單點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)近期我們對單點反射波法的探測原理及應(yīng)用情況的試驗研究，引入“高分辨率”探測理念，通過改進(jìn)該方法常規(guī)的一些探測模式，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，其工作布置如圖5-1所示。

圖5-1單點反射波法工作布置示意圖

在隧道中采用單點反射波法進(jìn)行隱伏巖溶的探測，其測線布置、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、高效的探測設(shè)備是進(jìn)行隧道基底隱伏巖溶探測的關(guān)鍵，而設(shè)備的記錄系統(tǒng)則是整個物探探測結(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、動態(tài)范圍三個方面。因此，對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，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、操作簡便及耗電量小，且儀器堅固，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，我們對比試驗了國內(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GEOMETICS NZ-24高分辨率信號增強(qiáng)型地震儀用于外業(yè)數(shù)據(jù)的采集。

二、試驗合適的震源系統(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)系著單點反射波法在隧道中有效應(yīng)用的成敗，下面將對在項目應(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、牢固和堅硬的地層上使用激發(fā)效果較好，獲得的信號頻率較高，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，既可與金屬墊板配合使用，也可單獨與錘擊開關(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)行對比驗證：

(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)堅硬地段，可直接錘擊墊層面。

從試驗結(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”相對要校究其原因，錘擊地面時，鐵錘與地面接觸時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，鐵錘由于沖擊彈性碰撞作用瞬間即離開地面，地面為一整體堅固層，自身只能產(chǎn)生一個很微弱的后續(xù)震蕩，從而地面地震低頻震蕩波信號微小，可忽略不計。在錘擊鐵板時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)生一段時間的“晃蕩”，從而使后續(xù)的地震波低頻震蕩干擾信號較強(qiáng)。

鑒于以上現(xiàn)場試驗及原因分析，我們提出：在采用錘擊震源時，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)。通過試驗結(jié)果分析，采用小錘小能量激發(fā)可使質(zhì)點產(chǎn)生的位移符合小形變和小位移。

具體采取的試驗方式是，選取各種不同場地，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)行的試驗結(jié)果，在對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要短，頻率稍高。此外，通過垂直疊加技術(shù)對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錘擊時采用人工操作，每次擊打作用力的大小受人的主觀意識作用較大，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)的對比研究，最終選取了國產(chǎn)的 “HX-GMM-SI50DA型稀土超磁致伸縮地面震源”系統(tǒng)用于項目的試驗研究(圖5-4)。這種超磁震源采用稀土材料和最新技術(shù)設(shè)計研制而成，具有頻率帶寬(1KHz)、余振孝延時短而固定、攜帶方便等特點，適合于在隧道內(nèi)用于單點反射波法探測。