技術(shù)背景
應(yīng)用場(chǎng)景
目前，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，我國(guó)的地下巖土工程越來(lái)越多，包括高層建筑的建設(shè)、橋梁以及地下空間工程。其中，未來(lái)的地下空間不僅只有地鐵、隧道、地下廣場(chǎng)、地下道路等幾種形式，還包括地下街、市政隧道（綜合管廊）、大型地下儲(chǔ)氣設(shè)施、地下雨水儲(chǔ)存設(shè)施、地下垃圾站房、地下車庫(kù)、地下變電站，以及大型綠地、居住區(qū)的地下空間的開發(fā)利用等形式。地下巖土工程實(shí)施過(guò)程中為避免地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)，需要進(jìn)行淺層地質(zhì)調(diào)查，包括探查地下巖土層結(jié)構(gòu)及構(gòu)造發(fā)育狀況。因此，做好地質(zhì)勘探，著力提高應(yīng)變能力，得出與工程結(jié)合的、合理可行的技術(shù)措施和應(yīng)對(duì)險(xiǎn)情的工程預(yù)案，是施工成功的關(guān)鍵。
現(xiàn)狀分析
在地下巖土工程中，需要用地球物理探測(cè)方法技術(shù)對(duì)地下空間進(jìn)行預(yù)探測(cè)，了解地下所賦存的目標(biāo)體。鑒于目前地下巖土工程地球物理探測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀和應(yīng)用領(lǐng)域面臨的問(wèn)題及特點(diǎn)，如淺層地震勘探、電磁法等，存在以下劣勢(shì)： 地震勘探錘擊震源探測(cè)深度淺、電磁干擾源多，如金屬物等。
該系統(tǒng)利用密集地震臺(tái)站采集連續(xù)背景噪音，包括潮汐撞擊海岸產(chǎn)生的低頻信號(hào)、地球內(nèi)部的自由振蕩信號(hào)、大地震后的尾波信號(hào)、地面生產(chǎn)活動(dòng)信號(hào)，通過(guò)臺(tái)站對(duì)的互相關(guān)和疊加處理，提取出不同頻率的基階和高階面波，從而確定從淺到深的三維橫波速度結(jié)構(gòu)體，該三維橫波速度結(jié)構(gòu)體對(duì)地下巖土層結(jié)構(gòu)及構(gòu)造發(fā)育狀況有非常好的顯現(xiàn)作用，能夠精準(zhǔn)預(yù)測(cè)其空間位置和范圍。針對(duì)淺層地質(zhì)調(diào)查，包括探查地下巖土層結(jié)構(gòu)及構(gòu)造發(fā)育狀況（活斷層），安徽萬(wàn)泰地球物理技術(shù)有限公司聯(lián)合中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球物理技術(shù)團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)了淺層結(jié)構(gòu)背景噪聲三維成像系統(tǒng)。
安徽萬(wàn)泰地球物理技術(shù)有限公司淺層結(jié)構(gòu)背景噪聲三維成像系統(tǒng)在使用過(guò)程中不需要人工震源（炸藥或者震源車），是一種“綠色”經(jīng)濟(jì)的勘探系統(tǒng)，探測(cè)精度高。
技術(shù)方案
應(yīng)用場(chǎng)景
本系統(tǒng)通過(guò)采集環(huán)境背景噪聲信號(hào)，獲得地下三維橫波速度結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)，來(lái)進(jìn)行淺層地質(zhì)調(diào)查，包括探查地下巖土層結(jié)構(gòu)及構(gòu)造發(fā)育狀況（活斷層）。技術(shù)路線如圖1所示。
核心技術(shù)
基于密集地震臺(tái)陣的背景噪聲成像技術(shù)：
通過(guò)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間采集的信號(hào)分段（通常為1小時(shí)一段）進(jìn)行疊加、濾波，以提高信噪比。采用S變換，在時(shí)間頻率域進(jìn)行相速度加權(quán)疊加，以提高互相關(guān)函數(shù)的信噪比，來(lái)提取穩(wěn)定的面波信號(hào)、臺(tái)站間背景噪音互相關(guān)函數(shù)（縱軸臺(tái)站間距，橫軸為時(shí)間），從而面波的信號(hào)可以很清晰地識(shí)別出來(lái)。然后通過(guò)面波成像方法，確定探測(cè)區(qū)域三維各向同性和各向異性剪切波速度，進(jìn)行橫波各向同性和各向異性成像。
實(shí)施方案
臺(tái)陣布設(shè)
根據(jù)探測(cè)區(qū)域位置及探測(cè)深度，布設(shè)淺層地下結(jié)構(gòu)背景噪聲三維成像系統(tǒng)臺(tái)陣，來(lái)采集探測(cè)區(qū)域及周邊環(huán)境背景噪聲。現(xiàn)場(chǎng)臺(tái)陣采用矩形面狀分布，相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距50-300m，原則上是將探測(cè)區(qū)域包含在臺(tái)陣中（右圖，紅三角代表臺(tái)站）。連續(xù)觀測(cè)一段時(shí)間，對(duì)此階段的環(huán)境背景噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。
