專利名稱：一種地下溶洞地震跨孔ct探測及層析成像裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地下小型溶洞的探測領(lǐng)域，特別涉及一種地下溶洞地震跨孔CT探測及層析成像裝置及方法。
背景技術(shù)：
巖溶是在工民建、公路、鐵路環(huán)境等多方面的工程地質(zhì)勘查中，常常會(huì)遇到的情況。由于溶蝕作用使可溶巖表面石芽、溶溝叢生，參差不齊；地下溶洞又破壞了巖體完整性。巖溶水動(dòng)力條件的變化，使其上部覆蓋土層產(chǎn)生開裂、沉陷。地下巖溶常常以溶洞、地下廊道、地下暗河的形式表現(xiàn)出來，這些都不同程度地影響著建筑物地基的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的鉆孔資料難以對巖溶的發(fā)育規(guī)模、分布情況等作出合理準(zhǔn)確的評價(jià)，這就使得一些巖溶區(qū)工程地質(zhì)問題(滲漏、突水、地面塌陷等)的發(fā)生幾率大為增加，而一味的增 加鉆孔密度和鉆進(jìn)深度則必然大大增加勘察工作量。近幾年隨著地球物理勘探(簡稱物探)技術(shù)逐步應(yīng)用到工程勘察中來，這一難題已得到了較好的解決，常用的巖溶物探方法有
(I)地質(zhì)雷達(dá)探測法
探地雷達(dá)利用超高頻短脈沖電磁波在地下介質(zhì)中傳播特征，分析地下或結(jié)構(gòu)物內(nèi)部不可見的目標(biāo)體或分界面，進(jìn)行定位或判別。由于探地雷達(dá)是一種非破壞性探測技術(shù)，可以安全地用于城市和正在建設(shè)中的工程現(xiàn)場，工作工程區(qū)條件寬松，適應(yīng)性強(qiáng)；同時(shí)探地雷達(dá)的脈沖時(shí)域輸出功率大，抗電磁干擾能力強(qiáng)，可在城市內(nèi)各種噪聲環(huán)境下工作，環(huán)境干擾影響??；具有工程上較滿意的探測深度和分辨率，現(xiàn)場直接提供實(shí)時(shí)剖面記錄圖，圖像清晰直觀。探地雷達(dá)探測地下目標(biāo)體(如溶洞等)的原理是通過特定設(shè)備向地下發(fā)送脈沖形式的高頻、甚高頻電磁波。高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式，通過發(fā)射天線被定向送入地下，經(jīng)存在電性差異的地層或巖溶(目標(biāo)體)反射后返回地面，由接收天線所接收。高頻電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其傳播路徑、電磁場強(qiáng)度與波形將隨通過介質(zhì)的電性特征與幾何形態(tài)而變化。因此，通過對時(shí)域波形的采集、處理和分析，可確定地下分界面或巖溶一地質(zhì)體的空間位置及結(jié)構(gòu)。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，當(dāng)遇到存在電性差異的地下目標(biāo)體，如溶洞、分界面等時(shí)，電磁波便發(fā)生反射，返回到地面時(shí)由接收天線所接收。在對接收天線接收到的雷達(dá)波進(jìn)行處理和分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)接收到的雷達(dá)波形、強(qiáng)度、雙程時(shí)間等參數(shù)便可推斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性及幾何形態(tài)，從而達(dá)到對地下隱蔽目標(biāo)物的探測。地質(zhì)雷達(dá)采用高頻電磁波作為信息載體，電磁波能量在地下衰減較強(qiáng)烈，在厚覆蓋條件下，探測范圍(主要指深度上)將受到限制。(2)高密度電法勘探
