地震映射法在基岩空洞探测中的应用

地震映射法在基岩空洞探测中的应用
陈文山1 ,蒋传琳1 ,张先哲2 ,邓洪亮3 ,付向科1 ,罗文启2
(1. 河南省煤田地质局 ,郑州 450009 ; 2. 河南省煤田地质局资源环境调查中心 ,郑州 450003 ;3. 北京工业大学 建筑工程学院 ,北京 100124)
摘要 :地下隐伏洞穴的工程性质关系到建筑物的安全和正常使用 ,现有的地下隐伏洞穴探测方法受到场地工程条件限 制 ,探测精度不足 ,采用地震映射法进行了建筑桩基基底空洞的工程实例探测与分析 ,探明了建筑桩基基底空洞的大 小 、形状和分布规律 ,工程验证结果表明准确度较高 ,取得了较好的探测效果 。 关键词 :地震映射法 ;桩基础 ;地质雷达 ;高密度电法 中图分类号 : TU459 文献标识码 :A 文章编号 :167221683 (2010) 0520109203
陈文山等 ·地震映射法在基岩空洞探测中的应用
越大 ;而在两个较强相位之间相对较弱相位的增加与减少 ,表 明两较强波阻抗界面间地层厚度变化 。从图 4 中检测曲线反 射波组追踪情况看 ,波阻抗界面基本与岩性界Байду номын сангаас埋藏深度趋 势吻合 ,通过反演计算得出泥岩波速 4 000 m/ s ,与煤系地层 波速规律一致 。
3 工程布置与探测
根据场地的施工条件和工程试验要求 ,3 号楼的桩底空 洞探测于 2008 年 7 月 3 日至 11 日进行 ,分别对 85 个嵌岩桩 桩底进行了基岩空洞探测 ,同时对 7 个桩孔进行了复测 ,检测 桩桩孔位置如图 2 所示 。
第 8 卷 总第 50 期 ·南水北调与水利科技 ·2010 年第 5 期 采用单只 18 Hz 地震检波器 ,探测时由于孔底积水深度超过 3 cm ,探测时先在桩孔内埋入钢管 ,钢管长 30 cm 、直径 8 cm , 上下封口 ,选用 5 磅手锤敲击钢管产生激发信号 ,为确保采集 资料的可靠性 ,每个桩孔都进行 2～3 个点位的检测 ,并将检 测记录存盘 。从检测和复测情况看 ,各检测点的反射系数和 反射波振幅基本一致 ,明显地反映了地下介质密度 、速度 、泊 松比的差异性 ,数据重复性与可比性良好 ,检测试验结果对比 如图 3 所示 。
第 8 卷 第 5 期 2010 年 10 月
南水北调与水利科技 Sout h2to2Nort h Water Transfers and Water Science & Technology
doi :10 . 3724/ SP. J . 1201 . 2010 . 05109
Vol.8 No .5 Oct . 2010
图 4 所示为工程场地 A 轴线桩孔探测曲线对比图 ,曲线 的相位强度和相位数存在着明显的相似性和渐变关系 ,这种 相位强弱和多少的变化 ,清楚地反射了地震波在地层中传播 中遇到波阻抗界面的异常情况 ,波阻抗界面分布规律与图 1 所示的地质柱状对比图也完全一致 。
图 2 工程检测桩位置示意图 Fig. 2 Diagram of engineering test pile 桩底基岩空洞探测工作使用国产 SWS25 型工程检测仪 ,
Abstract : The explorations of underground concealed cave could impact building safet y and proper use. The existing geop hysical detecting met hod was limited t he survey accuracy because of observation conditions and test met hods This paper had used t he seismic imaging met hod to detect and analyze t he engineering examples of empt y holes of underground pile , and proved up t he empt y basement size , shape and dist ribution of t he build2 ing pile. The result s had indicated t hat t he engineering test result s had high accuracy , and achieved good detecting result s. Key words : seismic imaging met hod ;pile foundation ; GPR ; high densit y resistivit y
图 3 7 号桩三次测试曲线对比图 Fig. 3 Co mparison Chart of NO. 7 pile t hree test curves
4 数据分析处理与验证
物探数据处理是一项复杂且耗时的重要工作 。在原始记 录数据可靠的前提下 ,能否获得用于地质推断的高质量时间 剖面 ,关键在于所用处理软件的质量和处理时所用的各种参 数 。由于过多的处理会剔除原始数据中的有用信号 ,甚至使 原始数据“失真”,所以本次采集到的地震记录都进行了数据 转换 、废道处理和频谱分析等初步处理 ,然后结合地质钻探资 料 、数据采集现场记录等资料 ,直接在时间剖面图上进行综合 分析与解释 ,判断出的地震响应异常的地质因素 ,圈定出空洞 发育区 。
为进一步验证探测结果的正确性和合理性 ,对场地西部 的 101 号桩桩底下伏地层等进行了钻探验证 ,结果表明 ,在桩 底下 21 6 mm 见一石灰岩溶洞 ,洞高 11 8 m 。
