淺層地震折射波法應(yīng)用于隧道工程綜述引言近年來，各種地球物理方法例如地震、電磁法、電法、磁法以及地質(zhì)雷達(dá)等技術(shù)均在近地表探測中得到廣泛應(yīng)用。對地震方法而言， 有折射波法、反射波法、面波法以及折射波和反射波聯(lián)合應(yīng)用等技術(shù)。 折射波法由于簡便，效率高，初至波易于識別，資料解釋較容易等優(yōu)點(diǎn)，在近地表地質(zhì)研究方面發(fā)揮著重要作用，而且在不斷地發(fā)展。淺層地震折射波法自上世紀(jì) 30年代提出以來，被廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)調(diào)查中，無論在儀器野外采集、資料處理與解釋還是在理論方法的基礎(chǔ)研究方面都取得了巨大的進(jìn)步。 同其他地球物理勘探方法一樣，數(shù)據(jù)質(zhì)量是基礎(chǔ)，而資料的處理則是關(guān)鍵，它們對于地質(zhì)解釋至為重要。尤其是在采集的數(shù)據(jù)不是很好的情況下， 資料的處理則發(fā)揮著更重要的作用。 雖然影響折射波解釋精度的因素有很多， 但是選擇合理的處理方法來提高勘探精度， 仍不失為一種行之有效的手段。國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀淺層折射波法作為工程物探的一種手段，是應(yīng)用最早，也是較成熟的方法。 1919年德國人L.明特羅普（Mintrop）首先運(yùn)用了折射法⑴，當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用于石油勘探。到 20世紀(jì)30年代，就開始轉(zhuǎn)用于民用工程勘探。最初在近地表地震探測中，震源、地震儀器和檢波器都是用石油勘探中采用的方法和設(shè)備， 激發(fā)地震波通常使用炸藥震源。1939年EWing在TOC\o"1-5"\h\z其文章《GeophysicalinvestigationsintheemergedandsubmergedAtlanticCoastalPlain》就提出了目前這種標(biāo)準(zhǔn)的縱測線接收系統(tǒng)和截距時(shí)間法 ⑵，以及傳統(tǒng)互換法和延遲時(shí)間法。 40年代中期，隨著工程建設(shè)項(xiàng)目的大量興起， 淺層地震勘探就開始在土木工程、 交通工程以及其他工程地質(zhì)中得到應(yīng)用與發(fā)展，折射波方法己成為工程地質(zhì)勘探中的一種常規(guī)方法。 50年代，在工程勘察中，淺層地震勘探以折射波法為主， 曾研究開發(fā)了多種數(shù)據(jù)采集技術(shù)和推斷解釋方法，研制了單道和多道工程地震儀，而且這些技術(shù)方法迄今仍在廣泛應(yīng)用 [3]。淺層地震勘探技術(shù)的發(fā)展與地震儀器的不斷完善和發(fā)展緊密相關(guān)。 30-50年代中期，使用的是計(jì)數(shù)型單道或多道淺層地震儀。這類儀器是測量錘擊點(diǎn)到檢波器 （或兩個(gè)檢波器）之間的地震波傳播時(shí)間，用數(shù)字的計(jì)時(shí)單位值給出觀測值， 從而得知波速的。震源一般用人工錘擊，必要時(shí)使用小量炸藥作激發(fā)震源。 計(jì)數(shù)型淺層地震儀只能用于初至波測量， 在求速度斷面或觀測點(diǎn)多時(shí)，生產(chǎn)效率很低，故不能得到較高的測量精度。50年代中期到70年代初，隨著電子技術(shù)和感光材料的不斷進(jìn)步，研究開發(fā)各種波形表示型多道淺層地震儀。它們是以光點(diǎn)聚焦（或照相、傳真）方式將地震波記錄在電敏紙（或感光紙、照相紙、熱敏紙）上的。這類儀器除了其波形顯示方式具有直觀顯示、能進(jìn)行續(xù)至波記錄以外，波形顯示本身能提供一些地震波的動力學(xué)特征 （如振幅、頻率等）。波形表示型儀器動態(tài)范圍很小、頻帶窄、信噪比低、無法重復(fù)處理和加工記錄 ；其解釋方法是在示波圖上讀取波的初至?xí)r間，手工作圖進(jìn)行資料解釋，效率較低，其精度取決于資料質(zhì)量和解釋人員的水平。80年代隨著信號增強(qiáng)型數(shù)字記錄工程地震儀的問世和計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，進(jìn)一步促進(jìn)了淺層折射波法的發(fā)展。通過信號增強(qiáng)，提高了抗干擾能力，改進(jìn)了觀測精度和分辨率，儀器輕便、工作效率高、成本低，擴(kuò)大了淺層折射波的應(yīng)用范圍。采集數(shù)據(jù)記錄在磁帶上，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，使那些手工解釋難度很大的折射波方法很容易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動成像[4_6]。近些年來，內(nèi)置控制級微機(jī)、超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)，具有采集與處理一體化功能的高精度綜合工程地震儀，不斷更新?lián)Q代，其性能越來越強(qiáng)， 精度越來越高，為淺層地震勘探應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 國內(nèi)從1957年開始將淺層地震勘探試用于資源勘探、 工程地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域，當(dāng)時(shí)淺層折射波法主要用于測定巖土介質(zhì)的彈性。 