單點(diǎn)反射波法是近年來在應(yīng)用地球物理領(lǐng)域內(nèi)逐漸發(fā)展成熟起來的一種精度高、工作簡(jiǎn)單的新方法，它是一種小偏移距、單道(或多道)連續(xù)采集的地震波近角反射法。根據(jù)近期我們對(duì)單點(diǎn)反射波法的探測(cè)原理及應(yīng)用情況的試驗(yàn)研究，引入“高分辨率”探測(cè)理念，通過改進(jìn)該方法常規(guī)的一些探測(cè)模式，選用特殊的配套設(shè)備，將其應(yīng)用于隧道干擾嚴(yán)重、三維狹窄空間復(fù)雜環(huán)境下的淺層巖溶探測(cè)，其工作布置如圖5-1所示。

圖5-1單點(diǎn)反射波法工作布置示意圖

在隧道中采用單點(diǎn)反射波法進(jìn)行隱伏巖溶的探測(cè)，其測(cè)線布置、地震儀器、震源激振方式、接收器耦合條件等與地面二維空間相比，復(fù)雜程度高。特別是對(duì)于宜萬鐵路復(fù)雜巖溶隧道來說，要取得好的應(yīng)用效果，必須充分考慮其現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量及有效性，因此，在方法的應(yīng)用條件、儀器配套設(shè)施工作性能、外業(yè)數(shù)據(jù)采集參數(shù)選取等方面進(jìn)行了探索。

一、高性能設(shè)備的選取

選取合理、高效的探測(cè)設(shè)備是進(jìn)行隧道基底隱伏巖溶探測(cè)的關(guān)鍵，而設(shè)備的記錄系統(tǒng)則是整個(gè)物探探測(cè)結(jié)果集中處理的載體。但衡量一種儀器記錄系統(tǒng)性能的標(biāo)準(zhǔn)主要包括記錄精度(數(shù)據(jù)數(shù)字化位數(shù))、噪音電平、動(dòng)態(tài)范圍三個(gè)方面。因此，對(duì)地震儀器的選取需要滿足以下基本的要求：①地震儀要具有高放大倍數(shù)、大的動(dòng)態(tài)范圍、較寬的通頻帶;②地震儀要有畸變孝精度高的性能;③具有良好的一致性。同時(shí)，在隧道復(fù)雜空間內(nèi)工作，所需要的地震儀器還要體積孝重量輕、操作簡(jiǎn)便及耗電量小，且儀器堅(jiān)固，能適應(yīng)于潮濕、粉塵大的各種極端的環(huán)境。

綜合以上特性，我們對(duì)比試驗(yàn)了國(guó)內(nèi)外多種常用地震儀，最終確定選取各方面儀器性能均較優(yōu)良的美國(guó)GEOMETICS NZ-24高分辨率信號(hào)增強(qiáng)型地震儀用于外業(yè)數(shù)據(jù)的采集。

二、試驗(yàn)合適的震源系統(tǒng)

選取震源系統(tǒng)是高分辨率地震勘探系統(tǒng)工程中的首要環(huán)節(jié)，是提高地震反射波法分辨率的先決條件和基礎(chǔ)，可以說震源系統(tǒng)的效能關(guān)系著單點(diǎn)反射波法在隧道中有效應(yīng)用的成敗，下面將對(duì)在項(xiàng)目應(yīng)用研究中采取的兩種震源系統(tǒng)工作性能作詳細(xì)分析。

1. 錘擊震源系統(tǒng)

錘擊震源因其經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)采集效率高而廣泛應(yīng)用于淺層工程常規(guī)地震勘探中，如圖5-2所示，該系統(tǒng)由大錘、金屬墊板、錘擊開關(guān)和連接電纜組成。在潮濕、牢固和堅(jiān)硬的地層上使用激發(fā)效果較好，獲得的信號(hào)頻率較高，而在隧道中未鋪底、填筑碎石碴較多、開挖干燥疏松的地表層上激發(fā)效果較差。

圖5-2錘擊震源

錘擊震源使用時(shí)，既可與金屬墊板配合使用，也可單獨(dú)與錘擊開關(guān)配合使用。根據(jù)隧道基底結(jié)構(gòu)情況，采用以下幾種組合方式進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證：

