專利名稱：一種地下溶洞地震跨孔ct探測及層析成像裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及地下小型溶洞的探測領域，特別涉及一種地下溶洞地震跨孔CT探測及層析成像裝置。
背景技術：
巖溶是在工民建、公路、鐵路環(huán)境等多方面的工程地質勘查中，常常會遇到的情況。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。巖溶水動力條件的變化，使其上部覆蓋土層產生開裂、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確的評價，這就使得一些巖溶區(qū)工程地質問題(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)技術逐步應用到工程勘察中來，這一難題已得到了較好的解決，常用的巖溶物探方法有(I)地質雷達探測法探地雷達利用超高頻短脈沖電磁波在地下介質中傳播特征，分析地下或結構物內部不可見的目標體或分界面，進行定位或判別。由于探地雷達是一種非破壞性探測技術，可以安全地用于城市和正在建設中的工程現場，工作工程區(qū)條件寬松，適應性強；同時探地雷達的脈沖時域輸出功率大，抗電磁干擾能力強，可在城市內各種噪聲環(huán)境下工作，環(huán)境干擾影響小；具有工程上較滿意的探測深度和分辨率，現場直接提供實時剖面記錄圖，圖像清晰直觀。探地雷達探測地下目標體(如溶洞等)的原理是通過特定設備向地下發(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，經存在電性差異的地層或巖溶(目標體)反射后返回地面，由接收天線所接收。高頻電磁波在介質中傳播時，其傳播路徑、電磁場強度與波形將隨通過介質的電性特征與幾何形態(tài)而變化。因此，通過對時域波形的采集、處理和分析，可確定地下分界面或巖溶一地質體的空間位置及結構。電磁波在介質中傳播時，當遇到存在電性差異的地下目標體，如溶洞、分界面等時，電磁波便發(fā)生反射，返回到地面時由接收天線所接收。在對接收天線接收到的雷達波進行處理和分析的基礎上，根據接收到的雷達波形、強度、雙程時間等參數便可推斷地下目標體的空間位置、結構、電性及幾何形態(tài)，從而達到對地下隱蔽目標物的探測。地質雷達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。根據其施加電場作用下地下巖土體中傳導電流的分布規(guī)律，推斷地下不同電阻率的地質體的分布情況。高密度電法實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外，還與巖、礦石的分布狀態(tài)(包括一些構造因素)、電極排列等具體情況有關，所以稱它為視電阻率。決定視電阻率大小的因素有①各巖層地質體的真電阻率；②地下不同電性體實際分布狀況(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。對現場采集的數據先用反演軟件進行了反演，但是反演誤差較大，如果用反演圖像來判斷地質體的賦存情況，結果可靠度較低。在城市市區(qū)進行探測時，有時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據用來反演的話，效果將很不理想。(3)井地地震探測法井地地震探測技術是采用地面激發(fā)，井內布設檢波器，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，震源除了考慮滿足激發(fā)高頻地震波之外，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。另外還要考慮現場情況對勘測的干擾，實測時應避開。它利用地震波穿過地質體后走時及能量的改變等物理信息，在計算機上重建地質體內部圖像，從而得到所研究地質體的巖性、洞室及構造分布。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)、巖性分布與構造特點，用來研究第四系覆蓋層的分布、厚度以及基底埋深、風化分層、厚度及基底節(jié)理、斷裂等構造，可以用于淺部隱伏礦體勘查、地質災害預報、工程場地評價等方面。同時，該方法實施簡單，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、且受地面干擾較嚴重的問題，特別是在市區(qū)馬路邊施工時，行駛汽車振動的影響不可忽視。從目前研究成果來看，溶洞探測技術存在檢測方法不完善、費用高、市區(qū)施工受干擾嚴重、準確性差及探測的范圍受限制的特點。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。

實用新型內容實用新型目的針對上述現有技術存在的問題和不足，本實用新型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，能夠對地下溶洞進行快速有效的探測。技術方案為實現上述實用新型目的，本實用新型采用的技術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、地震儀和計算機，在地表設有垂直的第一鉆孔和第二鉆孔，所述多個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，所述激振設備置于所述第二鉆孔中，該激振設備可上下自由移動，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算機。優(yōu)選的，所述檢波器的數量為12個，主頻為IOOHz。[0021]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，所述激振設備和檢波器均位于地下水位以下，保證地震波的接收質量。優(yōu)選的，所述激發(fā)控制系統(tǒng)內置觸發(fā)開關，所述觸發(fā)開關通過第二電纜連接地震儀，所述激發(fā)控制系統(tǒng)激震的同時觸發(fā)開關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波信號，地震儀將記錄的直達波信號通過第四電纜傳輸到計算機上，所述計算機根據該直達波信號，拾取初至波走時并進行波速CT層析成像。優(yōu)選的，相鄰所述檢波器的間距為O. 5至I米。優(yōu)選的，所述地震儀為淺層地震儀，所述計算機為便攜式計算機，所述激振設備為電火花震源，所述檢波器為三分量檢波器。本實用新型還提供了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1: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，檢波器通過第一電纜與地震儀連接；步驟3 :將激振設備放入第二鉆孔內，所述激振設備可上下自由移動，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)內置觸發(fā)開關，所述觸發(fā)開關通過第二電纜連接地震儀，所述激發(fā)控制系統(tǒng)激震的同時觸發(fā)開關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波信號，地震儀將記錄的直達波信號通過第四電纜傳輸到計算機上；步驟5 :所述計算機根據采集到的直達波信號拾取初至波走時，對探測區(qū)域進行單元劃分，計算各單元波速；步驟6 :進行波速CT層析成像，合成波速等值線圖；步驟7 :根據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，所述激振設備和檢波器均位于地下水位以下，保證地震波的接收質量。