背景噪聲三維成像系統(tǒng)臺(tái)陣：
具有豐富的低頻信號(hào)采集能力，內(nèi)置配有三分量地震傳感器、GPS 模組、電子羅盤、姿態(tài)傳感器、藍(lán)牙模塊以及可充電鋰電池，無(wú)需任何外部電源即可連續(xù)工作60天以上。它可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)開機(jī)采集、采集結(jié)束定時(shí)關(guān)機(jī)；也可連續(xù)采集；采用USB、RS232、藍(lán)牙等多種交互工作方式；數(shù)據(jù)自動(dòng)本地存儲(chǔ)；具有GPS授時(shí)、地理位置定位等特點(diǎn)。其高頻達(dá)到200Hz 以上，可以滿足瞬態(tài)面波勘探的需求。
三維橫波速度結(jié)構(gòu)體反演
三維橫波速度結(jié)構(gòu)體反演流程（圖4）：
在不同周期面波層析成像結(jié)果的基礎(chǔ)上，反演得到勘查區(qū)三維橫波速度結(jié)構(gòu)（圖6）。
反演每個(gè)網(wǎng)格的純路徑頻散，得到每個(gè)網(wǎng)格下方的S波速度的垂向分布。
將反演區(qū)域按網(wǎng)格劃分，反演得到各周期相速度的二維分布，進(jìn)而
得到每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的純路徑頻散曲線。
對(duì)探測(cè)區(qū)域環(huán)境背景噪聲原始數(shù)據(jù)（圖5）進(jìn)行預(yù)處理。
地下淺層結(jié)構(gòu)體探測(cè)
利用三維橫波速度結(jié)構(gòu)體等地球物理信息對(duì)地下淺層結(jié)構(gòu)體進(jìn)行解釋（右圖）。圖中給出30、50m兩個(gè)深度的水平橫波速度結(jié)構(gòu)，其中三角形代表臺(tái)站，實(shí)心黑線代表蜀山斷層。從圖中可以看出，斷層界限明顯。通過(guò)對(duì)斷層探測(cè)，地下巖土工程施工更加安全。
項(xiàng)目效益
有效減少煤礦水、火、瓦斯、煤塵與頂板事故等五大主要災(zāi)害事故的發(fā)生頻度，保障煤礦安全生產(chǎn)，煤礦地質(zhì)條件預(yù)測(cè)是關(guān)鍵。安徽萬(wàn)泰地球物理技術(shù)有限公司煤礦地下結(jié)構(gòu)背景噪聲三維成像系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤礦地質(zhì)條件勘探中的斷層、瓦斯富集區(qū)、采空區(qū)及其空間流體的空間分布，量化其對(duì)煤礦的危險(xiǎn)程度，減少盲目性投入，做到有的放矢。在同等面積區(qū)域的地質(zhì)探測(cè)上，相比較于三維地震勘探等常規(guī)探測(cè)方法，本系統(tǒng)可為礦山節(jié)省大量探測(cè)成本。該系統(tǒng)為煤礦提供了一種新的“綠色”經(jīng)濟(jì)有效思路，能夠高效、快速、準(zhǔn)確的量化煤礦斷層、瓦斯富集區(qū)、采空區(qū)及其空間流體的空間分布，為煤礦生產(chǎn)安全提供保障。
案例展示
近地表結(jié)構(gòu)探測(cè)
隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城市圈一直在外擴(kuò)，由于地處郯廬斷裂帶，存在地震風(fēng)險(xiǎn)，為降低地震災(zāi)害影響，需要對(duì)其近地表結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，以確保城市工程與建筑安全以及指導(dǎo)未來(lái)城市規(guī)劃。由于城市人口密集性、安全以及探測(cè)深度，常規(guī)的地球物理勘探技術(shù)難以實(shí)施。
安徽萬(wàn)泰地球物理技術(shù)有限公司聯(lián)合中科大地球物理團(tuán)隊(duì)利用地下結(jié)構(gòu)背景噪聲三維成像系統(tǒng)采集環(huán)境背景噪聲，反演斷層帶位置及區(qū)域速度變化信息，以此判斷潛在的地震危險(xiǎn)。
圖5-3為現(xiàn)場(chǎng)臺(tái)陣布設(shè)圖，三角形代表臺(tái)站。圖5-4為淺層不同深度的三維橫波速度結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出由于郯廬斷裂含有巖漿侵入的變質(zhì)巖相對(duì)周邊區(qū)域?yàn)楦咚賻Вㄌ摼€代表斷層位置）。圖5-5為沿同一S波速度剖面局部地質(zhì)剖面，白線代表地質(zhì)上不同的地層單位，可以探測(cè)地表結(jié)構(gòu)巖性變化。其中1為上白堊統(tǒng)砂巖；2為古元古代片麻巖；3為青白口期灰?guī)r；4為早寒武世頁(yè)巖；5為震旦系灰?guī)r。
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