上不产生转换波 等诸多优点，采用小道距，小偏移距共反射点多次迭加方法追踪层位， 并在数据处理中，进行岩土介质速度扫描。为了掌握该技术的实际应用效果，我们首先对省外贸大楼（即东方大厦）和宏利大厦等已详勘的高层建筑工程场地进行了试验研究。在试验研究基础上
4、，在泉州名流国际广场高层建筑工程场地， 应用了该项技术进行了岩土工程勘察工作。工程实践证明，凡建筑场地具有良好的地震地质条件， 场地各土层的波阻抗差异较大和有较强的反射系数，一般均能取得令人满意的结果。在福州东方大厦和泉州名流国际广场进行了土层波速测试，得到了各土层的密度和弹性波速，9计算出场地各土层的波阻抗和反射系数。见表1:福州东方大厦泉州名疵广场序号土屋名称波阻抗反射系数序号i土 JS名称|波殂抗反射系数杂填土I粉康帖土.2711-0 J572粘 土翡刖2WZ-O.Z290J410.2993缺 泥1S083中砂央泰泥2387d扮质粘土 fl)4粉味粘土4J98一。血8-G.Q775皓泥厦
5、土 (1】3902.S5漫泥质土3如0.2970.199& -粉厩粘土 (2)|72006砂嘛卵石9194-fl0.20G7雄泥质土口)43707强风化岩137500.179>0.22?8尹积砂成粘土6270*中-微风化岩>7?18400.3569强风化岩132000.14710瞄零风化专17750表1从表中可看出，两场地不但强风化岩和中一微风化岩有较强的反射系数，淤泥、淤泥质土以及其它层位：如粉质粘土、碎卵石层也有较强的反射系数。因此，可以认为横波勘探在福建沿海地区均有良好的地震地质条件。这次横波反射法浅层地震勘察工作，采用SWS-1型面波仪和美国 ES-1225信号 增
6、强型的数字化工程地震仪，并通过试验确 定震源激发方式，接收排列方式，滤波参数 和最佳接收时间，反射波资料采用 CSP浅层 反射处理系统进行处理。图1为东方大厦采用6次水平叠加，经 CDP软件计算机处理后形成的反射时间剖 面。从图上看出有2条非常明显的同相轴线T1和T2,根据测井资料分析，这两条线分rTiTTTrTTTTTl T 1TT 1 1别对应着淤泥底面和强风化岩顶面，这与先前分析的淤泥和强风化岩具有很强的反射能力是一致，在图1剖面六次水平迭加时间剖面图T1与T2之间仍有一些同相轴，这是淤泥和强风化岩之间的反射层所 致。图2为根据时间剖面解 释推断出的工程地质深度剖 面。图3为本工程通过勘
7、察 所获得的工程地质剖面图， 它与图2的横波反射法解释 的深度剖面对比可看出，二 者主要大层的分布规律和深 度是相当吻合的。图2 II-II剖面推断深度剖面图图3钻孔地质剖面图as-fed忍笠踏密含图4 IV-IV剖面 横波反射法地震勘探时间剖面图5: TI对应着淤泥底界面，T2对应着粉质粘土顶界面,i图4为泉州名流国际广场， 采用6次水平叠加，经 CSP3.3 版本软件系统对所采集的数据 进行计算机处理，形成有代表性 的反射时间剖面。从图上可以比 较清楚地看出存在四条同相轴。T1出现在100 150ms之间，T2 出现在约250ms处，T3出现在 280-310ms处，T4出现在 320-3
8、40ms处，据六个波速测井 资料分析，推断出的工程地质深度剖面见图T3对应着砂砾卵石层顶界面，T4对应着中等风化岩顶界面。从整个场地深度剖面图可以看出各主要土层呈层状分布，图 5钻孔位置处各土层地震勘探的解释深度与图6钻孔剖面图中各土层分布对比，基本相符，钻孔之间各土层界面基本无大起伏。但在图4反射时间剖面图上，17#与18#钻孔之间，T4同相轴即中等风化岩顶面有一段起伏较大，推断该处可能有三条断层F1、F2和F3所致。IVIV0 一，5一0-IOOJS.0- -10 0-.TO*lf ，土荔成瓶珍J5的唳-25 0； -300图6钻孔地质剖面图多道瞬态面波技术瞬态面波技术是利用瑞利波的频散特