高密度電法是一種有效工程物探方法。該方法是從常規(guī)電阻率法發(fā)展而來，其工作原理也與常規(guī)電阻率法大體相同。它是以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)。根據(jù)其施加電場作用下地下巖土體中傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，推斷地下不同電阻率的地質(zhì)體的分布情況。高密度電法實(shí)際上就是測定地下各種巖土體的電阻率。由于所測定電阻率值是在地下存在多種巖土體的情況下測得的，所以不是某一種巖石的真電阻率，它除受各種巖石電阻率的綜合影響夕卜，還與巖、礦石的分布狀態(tài)(包括一些構(gòu)造因素)、電極排列等具體情況有關(guān)，所以稱它為視電阻率。決定視電阻率大小的因素有①各巖層地質(zhì)體的真電阻率；②地下不同電性體實(shí)際分布狀況(各電性體的厚度、大小和形狀、埋藏的深淺)；③供電電極和測量電極的相互位置以及與不均勻電性層的相對位置。對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)先用反演軟件進(jìn)行了反演，但是反演誤差較大，如果用反演圖像來判斷地質(zhì)體的賦存情況，結(jié)果可靠度較低。在城市市區(qū)進(jìn)行探測時(shí)，有時(shí)電極只能布置在浙青或混凝土路面上，由于浙青或混泥土路面的導(dǎo)電率是非常低的，直接影響了電流的激發(fā)和傳播，因此在這種情況下得到的測量數(shù)據(jù)用來反演的話，效果將很不理想。(3)井地地震探測法
井地地震探測技術(shù)是采用地面激發(fā)，井內(nèi)布設(shè)檢波器，采用地震儀接受探測信號的方式，地面測線和任意布置，且可布置較密集的激發(fā)點(diǎn)，震源除了考慮滿足激發(fā)高頻地震波之夕卜，地面震源的選用要簡單易行，激發(fā)效率要高。常用的激發(fā)方法有淺井(小于lm)、瞬發(fā)雷管、淺井小藥量炸藥、重錘激發(fā)等方式。另外還要考慮現(xiàn)場情況對勘測的干擾，實(shí)測時(shí)應(yīng)避開。它利用地震波穿過地質(zhì)體后走時(shí)及能量的改變等物理信息，在計(jì)算機(jī)上重建地質(zhì)體內(nèi)部圖像，從而得到所研究地質(zhì)體的巖性、洞室及構(gòu)造分布。該方法圖像直觀、分辨率高、信息量大、可靠性好，可以清楚地反映所研究區(qū)域的覆蓋層分區(qū)、巖性分布與構(gòu)造特點(diǎn)，用來研究第四系覆蓋層的分布、厚度以及基底埋深、風(fēng)化分層、厚度及基底節(jié)理、斷裂等構(gòu)造，可以用于淺部隱伏礦體勘查、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)、工程場地評價(jià)等方面。同時(shí)，該方法實(shí)施簡單，操作方便，效果明顯。井地地震探測法雖然易于操作，精度較高，但也同樣存在探測深度范圍受限制、且受地面干擾較嚴(yán)重的問題，特別是在市區(qū)馬路邊施工時(shí)，行駛汽車振動(dòng)的影響不可忽視。從目前研究成果來看，溶洞探測技術(shù)存在檢測方法不完善、費(fèi)用高、市區(qū)施工受干擾嚴(yán)重、準(zhǔn)確性差及探測的范圍受限制的特點(diǎn)。特別是探測深度上，隨著城市地下工程深度的發(fā)展(城市地鐵、地下商場等)，常用的幾種探測方法將逐漸失去優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種地下溶洞地震跨孔CT探測及層析成像裝置及方法，能夠?qū)Φ叵氯芏催M(jìn)行快速有效的探測。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的第一種技術(shù)方案為一種地下溶洞地震跨孔CT探測及層析成像裝置，包括一串檢波器、激振設(shè)備、激發(fā)控制系統(tǒng)、第一電纜、第二電纜、第三電纜、第四電纜、地震儀和計(jì)算機(jī)，在地表設(shè)有垂直的第一鉆孔和第二鉆孔，所述多個(gè)檢波器置于所述第一鉆孔中，所述檢波器通過第一電纜連接地震儀，所述激振設(shè)備置于所述第二鉆孔中，該激振設(shè)備可上下自由移動(dòng)，并通過第四電纜連接激發(fā)控制系統(tǒng)，所述激發(fā)控制系統(tǒng)通過第二電纜連接地震儀，所述地震儀通過第四電纜連接計(jì)算機(jī)。優(yōu)選的，所述檢波器的數(shù)量為12個(gè)，主頻為IOOHz。