(1)錘擊金屬墊板。一般使用在鋪底面松散、填筑碎碴層較多的地段。

(2)隧道基底鋪面。隧道基底鋪面地表結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬地段，可直接錘擊墊層面。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，直接錘擊墊層面比錘擊金屬板所得到的地震波信號(hào)更多地反映了客觀地質(zhì)條件的變化，所產(chǎn)生的“系統(tǒng)干擾波”相對(duì)要校究其原因，錘擊地面時(shí)，鐵錘與地面接觸時(shí)為金屬與非金屬材質(zhì)間的作用，產(chǎn)生的聲波干擾因素較小;錘擊時(shí)，鐵錘由于沖擊彈性碰撞作用瞬間即離開地面，地面為一整體堅(jiān)固層，自身只能產(chǎn)生一個(gè)很微弱的后續(xù)震蕩，從而地面地震低頻震蕩波信號(hào)微小，可忽略不計(jì)。在錘擊鐵板時(shí)則由于鐵錘與鐵板之間為金屬材質(zhì)間的碰撞，帶來的聲波干擾極大，同時(shí)鐵板在受到錘擊作用后，鐵板與地面之間還要產(chǎn)生一段時(shí)間的“晃蕩”，從而使后續(xù)的地震波低頻震蕩干擾信號(hào)較強(qiáng)。

鑒于以上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及原因分析，我們提出：在采用錘擊震源時(shí)，應(yīng)在隧道鋪底完成后進(jìn)行，盡量使用錘擊開關(guān)，采用錘擊鋪底面的方式進(jìn)行，而不宜采用錘擊金屬板的方式。

圖5-3單道記錄對(duì)比圖

(3)小錘小能量垂直疊加與大錘大能量激發(fā)。通過試驗(yàn)結(jié)果分析，采用小錘小能量激發(fā)可使質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的位移符合小形變和小位移。

具體采取的試驗(yàn)方式是，選取各種不同場(chǎng)地，在保證能量大小基本相同的情況下，采用4磅小錘進(jìn)行小能量垂直疊加技術(shù)與14磅大錘大能量一次激發(fā)相比較，以了解在兩種情況下地震波波形、頻率方面的變化特征及差異情況。圖5-3為在某隧道基底進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果，在對(duì)比圖中取了第一道進(jìn)行說明，圖中左邊一道波形為4磅小錘進(jìn)行小能量激發(fā)，采用3次垂直疊加技術(shù)得到的波形，右邊一道波形為14磅大錘大能量一次激發(fā)得到的波形記錄，二者震幅大小基本相同，對(duì)地層結(jié)構(gòu)的整體反映情況是相似的，但從細(xì)微特征上分析，二者的差別也比較明顯，左邊小能量疊加記錄波形明顯較尖銳，右邊大錘無疊加記錄則波形較“胖”，表明小能量垂直疊加得到的地震波波長(zhǎng)要短，頻率稍高。此外，通過垂直疊加技術(shù)對(duì)提高地震波記錄的信噪比也大有益處。

采用錘擊震源雖然方便快捷，但其在隧道中使用時(shí)弊端也很明顯，具體表現(xiàn)為：

①錘擊金屬板在隧道狹窄巷道空間中聲波震蕩干擾極大，且其激發(fā)地震波主頻較低，干擾面波能量極強(qiáng)。

②錘擊時(shí)采用人工操作，每次擊打作用力的大小受人的主觀意識(shí)作用較大，使得各道激發(fā)能量難以均衡控制。

③隧道環(huán)境潮濕，隧道基底面經(jīng)常積水積泥，人工錘擊時(shí)操作不便，且積水經(jīng)常容易造成錘擊回路誤觸發(fā)，極大地影響工作效率。

2. 研制震源系統(tǒng)

通過震源系統(tǒng)的對(duì)比研究，最終選取了國(guó)產(chǎn)的 “HX-GMM-SI50DA型稀土超磁致伸縮地面震源”系統(tǒng)用于項(xiàng)目的試驗(yàn)研究(圖5-4)。這種超磁震源采用稀土材料和最新技術(shù)設(shè)計(jì)研制而成，具有頻率帶寬(1KHz)、余振孝延時(shí)短而固定、攜帶方便等特點(diǎn)，適合于在隧道內(nèi)用于單點(diǎn)反射波法探測(cè)。