2. I nvesti gation Center of Resources an d Envi ronment , He′nan Coal f iel d Geolog y B ureau , Zhengz hou 450003 , Chi na; 3. T he Ci vil En gi neeri n g Colle ge , B ei j i n g Uni versit y of Technolog y , B ei j i n g 100124 , Chi na)
根据现场勘察和区域工程地质资料综合分析 ,工程场地 基础持力层下存在有岩溶空洞 、老窑采空区或采掘巷道的可 能 ,为消除这些潜在的安全隐患 ,对场地进行了基岩空洞探测 工作 。
图 1 工程场地地层柱状对比图 Fig. 1 Comparison of st ratigrap hic columns in engineering site
根据场地 A 轴线探测曲线的对比分析结果 ,对跨越 A 轴 线的其它方向的各轴线探测曲线进行对比分析 ,最终实现纵 、 横两个方向上曲线分析 ,并根据需要勾绘出任一断面上波阻 抗的变化曲线 ,发现波阻抗异常部位 。
经过对 3 号楼 83 个桩孔底检测数据分析发现 ,3 号楼工 程场地西部存在较强的绕射波 ,从其特征上看 ,推断在基槽下 部存在局部空洞 ,如图 5 所示 ,根据平面曲线判断 ,该空洞为 石炭系灰岩溶洞 ,埋深 3 m 左右 ,洞高大于 2 m ,呈条带状分 布 ,长度大于 41 5 m ,由场地内 091 号桩孔附近向西延伸 。
收稿日期 :2010207230 修回日期 :2010209206 作者简介 :陈文山 (19642) ,男 ,河南郑州人 ,工程师 ,主要从事工程地质等方面的研究 。
水文地质与工程地质 ·109 ·
© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
间剖面即为地下界面形态的反映 。地震映射法采用单炮激 发 、单道接收 ,通道偏移距相同 ,信号不需要进行动校正和叠 加等处理 ,没有浅层反射波的拉伸 、畸变影响 ,没有处理误差 , 可直接对资料进行数字分析 。
2 工程概况
山西省某工程场地位于老工业厂区 ,地貌原为黄土中低 山区 ,剥蚀冲沟发育 ,经人工堆填了建筑垃圾和粉煤灰等 ,目 前冲沟已基本填平 ,地基土在 20 m 以内主要为杂填土 ,分布 不稳定 ,厚度变化较大 ,均匀性差 。
大直径嵌岩桩是常用的一种建筑基础形式 ,根据相关规范 规定 ,施工时应探测桩底以下 3 倍桩径或 5 m 深度范围内空洞、 破碎带 、软弱夹层等不良地质体件 。利用常规勘探钻探手段只能 以点带面 ,勘察周期长 ,费用高 ,而且布置的钻孔数量和勘察范围 都有限 ,对于一些隐伏的不良地质情况难以进行准确探测 ,不能 从宏观角度上把握地质灾害发生的范围和方向 ,从而也很难查明 地质灾害体的整体空间分布特征 ,使地质灾害治理设计带有很 大的不确定性[125] 。地球物理探测方法可以探测地球物理异常 特征 ,为探测地质灾害的空间分布情况提供必要的前提条件 , 并具有低成本 、高效快捷 、效果直观等优点 ,但高密度电法 ,地 质雷达 ,电测深和浅层地震等方法均受到现场条件限制 ,探测 精度不足 ,影响到方法的推广应用[428] 。为快速提供基础地质 勘察资料 ,本文介绍了地震映射法探测原理 ,并对大直径嵌岩 桩桩底基岩空洞进行了工程探测 ,取得了良好的探测效果 。
Use of Seismic Imaging Method to Detect Empty Holes
C H EN Wen2shan1 ,J IAN G Chuan2lin1 ,ZHAN G Xian2zhe2 ,DEN G Hong2liang3 , FU Xiang2ke1 ,L UO Wen2qi2 (1. He′nan Coal f iel d Geolog y B ureau , Zhen gz hou 450052 , Chi na;
研究表明[2] ,地震映射法可以利用反射波 、折射波 、面波 等多种弹性波作为有效波来进行地下空洞等地质体综合探 测 ,根据探测目的要求 ,地震映射法也可以仅采用某一种特定 的地震波作为有效波探测某一深度特定的地质体 。地震映射 法采用自激发和自接收方式 ,炮检距小 ,激发点和接收点之间 的反射波基本垂直 ,测量点设在激发和接收距离的中点 ,数据 信号的信噪比较其它方法有较大的提高 。地震映射法由于测 量点设在激发和接收距离的中点 ,每个记录通道偏移距相同 , 地震记录在时间上的变化主要为地下地质体的反映 ,地震时
1 地震映射法工作原理及其特点
地震映射法即地震共偏移距法 ,是以相同的小偏移距逐
步移动测点接收地震信号 ,在地面或水面对地下地层或地下 目的物进行连续扫描 ,利用多种地震波信息来探测地下介质 变化的浅层地震勘探方法 ,其前提是地下介质密度 、速度 、泊 松比具有差异[122] 。根据地震法的反射系数和反射波振幅可 以分析出岩层界面波阻抗大小 ,还可以根据反射波中是否包 含有其它干涉 、绕射波 ,确定出下伏岩层是否为软弱层或有无 空洞存在 。
岩土工程勘察发现 ,区内杂填土厚度 17 m 左右 ,第四系的 粉质黏土 、黏土厚度 2 m 左右 ,其下伏地层为石炭系的灰岩 、铝 土质泥页岩及煤层 ,如图 1 所示 ,场地静水位埋深 610～615 m , 微具承压性 。建筑物采用大直径嵌岩灌注桩基础 ,桩长 12 m , 桩径 1 200 mm ,基础持力层放在石炭系的泥岩层上 。
·110 ·水文地质与工程地质
图 4 桩底地震曲线对比图 Fig. 4 Comparison chart of pile eart hquake curvet in end
由图 4 可以看出 ,反射波相位左偏越强 ,说明下伏地层相 对上覆阻抗越小 ,而右偏越强 ,则下伏地层阻抗相对上覆地层
© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net