所述第一鉆孔和第二鉆孔的水平間距可大于50米。優(yōu)選的，所述激振設(shè)備和檢波器均位于地下水位以下，保證地震波的接收質(zhì)量。優(yōu)選的，所述激發(fā)控制系統(tǒng)內(nèi)置觸發(fā)開關(guān)，所述觸發(fā)開關(guān)通過第二電纜連接地震儀，所述激發(fā)控制系統(tǒng)激震的同時(shí)觸發(fā)開關(guān)的電信號通過第二電纜傳至地震儀，所述地震儀通過第一電纜拾取并記錄檢波器采集到的直達(dá)波信號，地震儀將記錄的直達(dá)波信號通過第四電纜傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，所述計(jì)算機(jī)根據(jù)該直達(dá)波信號，拾取初至波走時(shí)并進(jìn)行波速CT層析成像。優(yōu)選的，相鄰所述檢波器的間距為0. 5至I米。
優(yōu)選的，所述地震儀為淺層地震儀，所述計(jì)算機(jī)為便攜式計(jì)算機(jī)，所述激振設(shè)備為電火花震源，所述檢波器為三分量檢波器。本發(fā)明提供的另一種技術(shù)方案為一種地下溶洞地震跨孔CT探測及層析成像方法，包括如下步驟
步驟I :在擬探測區(qū)域鉆孔，得到第一鉆孔和第二鉆孔；
步驟2 :將一串檢波器置于第一鉆孔內(nèi)，檢波器通過第一電纜與地震儀連接；
步驟3 :將激振設(shè)備放入第二鉆孔內(nèi)，所述激振設(shè)備可上下自由移動(dòng)，并通過第四電纜與激發(fā)控制系統(tǒng)連接；
步驟4:所述激發(fā)控制系統(tǒng)內(nèi)置觸發(fā)開關(guān)，所述觸發(fā)開關(guān)通過第二電纜連接地震儀，所述激發(fā)控制系統(tǒng)激震的同時(shí)觸發(fā)開關(guān)的電信號通過第二電纜傳至地震儀，所述地震儀通過第一電纜拾取并記錄檢波器采集到的直達(dá)波信號，地震儀將記錄的直達(dá)波信號通過第四電纜傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上；
步驟5 :所述計(jì)算機(jī)根據(jù)采集到的直達(dá)波信號拾取初至波走時(shí)，對探測區(qū)域進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，?jì)算各單元波速；
步驟6 :進(jìn)行波速CT層析成像，合成波速等值線 步驟7 :根據(jù)所述波速等值線圖上的波速異常處，判定溶洞位置和溶洞尺寸。優(yōu)選的，所述激振設(shè)備和檢波器均位于地下水位以下，保證地震波的接收質(zhì)量。優(yōu)選的，所述步驟5中，采用射線追蹤法計(jì)算各單元波速。有益效果本發(fā)明提供了一種快速、高效且精度較高的的地下巖溶探測裝置和方法。采用一串12個(gè)主頻IOOHz的檢波器可深入到鉆孔內(nèi)任意深度，檢波器與巖石間通過孔內(nèi)的水或泥漿耦合，將電火花震源放入鉆孔內(nèi)激發(fā)，電火花震源的深度可人為控制，克服了以往地表激發(fā)探測深度受限制的缺陷。所用地震波穿透力強(qiáng)，激發(fā)和接受鉆孔最大間距可達(dá)50m以上，與地質(zhì)雷達(dá)探測法相比，具有探測范圍大(特別是深度大)的優(yōu)勢。通過編寫的Matlab程序可快速計(jì)算探測范圍內(nèi)的巖體波速，并繪制波速等值線圖(層析成像)，可判定溶洞位置和大小。傳感器采用一般的地震檢波器，價(jià)格低、可重復(fù)使用不易損壞。傳感器、地震儀、電腦等設(shè)備簡便、體積小、質(zhì)量輕，攜帶方便，采集和信號處理軟件操作簡單，使用效果好，電火花震源電源220V，一般小型發(fā)電機(jī)即可滿足要求。在Matlab上編寫的程序可快速對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。—般可根據(jù)地震儀通道數(shù)向廠家定制檢波器，如24道地震儀可定制一串24個(gè)檢波器(本發(fā)明采用24道地震儀，鉆孔內(nèi)一串12個(gè)檢波器接受地震波)，可加快探測速度。


圖I為本發(fā)明地下溶洞地震跨孔CT探測及層析成像裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖2為探測區(qū)域網(wǎng)格剖分及射線追蹤示意 圖3為波速等值線 圖4為溶洞位置圖。
