地震勘探在某大管径给水管探测中的应用

地震勘探在某大管径给水管探测中的应用

曹俊

广州市市政工程设计研究总院有限公司  广东 广州 510000

摘要：地下管线是城市的生命线，直接影响着城市的建设与安全。而很多管线由于建设年代久远，原始资料遗失，或者数据不准确，导致在施工过程中经常出现挖坏管线的情况。使得如何准确探明这些管线成为在工程建设中必不可少的一项重要要求。本文着手通过采用地震勘探技术手段在某一大管径给水管探测中的应用，提供一种技术思路，以及在遇到各类疑难问题时的一种尝试。

关键词：管线探测；地震勘探。

1 概况

由于某项目的新建排水管与现状补水管在平面位置上相交，排水管采用顶管工艺施工，为了避免其与补水管在高程上有冲突，需确定现状补水管的平面位置和埋深。

1.1目的任务

根据工程的需要，对顶管线路区间的补水管进行勘探。采用普通管线探测仪时，可能是由于管材导电性差，或者接口处采用的材料导致无法导电，信号不连续，无法探测。且采用地质雷达时，由于深度较深，没有反射信号，无法确定其位置及深度。考虑到现场综合条件，故尝试采用面波CMP法和单道地震映像勘探，以便查明外径为2.2米的补水管的平面位置和埋深，为新建排水管的顶管施工提供依据。

2工程条件

2.1工程地质

工程场地原始地貌为河谷地貌，现场经堆填改造，场地位置较平坦，交通、施工均方便。经钻探揭露，根据钻探揭露深度内，场地地基岩土层自上而下依次为：①人工填土（Q4ml）、②第四系冲洪积土（Q4al、Q3al）、③第四系残积层和④侏罗系下统蓝塘群基岩（J1ln）。

①人工填土（Q4ml）

素填土:灰色，褐灰色，稍湿，松散，主要由粘性土及砂土组成，夹少量建筑垃圾。

②第四系冲洪积土（Q4al、Q3al）

中砂:灰色，饱和，松散，粒径不均匀。

粉质粘土:褐红色，可塑，土质不均匀，具砂感。

粗砂:褐黄色，饱和，稍密，粒径不均匀，含粘性土。

③第四系残积土（Qel）

砂质粘性土:黄褐色，可塑、硬塑，为花岗岩风化残积土，遇水易软化崩解。

④基岩（ηr）

全风化花岗岩:灰褐色，岩石风化强烈，部分原岩结构可见，岩芯呈坚硬土柱状，遇水易软化崩解。

2.2地球物理条件

探测区内，可能存在以下主要地下介质：覆盖层（人工填土、冲洪积土、残积土）、全风化花岗岩。各种地下介质的面波相速度大致如下：

人工填土：面波相速度约为150-250m/s；

冲洪积土、残积土：面波相速度为250-300m/s；

全风化花岗岩：面波相速度大于300m/s；

综上所述，本测区填人工填土与冲洪积层、残积土层，冲洪积层、残积土层与全风化花岗岩之间存在较大的面波相速度差异，具备开展主动源面波的地球物理条件。

3 工作方法、技术

3.1 测线布置

根据现场施工条件布置面波测线3条测线，编号L1~L3，各测线垂直于污水走向。

3.2 面波CMP法

（1）方法原理

面波CMP法是以一定偏移距在测线一端通过使用重锤在地面激振而产生瑞雷面波，在被检测地段以等间距布设检波器，利用仪器记录从检波器上采集的瑞雷面波信号，经专门软件的处理，从而得到VR-H曲线。通过VR-H曲线的形态、拐点等综合分析，可以对其进行速度分层，从而计算各层的层速度，计算公式为：
其中：VRm——Hn-Hn-1间的层速度（m/s）；

Hn——第n个拐点的深度（m）；

VRn——第n个拐点深度以上的平均速度（m/s）；

Hn-1——第n-1个拐点深度（m）；

VRn-1——第n-1个拐点深度以上的平均速度（m/s）；

Hn、Hn-1——深度间隔。

（2）面波地震勘探仪器

面波CMP法数据采集使用美国Geometrics公司生产的Geode 24型轻便地震采集系统记录。Geode 24型轻便地震采集系统，其主要性能指标为：24道地震道，24位A/D转换，采样间隔0.020～16ms可选；动态范围144dB、滤波失真小于0.0005%，通频带范围1.75Hz～20kHz，实时数字滤波。记录长度为标准16384样点，也可选65536样点，笔记本电脑作为控制器。

在工作开展之前，先进行了测试系统（仪器、检波器）信道的一致性试验，测试系统信道的一致性很好，稳定性好。

（3）工作参数选择

采样间隔：0.25ms；

采样长度：1024ms；

接收地震道：24道；检波点距：1m；

偏 移 距：0.5～23.5m。现场采集时，用皮尺量距布置激发点及检波点。定位误差一般小于0.05m。水泥地上检波器用石膏安装，并逐个检查，确定检波器安装状态良好才开始激发接收。

采集记录时，开启仪器的噪声监测功能，确保环境噪声较小时才激发接收。现场发现不合格记录马上重测，以保证合格率为100%，测试时现场填写工作班报。每天野外施工结束后，即检查当日的记录，如发现不合适的记录，应重新测试，直至合格为止。