9、性和传波速度与岩土物理力学性质的相关性进行土层划分、研究岩土的工程性质，评价软土地基加固处理效果，探测地下空洞和掩埋物，并为抗震设计提 供岩土力学参数等，可以解决诸多的岩土工程问题。由于面波技术与其它地震波法相比有如下几个 方面的特点：1. 浅层分辨率高是其它弹性波无法与之比拟的，在15-20m深度内，其勘探精度可达分米级；2. 不受各地层速度关系的影响。折射波要求下伏层速度大于上伏层速度，反射波法要求各层具有明显的波阻抗差异；3. 场地工作条件要求不高。近年来，我们在建筑抗震评价场地土类型的划分与场地类别的确定中，首先应用了瞬态面波技术。由于瞬态面波技术测定土层波速，一无需钻孔，在地面即可完
10、成测试；二是实测的Vr值，直接反映了测试深度以上各土层的加权平均速度，并可通过Vr与Vs换算关系得出 Vs值。因此，应用面波技术已为厦门建南大厦、永春邮电大楼、省体育馆、福州公安局科技楼等数十项工程中提供了 抗震设计参数，取得了良好的效果。最近为了解瞬态面波勘察技术方法的实用效果，我们选择南平长富花园高层建筑场地进行试验工作。另外，为查明兰州（中川）机场扩建工程场地暗埋的砂坑、空洞、塌陷体等不良地质体的形态和分布，我院与北京水电物探研究所合作，采用多波列数字图像工程勘察仪SWS 2型，利用多道瞬态面波技术和高密度地震图像技术、高分辨地震反射波技术进行了适用性和有效性试验。图7瞬态面波频散曲线及
11、两条剖面各土层2）相比较可看出误图7为利用长富花园 场地十个钻探点位上实测 的瑞利波及Vr测点频散 曲线，编制的两条解释剖 面图。从图中可以看出在 地表以下35.0m深度范围 内可分为三大层，自上而 下第一层：Vr = 261.0 312.3m/s,厚度 5.74 10.71m ;第二层：Vr = 432.5501.0m/s,厚度 1.92 13.67m；第三层： Vr = 700.8 705.8m/s。从瞬态面波勘察资料与场地四个剪切波速测试孔揭示的土层和波速值（表差很小，能用其进行土层工程特性的评价，基本上能够满足设计要求。表2序 号深度（m）土层名称剪切波速Vsm/s深度（m）瑞雷波速V
12、rm/sVr换算Vs值 m/s1#钻孔1#测点17.9含块石填土287.99.03276.0296.8211.2强风化（粉）砂土574.611.9478.1514.13中等风化砂岩841.3851.5915.55#钻孔5#测点19.4含块石素填土341.39.51280.6301.8217.0强风化砂岩617.716.8461.8496.63中等风化砂岩748.6662.4721.77#钻孔7#测点19.7含块石素填土328.59.25250.3269.1217.8强风化（粉）砂岩579.818.2520.9560.13中等风化砂岩739.5671.2721.79#钻孔9#测点19.5含块石素
13、填土356.09.94276.5297.3218.0强风化砂岩564.722.3496.0533.23中等风化砂岩712.6702.8755.6图8-1为兰州（中川）机场扩建工程场地正常地层瞬态面波采集的时距曲线，图8-2为正常地层瞬态面波频散曲线。图上曲线连续，光滑，拐点对应地层界线清楚，勘探深度达40m，图8-3根据频散曲线分析计算，该处可分为五层：第一层为地表下2.8m以上，平均波速为 Vs=17lm/s；第二层为 2.8 4.5m, Vs=194m/s ;第三层为 4.5 7.5m, Vs=214m/s ;第四层为 7.5 10.2m, Vs=217m/s； 第五层为10.2m以下，V