具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。如圖1、2所示，本發(fā)明具體實(shí)施方式
如下
(I)在擬探測區(qū)域鉆孔(一般可利用勘察方案布置的鉆探孔，分為第一鉆孔13和第二鉆孔14)至所需深度，對鉆孔內(nèi)做適當(dāng)進(jìn)行處理對鉆孔內(nèi)的掉石進(jìn)行清理，以保證檢波器和電火花震源可下至所需達(dá)到的深度。(2)檢波器安放將一串檢波器1-12放入第一鉆孔13內(nèi)，檢波器垂直間距滿足設(shè)計(jì)要求，檢波器通過第一電纜17與地震儀19連接。確保12個(gè)檢波器均位于地下水位以下，保證地震波的接收質(zhì)量。(3)震源安放將電火花震源15放入第二鉆孔14內(nèi)，通過第四電纜23與激發(fā)控制系統(tǒng)16連接，并保證震源可在鉆孔內(nèi)可上下自由移動(dòng)。本發(fā)明采用升壓最大可達(dá)10000V的激發(fā)控制系統(tǒng)，最大探測(激發(fā)、接受)距離(即第二鉆孔14和第一鉆孔13之間的距離河達(dá)50m以上。(4)發(fā)電機(jī)22作為電源，連接激發(fā)控制系統(tǒng)16，激發(fā)控制系統(tǒng)16內(nèi)置觸發(fā)開關(guān)(未圖示)通過第二電纜18連接地震儀19，激發(fā)控制系統(tǒng)16激震的同時(shí)觸發(fā)開關(guān)電信號通過第二電纜18傳至地震儀19，地震儀19通過第一電纜17拾取并記錄檢波器采集到的直達(dá)波信號，地震儀19將記錄的直達(dá)波信號通過第三電纜20傳到便攜式計(jì)算機(jī)21上。(5)根據(jù)采集到的地震波信號(即直達(dá)波信號)，拾取初至波走時(shí)。(6)進(jìn)行波速CT層析成像
a.數(shù)據(jù)處理
根據(jù)射線追蹤方式，將成像方形剖面劃分為 Xz7個(gè)小正方形單元(像元)。假設(shè)慢度函數(shù)/(U)在第個(gè)小方格內(nèi)為一常數(shù)A =) -M1條射線的走時(shí)為L
(I = 1,);第|條射線在第j個(gè)像元中的射線&長度為&。則/(U.)沿&的Radon變換為
式中，I表示長度，則第I條射線的射線走時(shí)方程的離散形式可寫為
+LA + …=A(I)
權(quán)利要求
1.一種地下溶洞地震跨孔CT探測及層析成像裝置，包括一串檢波器、激振設(shè)備、激發(fā)控制系統(tǒng)(16)、第一電纜(17)、第二電纜(18)、第三電纜(20)、第四電纜(23)、地震儀(19)和計(jì)算機(jī)(21 )，在地表設(shè)有垂直的第一鉆孔(13)和第二鉆孔(14)，所述多個(gè)檢波器置于所述第一鉆孔(13)中，所述檢波器通過第一電纜(17)連接地震儀(19)，所述激振設(shè)備置于所述第二鉆孔(14)中，該激振設(shè)備可上下自由移動(dòng)，并通過第四電纜(23)連接激發(fā)控制系統(tǒng)(16)，所述激發(fā)控制系統(tǒng)(16)通過第二電纜(18)連接地震儀(19)，所述地震儀(19)通過第四電纜(23)連接計(jì)算機(jī)(21)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述地下溶洞地震跨孔CT探測及層析成像裝置，其特征在于所述檢波器的數(shù)量為12個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述地下溶洞地震跨孔CT探測及層析成像裝置，其特征在于所述激振設(shè)備和檢波器均位于地下水位以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述地下溶洞地震跨孔CT探測及層析成像裝置，其特征在于所述激發(fā)控制系統(tǒng)(16)內(nèi)置觸發(fā)開關(guān)，所述觸發(fā)開關(guān)通過第二電纜(18)連接地震儀(19)，所述激發(fā)控制系統(tǒng)(16)激震的同時(shí)觸發(fā)開關(guān)的電信號通過第二電纜(18)傳至地震儀(19)，所述地震儀(19)通過第一電纜(17)拾取并記錄檢波器采集到的直達(dá)波信號，地震儀(19)將記錄的直達(dá)波信號通過第四電纜(23 )傳輸?shù)接?jì)算機(jī)(21)上，所述計(jì)算機(jī)(21)根據(jù)該直達(dá)波信號，拾取初至波走時(shí)并進(jìn)行波速CT層析成像。