（4）数据质量评述

本次主动源面波工作完成测线3条，采集原始记录75炮（不包含废炮），测线长度69m。全部记录合格，其中合格以上记录75炮，合格率100%，满足规范的要求。

3.3地震映像法

（1）地震映像法

地震映像(又称高密度地震勘探和地震多波勘探)，是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的。这种方法可以利用多种地震波作为有效波来进行探测，也可以根据探测目的要求仅采用一种特定的地震波作为有效波。人工地面敲击产生的地震波在向地下传波过程中 ,遇到地下介质存在物理力学的(如波阻抗) 差异时 ,便会产生反射波并反射回地面。当介质分布均匀 ,无地下空洞、软弱地层等不良地质体存在时 ,则所得到的同相轴连续稳定 ,不会出现错断、拱起等现象。若地下存在空洞、软弱地层等不良地质现象 ,则地震波在其分界面上产生波的绕射等衰减等现象。通过对图像的分析推断 ,从而达到解决地质问题或者找到地下管线的目的。

（2）仪器设备

单道地震映像法采用美国Geometrics公司生产的Geode 24型轻便地震采集系统记录，西安地质仪器厂生产的SQJ17～100Hz检波器接收。Geode 24型轻便地震采集系统，其主要性能指标为：24道地震道，24位A/D转换，采样间隔0.020～16ms可选；动态范围144dB、滤波失真小于0.0005%，通频带范围1.75Hz～20kHz，实时数字滤波。记录长度为标准16384样点，也可选65536样点，笔记本电脑作为控制器。纵波检波器使用西安地质仪器生产的SQJ17～100Hz高阻尼纵波检波器，该检波器具有灵敏度高、通频带宽、余振短；固有频率100Hz。

（3）工作参数

偏移距是根据试验有效波与干扰波分离时的偏移距来确定，本次地震反射波法偏移距为2m。

其他采样参数选为采样间隔0.125ms，记录长度256ms，无滤波，锤击震源，测点距0.1m。

现场采集时，用皮尺量距布置激发点及检波点，定位误差一般小于0.05m。并逐个检查，确定检波器安装状态良好才开始激发接收。

采集记录时，开启仪器的噪声监测功能，确保环境噪声较小时才激发接收。现场发现不合格记录马上重测，以保证合格率为100%，测试时现场填写工作班报。每天野外施工结束后，即检查当日的记录，如发现不合适的记录，应重新测试，直至合格为止。

（4）数据质量评述

本次地震映像工作完成测线2条，采集原始记录77炮（不包含废炮），测线长度38m。全部记录合格，其中合格以上记录77炮。

4. 探测流程

根据现场施工条件布置面波测线3条测线，完成工作测线长度69米，合计69个面波点；布置单道地震映像测线两条，完成工作量38米，合计76个点。各测线位置示意图见图1。

图1 测线布置位置示意图

4资料整理和解释

⑴面波的数据处理流程：

切除干扰波→拾取面波→谱分析→频散曲线奇异点剔除-频散曲线拟合计算→建立反演模型→反演计算→计算机成波速剖面图→成果解释。

⑵面波波速剖面图的异常反映特征

在各土层内介质较均匀的情况下，在面波速剖面图上表现为平滑的连续的。而在波阻抗突变的地方（比如存在管线、较硬的填土层等），波速剖面图会发生畸变，并出现低速体异常。据此特征对本次探测物探异常进行解释。

(3)地震映像的数据处理流程：

预处理→静校正→干扰切除→道间平衡→抽CDP道集→速度分析→修饰处理→剖面打印→初步解释→成果图输出。

预处理为不正常道充零；

静校正仅进行地表低速带改正，即消除地表低速带（潜水面以上）对反射波旅行时的影响。

干扰切除主要切除浅部折射、声波干扰、直达波及面波干扰；

抽道集则按同偏移距抽取CDP道集；

道间平衡将各道的总能量调整为同一水平；

速度分析主要是利用钻孔资料，计算土层的平均速度，若有多个钻孔，应根据场地实际位置选取合适的钻孔来进行计算；

修饰处理主要滤除部分低频波组，一般为低切滤波；

(4)地震映像剖面图的异常反映特征

处理后的时间剖面作初步解释，解释时主要追踪地层反射，分析反射同相轴的连续可追踪性。当遇到地下介质存在物理力学的(如波阻抗) 差异时 ,便会产生反射波并反射回地面。介质分布均匀，无地下空洞（管线）、软弱地层等不良地质体存在时，则所得到的同相轴连续稳定，不会出现错断、拱起等现象。若地下存在空洞（管线）、软弱地层等不良地质现象 ,则地震波在其分界面上产生波的绕射等衰减等现象。

5总结

5.1 结论

综合面波和地震映像勘探推测管线平面位置如下：

L1测线测点11.5-14.5范围；L2测线测点11.0-14.5范围；L3测线测点11.0-14.5范围。管顶埋深约为4米。

图2   L1测线地震映像时间剖面图

图3  L1测线面波速度剖面图

5.2 开挖验证

由于各种物探方法为地表无损探测，各种物探方法参考的是介质的各种物性差异。因此根据某一种物探方法得到的探测结果也只是反应了介质某一方面的物性特点，故需钻探或者挖探来验证。此次采用挖探的方式进行验证，开挖显示覆土为3.8m，跟物探推断的成果一致。

5.3 结语

随着近年来市政建设项目增多，对于现状地下管线的探测要求也愈加严格。而由于当年建造时的工艺条件，以及当年原始数据的不足导致很多管线的位置无法查清。而以往的常规探测技术有时候也会遇到很多环境瓶颈，这就需要扩展各类探测技术手段。

本文旨在通过尝试使用地震勘探技术，利用到管线探测中，作为一种技术手段。在具体实施中，也可能会遇到各类不同的环境，效果也不一定都好，但是，作为工程技术人员，我们要勇于尝试，多总结，一定会有所收益。

参考文献：

[1]蔡伟强.浅谈城市给水管网工程质量管理.市政工程,2021-06.

[2]秦杰.中小管径给水管道管材选择探讨.市政工程,2021-03.