单点反射波法是近年来在应用地球物理领域内逐渐发展成熟起来的一种精度高、工作简单的新方法，它是一种小偏移距、单道(或多道)连续采集的地震波近角反射法。根据近期我们对单点反射波法的探测原理及应用情况的试验研究，引入“高分辨率”探测理念，通过改进该方法常规的一些探测模式，选用特殊的配套设备，将其应用于隧道干扰严重、三维狭窄空间复杂环境下的浅层岩溶探测，其工作布置如图5-1所示。

图5-1单点反射波法工作布置示意图

在隧道中采用单点反射波法进行隐伏岩溶的探测，其测线布置、地震仪器、震源激振方式、接收器耦合条件等与地面二维空间相比，复杂程度高。特别是对于宜万铁路复杂岩溶隧道来说，要取得好的应用效果，必须充分考虑其现场数据采集的质量及有效性，因此，在方法的应用条件、仪器配套设施工作性能、外业数据采集参数选取等方面进行了探索。

一、高性能设备的选取

选取合理、高效的探测设备是进行隧道基底隐伏岩溶探测的关键，而设备的记录系统则是整个物探探测结果集中处理的载体。但衡量一种仪器记录系统性能的标准主要包括记录精度(数据数字化位数)、噪音电平、动态范围三个方面。因此，对地震仪器的选取需要满足以下基本的要求：①地震仪要具有高放大倍数、大的动态范围、较宽的通频带;②地震仪要有畸变孝精度高的性能;③具有良好的一致性。同时，在隧道复杂空间内工作，所需要的地震仪器还要体积孝重量轻、操作简便及耗电量小，且仪器坚固，能适应于潮湿、粉尘大的各种极端的环境。

综合以上特性，我们对比试验了国内外多种常用地震仪，最终确定选取各方面仪器性能均较优良的美国GEOMETICS NZ-24高分辨率信号增强型地震仪用于外业数据的采集。

二、试验合适的震源系统

选取震源系统是高分辨率地震勘探系统工程中的首要环节，是提高地震反射波法分辨率的先决条件和基础，可以说震源系统的效能关系着单点反射波法在隧道中有效应用的成败，下面将对在项目应用研究中采取的两种震源系统工作性能作详细分析。

1. 锤击震源系统

锤击震源因其经济、简便、数据采集效率高而广泛应用于浅层工程常规地震勘探中，如图5-2所示，该系统由大锤、金属垫板、锤击开关和连接电缆组成。在潮湿、牢固和坚硬的地层上使用激发效果较好，获得的信号频率较高，而在隧道中未铺底、填筑碎石碴较多、开挖干燥疏松的地表层上激发效果较差。

图5-2锤击震源

锤击震源使用时，既可与金属垫板配合使用，也可单独与锤击开关配合使用。根据隧道基底结构情况，采用以下几种组合方式进行对比验证：

(1)锤击金属垫板。一般使用在铺底面松散、填筑碎碴层较多的地段。

(2)隧道基底铺面。隧道基底铺面地表结构坚硬地段，可直接锤击垫层面。

从试验结果来看，直接锤击垫层面比锤击金属板所得到的地震波信号更多地反映了客观地质条件的变化，所产生的“系统干扰波”相对要校究其原因，锤击地面时，铁锤与地面接触时为金属与非金属材质间的作用，产生的声波干扰因素较小;锤击时，铁锤由于冲击弹性碰撞作用瞬间即离开地面，地面为一整体坚固层，自身只能产生一个很微弱的后续震荡，从而地面地震低频震荡波信号微小，可忽略不计。在锤击铁板时则由于铁锤与铁板之间为金属材质间的碰撞，带来的声波干扰极大，同时铁板在受到锤击作用后，铁板与地面之间还要产生一段时间的“晃荡”，从而使后续的地震波低频震荡干扰信号较强。

鉴于以上现场试验及原因分析，我们提出：在采用锤击震源时，应在隧道铺底完成后进行，尽量使用锤击开关，采用锤击铺底面的方式进行，而不宜采用锤击金属板的方式。

图5-3单道记录对比图

(3)小锤小能量垂直叠加与大锤大能量激发。通过试验结果分析，采用小锤小能量激发可使质点产生的位移符合小形变和小位移。

具体采取的试验方式是，选取各种不同场地，在保证能量大小基本相同的情况下，采用4磅小锤进行小能量垂直叠加技术与14磅大锤大能量一次激发相比较，以了解在两种情况下地震波波形、频率方面的变化特征及差异情况。图5-3为在某隧道基底进行的试验结果，在对比图中取了第一道进行说明，图中左边一道波形为4磅小锤进行小能量激发，采用3次垂直叠加技术得到的波形，右边一道波形为14磅大锤大能量一次激发得到的波形记录，二者震幅大小基本相同，对地层结构的整体反映情况是相似的，但从细微特征上分析，二者的差别也比较明显，左边小能量叠加记录波形明显较尖锐，右边大锤无叠加记录则波形较“胖”，表明小能量垂直叠加得到的地震波波长要短，频率稍高。此外，通过垂直叠加技术对提高地震波记录的信噪比也大有益处。

采用锤击震源虽然方便快捷，但其在隧道中使用时弊端也很明显，具体表现为：

①锤击金属板在隧道狭窄巷道空间中声波震荡干扰极大，且其激发地震波主频较低，干扰面波能量极强。

②锤击时采用人工操作，每次击打作用力的大小受人的主观意识作用较大，使得各道激发能量难以均衡控制。

③隧道环境潮湿，隧道基底面经常积水积泥，人工锤击时操作不便，且积水经常容易造成锤击回路误触发，极大地影响工作效率。

2. 研制震源系统

通过震源系统的对比研究，最终选取了国产的 “HX-GMM-SI50DA型稀土超磁致伸缩地面震源”系统用于项目的试验研究(图5-4)。这种超磁震源采用稀土材料和最新技术设计研制而成，具有频率带宽(1KHz)、余振孝延时短而固定、携带方便等特点，适合于在隧道内用于单点反射波法探测。