陆地声纳的方法和仪器是我国科研人员研发的具有自主知识产权的技术,是我国发明的几件物探方法技术中的一件。它是为了解决隧道地质预报问题而研究、设计和实现的方法技术。1991年~1996年列为铁道部重点科研项目的重点项目之一,经过背靠背的考试检验,确定为课题的2个主要方法之一,它除了能探查断层、破碎带等外,特别在探查溶洞的效能方面非其它方法可及。此方法技术还曾是国家自然科学基金的支持项目。经过3次专家评审,并通过铁道科学院及铁道部分别进行的技术鉴定,由于在南昆铁路的准确预报及时指导施工,而获南昆铁路科技一等奖。其专用仪器陆地声纳仪曾经过煤炭地质总局的鉴定。本文后列表格中列出出了十余个工程(段)预报及施工单位反馈证明的结果。1997年-1999年在秦岭隧道进行了二线隧道探一线隧道的预报。2002年后逐步推广应用。美国和德国也曾仿用。
1、陆地声纳的特点
陆地声纳法的实质是“陆上极小震-检距超宽频带弹性波反射单点连续剖面法”,简称“陆地声纳法”。它是地震反射法、探地雷达、水声法、声波测量的杂交,加上超宽频带接收的独特发明结合而成的地震勘探的新品种。它的要点和特点是:
(1)在隧道掌子面上设测量剖面,剖面上每
图1 陆地声纳在掌子面上作前方地质预报示意图
图2 在掌子面上作数据现场采集工作照及仪器照片
上图为第1代仪器,右下图为第3代仪器
(2)此方法用锤激震源和专门的检波器和接收仪器,可激发和接收10Hz~4000Hz的波。由于可接收到高而宽的频带,可发现溶洞、破碎带、小断裂;如此宽的频带,就能够充分利用反射波的频谱特性,还可通过分窗口带通滤波提取不同频段的反射波,高频段的反射波可反映薄的层和大节理等断裂面和小溶洞,低频段的反射波可反映较大的断层、较厚的岩脉、岩层和大溶洞,通过不同频段反射的图象对比,可以分辨不同的不良地质体;
图3 球体上方陆地声纳法时间剖面模型实验
(4)由于在激震点旁接收,激震能量效率高,用锤击激发可探到
(5)强调地质与物探的结合。物探工作开始前充分掌握必需的地质资料,工作过程中地质手段与物探密切结合,资料分析时综合地质与地球物理信息,最后给出地质结论。
2、 陆地声纳与TSP和探地雷达的异同
(1)与TSP比较
TSP与陆地声纳都是弹性波反射法。德胜口隧道地质预报的负责人钟世航教授曾与日本专家用类似的方法HSP在秦岭隧道工作过,并联合在日本发表过论文。
TSP是瑞士Aberg公司1993年前后推出的方法,它是由经典的地震垂直剖面法(VSP)转化而成。它采用在隧道边墙钻孔,近掌子面的24个孔中放炸药爆炸作震源,距掌子面远端钻孔中放置检波器接收沿边墙来的直达波和掌子面前方物体的反射波。它对断层等面状反射体有较好的反映。
陆地声纳法则是在掌子面上激发和设检波器接收,不必钻孔;用锤击震源而不必用爆炸。虽然TSP检波器设于掌子面后方
陆地声纳采用地震勘探的通用图件显示形式,较接近地质图件,较直观。而且可以应用已有的成熟的地震反射法和雷达正演理论。
陆地声纳法是近于0震-检距的方法,对溶洞有清晰的反映,是目前唯一可以探查到几十米外1~2m直径的溶洞,并能反映溶洞上下底和多层溶洞的物探方法;TSP法是1点接收、多点激震的方法,对溶洞等有限大小物体的探查非其强项。
陆地声纳方法和仪器于1995年通过了铁道科学研究院和铁道部的严格技术鉴定,2010年通过了中国岩石力学与工程学会严格、规范的技术鉴定(详见鉴定证书),TSP是通过商业宣传进入市场的未经我国任何一级授权部门鉴定,它的某些错误未得纠正,造成了一些严重后果。
(2)与探地雷达比较
作为隧道地质预报的方法,二者均经铁道部的技术鉴定。德胜口隧道地质预报的负责人钟世航教授是陆地声纳的发明人,也是使用探地雷达的著名专家。
探地雷达应用高频电磁波(雷达波)的反射,陆地声纳法应用弹性波的反射。雷达波对水的反映好。
二者均为接近0震-检距的方法,对溶洞都有好反映。但因雷达波会产生多次反射,目前难以反映溶洞的另一面和发育的多层溶洞。
探地雷达目前仅能预报不到