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述地下溶洞地震跨孔CT探測及層析成像裝置，其特征在于相鄰所述檢波器的間距為0. 5至I米。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述地下溶洞地震跨孔CT探測及層析成像裝置，其特征在于所述地震儀(19)為淺層地震儀，所述計(jì)算機(jī)(21)為便攜式計(jì)算機(jī)，所述激振設(shè)備為電火花震源(15)，所述檢波器為三分量檢波器。
7.—種地下溶洞地震跨孔CT探測及層析成像方法，包括如下步驟 步驟I :在擬探測區(qū)域鉆孔，得到第一鉆孔(13)和第二鉆孔(14)； 步驟2 :將一串檢波器置于第一鉆孔(13)內(nèi)，檢波器通過第一電纜(17)與地震儀(19)連接； 步驟3 :將激振設(shè)備放入第二鉆孔(14)內(nèi)，所述激振設(shè)備可上下自由移動(dòng)，并通過第四電纜(23)與激發(fā)控制系統(tǒng)(16)連接； 步驟4:所述激發(fā)控制系統(tǒng)(16)內(nèi)置觸發(fā)開關(guān)，所述觸發(fā)開關(guān)通過第二電纜(18)連接地震儀(19)，所述激發(fā)控制系統(tǒng)(16)激震的同時(shí)觸發(fā)開關(guān)的電信號通過第二電纜(18)傳至地震儀(19)，所述地震儀(19)通過第一電纜(17)拾取并記錄檢波器采集到的直達(dá)波信號，地震儀(19 )將記錄的直達(dá)波信號通過第四電纜(23 )傳輸?shù)接?jì)算機(jī)(21)上； 步驟5 :所述計(jì)算機(jī)(21)根據(jù)采集到的直達(dá)波信號拾取初至波走時(shí)，對探測區(qū)域進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，?jì)算各單元波速； 步驟6 :進(jìn)行波速CT層析成像，合成波速等值線圖； 步驟7 :根據(jù)所述波速等值線圖上的波速異常處，判定溶洞位置和溶洞尺寸。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述一種地下溶洞地震跨孔CT探測及層析成像方法，其特征在于所述激振設(shè)備和檢波器均位于地下水位以下。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述一種地下溶洞地震跨孔CT探測及層析成像方法，其特征在于所述步驟5 中，采用射線追蹤法計(jì)算各單元波速。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種地下溶洞地震跨孔CT探測及層析成像裝置，包括一串檢波器、激振設(shè)備、激發(fā)控制系統(tǒng)、第一電纜、第二電纜、第三電纜、第四電纜、地震儀和計(jì)算機(jī)，在地表設(shè)有垂直的第一鉆孔和第二鉆孔，所述多個(gè)檢波器置于所述第一鉆孔中，所述檢波器通過第一電纜連接地震儀，所述激振設(shè)備置于所述第二鉆孔中，該激振設(shè)備可上下自由移動(dòng)，并通過第四電纜連接激發(fā)控制系統(tǒng)，所述激發(fā)控制系統(tǒng)通過第二電纜連接地震儀，所述地震儀通過第四電纜連接計(jì)算機(jī)。本發(fā)明還公開了一種地下溶洞地震跨孔CT探測及層析成像方法。本發(fā)明能夠?qū)Φ叵氯芏催M(jìn)行快速有效的探測。
文檔編號G01V1/00GK102866417SQ201210402868
公開日2013年1月9日 申請日期2012年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月22日
發(fā)明者許寶田, 閻長虹, 徐楊, 段成龍 申請人:南京大學(xué)