14、s=350m/s。0ms.SOmsL lOOms-I $Oms 200msF i J 3 mm顼m '川附*» j450ms-500ms 卜图8-1正常地层瞬态面波采集时距曲线图9为9#异常处瞬态面波频散 曲线及地下空洞位置。从频散曲线可 明显看出：在空洞两侧频散曲线连续， 拐点处反映正常地等界面，在空洞上 方频散曲线发生较大回折或断点，根 据频散曲线上约8.0m以下波速急剧下 降的特征，因此确定洞顶埋深约 7.5m, 洞宽约6.0m 该异常处已被钻探验 证，与面波勘察推断完全一致。图8 2正常地信球态面波频散曲线图瞬态而波麴散曲线H <|H.思9九号异常姓褊寿面波颊曲
15、及地下不良地康伸的拿理解雅四高密度地震图像技术高密度地震图像技术上近两年来随着我国高新技术成果SWS 2型智能化多波列数字图像工程勘察仪的开发应用发展起来的一种新兴的勘察测试技术。它采用纵波反射法单点激震多点接收和数 据连续快速采集与存储以及相应软件支持的施测方法，使地下剖面经彩色图像表示出来。这种方法 效率高，反映的地下地质体形态逼真。该方法还弥补了地质雷达不适应低阻环境勘察的不足，获得 的弹性物理资料方便工程判断。通过配备水上检波装置和水上冲击震源，实现无气泡效应干扰、宽 频、快速和高密度采集，解决了多年来水上弹性波勘察中气泡效应严重干扰的困惑，为水上勘探增 添了一种新技术，该勘察技术已在
16、兰州（中川）机场扩建工程不良地质体勘察和跨海特大桥海上地质勘图10高密度地祓映象剖面察等工程得到了应用。对缩短勘察周期、降低工程造价，提高 勘察成果质量做出了重大贡献。察成果，从剖面图中看出空洞附近产生了极强的绕射波，并将正常地层切割，由此形成了极为明显的空洞形态， 经计算洞顶 埋深约7.5m，洞宽约9.0m,已被钻探验证，完全符合。图11图10为兰州（中I ）机场扩建工程采用高密度地震图像勘图11为海上高密度地震图像 9#勘探测线彩色剖面图，从图中可以看出水下地形、基岩面起 伏形态、覆盖层中有规律的同相轴一一有的是连续的、有的是断断续续的。在图像中可以看到基岩 面有较清楚的地震绕射波，这种特
17、征充分反映基岩面是起伏不平的。图12图12为9#测线高密度地震 图像勘探解释剖面图，图中 覆盖同相轴经与钻探资料对 比，较明显的同轴 T1为中 砂层底面；T2为淤泥混砂底 面（局部地段为中细砂顶 面）;T3为淤泥质粘土顶面； T4为砂质粘土顶面。在中微风化基岩强反射波同相轴的上部，有一较弱的反射波同相轴，该同相轴的特征与基岩强反射波同相轴具 有相似性，但由于强风化岩顶界面上覆盖的一基本连续的砂质粘土，二者的物性差异不十分显著， 这是强风化面反射波同相轴相对软弱的原因。近年来由于我国高新技术成果SWS2型多波列数字图像工程勘探仪和先进的工程检测支持软件系统的开发应用，浅层地震勘探方法有了长足进步
18、和实践性发展。因此，可以认为高分辨反射波、 瞬态面波和高密度地震图像等三种技术方法，不失为当前很好的岩土工程勘察新方法，在评价建筑 场地岩土工程问题中具有很良好的应用前景，今后将取得更大的社会和经济效益。1. 浅层高分辨反射波、多道瞬态面波和高密度地震图像等勘察技术方法，对不同性质和要求的 岩土工程项目，有其互补性。因此，在方法选择上应根据建筑场地的工程地质与地震地质条件，通 过适用性和有效性试验予以确定，也可采用多种方法相互验证，以提高准确度。若能重视激振方式 和检波器的选择加大激发能量，提高激发频率，定能收到更加满意的效果。2. 多波列浅层地震勘探，实测资料反映清晰、明确、资料解释可以达到定量标准，探测的地质 体可达到“一浅二细”的效果；浅是主要查明基岩及其上覆土层的分布；细是不能漏掉土层中的软 弱薄层和不良地质体。同时能为钻孔之间地质体的内联外推提供资料依据，并对评价地基加固处理 效果和指导桩基础施工能起到重要的作用。3. 近年来多波列浅层地震勘探新技术新方法，经过若干大型工程项目的试验、研究与应用工作,已取得了令人满意的成果。因此，在测定岩土物理力学参数、岩土工程勘察、软土地基加固处理效果与评价、提供地基抗震设计参数以及地下空洞和掩埋物探测等工程项目中均有进一步推广应用的 价值。