優(yōu)選的，所述步驟5中，采用射線追蹤法計算各單元波速。有益效果本實用新型提供了一種快速、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個主頻IOOHz的檢波器可深入到鉆孔內任意深度，檢波器與巖石間通過孔內的水或泥漿耦合，將電火花震源放入鉆孔內激發(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，激發(fā)和接受鉆孔最大間距可達50m以上，與地質雷達探測法相比，具有探測范圍大(特別是深度大)的優(yōu)勢。通過編寫的Matlab程序可快速計算探測范圍內的巖體波速，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，價格低、可重復使用不易損壞。傳感器、地震儀、電腦等設備簡便、體積小、質量輕，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)電機即可滿足要求。在Matlab上編寫的程序可快速對采集數據進行處理。一般可根據地震儀通道數向廠家定制檢波器，如24道地震儀可定制一串24個檢波器(本實用新型采用24道地震儀，鉆孔內一串12個檢波器接受地震波)，可加快探測速度。

圖1為本實用新型地下溶洞地震跨孔CT探測及層析成像裝置的結構示意圖；圖2為探測區(qū)域網格剖分及射線追蹤示意圖；圖3為溶洞位置圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例，進一步闡明本實用新型，應理解這些實施例僅用于說明本實用新型而不用于限制本實用新型的范圍，在閱讀了本實用新型之后，本領域技術人員對本實用新型的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。如圖1、2所示，本實用新型具體實施方式
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，對鉆孔內做適當進行處理對鉆孔內的掉石進行清理，以保證檢波器和電火花震源可下至所需達到的深度。(2)檢波器安放將一串檢波器1-12放入第一鉆孔13內，檢波器垂直間距滿足設計要求，檢波器通過第一電纜17與地震儀19連接。確保12個檢波器均位于地下水位以下，保證地震波的接收質量。(3)震源安放將電火花震源15放入第二鉆孔14內，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可上下自由移動。本實用新型采用升壓最大可達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)可達50m以上。(4)發(fā)電機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內置觸發(fā)開關(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激震的同時觸發(fā)開關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波信號，地震儀19將記錄的直達波信號通過第三電纜20傳到便攜式計算機21上。(5)根據采集到的地震波信號(即直達波信號)，拾取初至波走時。(6)進行波速CT層析成像a.數據處理根據射線追蹤方式，將成像方形剖面劃分為m X/ 個小正方形單元(像元)。假設慢度函數在第個小方格內為一常數I/
=;第|條射線的走時為4 (: = 1,2, 3);第1條射線在第個像元中的射線&
長度為h。則/〖U)沿h的Radon變換為“永湘==式中，/表示長度，則第I條射線的射線走時方程的離散形式可寫為ZilI1 +ii2-^2 + …+H =“(I)[0055]即=妨=1,2,…,; )(2)
J-1對所有條射線可得如下的矩陣方程
權利要求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)和計算機(21 )，在地表設有垂直的第一鉆孔(13)和第二鉆孔(14)，所述多個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)，所述激振設備置于所述第二鉆孔(14)中，該激振設備可上下自由移動，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)連接計算機(21)。
2.根據權利要求1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量為12個。
3.根據權利要求1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備和檢波器均位于地下水位以下。
4.根據權利要求1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)內置觸發(fā)開關，所述觸發(fā)開關通過第二電纜(18)連接地震儀(19)，所述激發(fā)控制系統(tǒng)(16)激震的同時觸發(fā)開關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波信號，地震儀(19)將記錄的直達波信號通過第四電纜(23 )傳輸到計算機(21)上，所述計算機(21)根據該直達波信號，拾取初至波走時并進行波速CT層析成像。
5.根據權利要求1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O. 5至I米。
6.根據權利要求1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，所述計算機(21)為便攜式計算機，所述激振設備為電火花震源(15)，所述檢波器為三分量檢波器。
專利摘要本實用新型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、地震儀和計算機，在地表設有垂直的第一鉆孔和第二鉆孔，所述多個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，所述激振設備置于所述第二鉆孔中，該激振設備可上下自由移動，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算機。本實用新型能夠對地下溶洞進行快速有效的探測。
文檔編號G01V1/00GK202837558SQ201220540340
公開日2013年3月27日 申請日期2012年10月22日 優(yōu)先權日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