淺層地震勘探用于工程地質(zhì)勘探，從70年代中期才逐步開始，80年代開始大規(guī)模系統(tǒng)地發(fā)展起來。目前國內(nèi)己有許多工程地震勘探生產(chǎn)單位和研究單位在從事工程勘探工作， 并能生產(chǎn)出一些采用多功能微機(jī)控制系統(tǒng)和采集與處理系統(tǒng)的高精度工程地震儀器和設(shè)備。 盡管中國的淺層地震勘探工作起步較慢，但其發(fā)展速度很快，無論在工程地質(zhì)勘探還是在水文與環(huán)境地質(zhì)勘察方面， 都發(fā)揮著很大的作用。資料處理發(fā)展現(xiàn)狀Thornburgh ⑺根據(jù)地震波傳播的惠更斯原理，提出了一種圖解法一波前法。Hagedoorn[8]根據(jù)幾何地震學(xué)原理，給出了一種用相遇觀測系統(tǒng)折射地震資料求取水平均勻?qū)诱凵浣缑娴膸缀巫鲌D法一加減法， 并應(yīng)用加減法成功地解決了淺層折射波解釋和地震反射折射勘探中的風(fēng)化層校正問題。Bathelemes[9]、Tarrant[10]、Barry[11]等提出了延遲時(shí)間法（或時(shí)間項(xiàng)法）。延遲時(shí)間法（或時(shí)間項(xiàng)法）的基礎(chǔ)是延遲時(shí)間的概念 [12]。延遲時(shí)間法具有方法簡單、實(shí)用、在解釋過程中作修改和校正十分方便的優(yōu)點(diǎn)， 但是存在缺乏有效的速度解析方法、 受到傾角影響嚴(yán)重等缺點(diǎn)。因此該方法比較適用于傾角影響可以忽略的深部折射地震解釋。Adachi[13]、Mota[14]、Johnson[15]等提出了截距時(shí)間法。截距時(shí)間法是折射波解釋技術(shù)中人所共知的一種方法。 該方法比較簡單，可適用于任意層數(shù)。但這種方法在地層傾角特別大或傾角與走向發(fā)生變化時(shí)， 在旅行時(shí)間曲線上識別出每一層的困難較大， 因此僅適用于地層呈平面和其傾角v 10°的淺層折射地震解釋。HawkinsL.V.[16]在1961年提出互換法，它是一種最簡單的方法，能確定簡單的折射層結(jié)構(gòu)和速度變化。當(dāng)深度變化平緩，速度反差大時(shí)，該方法計(jì)算的深度比較準(zhǔn)確。但當(dāng)有一些較大的構(gòu)造時(shí)，會產(chǎn)生虛假速度并對界面造成圓滑作用。Palmer（1980,1981）提出的廣義互換法（GRM），可以利用相遇剖面處理非常不規(guī)

則的折射層[17、則的折射層[17、18]。該方法由于使用了正反向時(shí)距曲線， 時(shí)深轉(zhuǎn)換因子對＜20。的傾角不太敏感，因此可以處理傾角較大的折射層構(gòu)造。 而且在不規(guī)則折射界面和折射波橫向速度發(fā)生變化或存在隱蔽帶時(shí)，也可以詳細(xì)地繪制出折射面的起伏。姜賢斌，都彤宇［19］通過綜合分析地震折射波法、高密度電法資料對杭寧鐵路某隧道進(jìn)行勘察。其中以淺層地震折射波法為主， 在淺層地震折射波法確定構(gòu)造在基巖界面上的位置基礎(chǔ)上，再用高密度電法確定構(gòu)造產(chǎn)狀。取得以下成果：① 查明了隧址區(qū)覆蓋層厚度，最深達(dá)24米左右；②推測隧址區(qū)內(nèi)存在一條斷層或巖性接觸界線，編號為 F1，F(xiàn)1位于DK195+440?DK195+460位置，走向北東，南東傾，傾角約75度，視寬約20米；③查明隧道圍巖縱波速度及圍巖級別， 該隧道基巖界面波速沿測線差異較大， 總體在2.35?5.35km/s的范圍內(nèi)變化。彭驍，王鵬利用折射波法對候家梁隧道進(jìn)行勘察。候家梁隧道工程測區(qū)部分地形起伏較大，工區(qū)基巖上覆地層有相對低的速度， 根據(jù)地震折射波法實(shí)測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果， 得出候家梁隧道物探成果圖，得出的資料解釋與實(shí)際情況相符， 可信度高，為工程建設(shè)提供了有效的地質(zhì)依據(jù)［20］。地震折射波法以其能夠確定折射界面的速度而廣泛用于工程地質(zhì)勘察。但因其解釋受地表?xiàng)l件及界面形態(tài)的影響而表現(xiàn)出多解性。 熊昌盛,顧漢明，陳毅敏，曹哲明以溫福高速鐵路某段測線內(nèi)隧道工程地質(zhì)探測為例 ，闡述了淺層地震折射波探測方法用于查明隧道的基巖埋深、圍巖類別、斷層位置等地質(zhì)勘察任務(wù)所采用的舉措 ，以提高其勘探精度。數(shù)據(jù)采集方面的舉措：采用復(fù)合相遇追逐觀測系統(tǒng)、采用小藥量激發(fā)。對于初至折射資料的解釋 ，采用了長排列相遇時(shí)距曲線的0(x)求界面速度，t0值求取界面深度的方法。根據(jù)野外記錄繪制相遇時(shí)距曲線，利用復(fù)合排列對界面進(jìn)行重復(fù)觀測以及利用追逐時(shí)距曲線的平行性和互換點(diǎn)的等時(shí)性反復(fù)對比，以準(zhǔn)確的識別和追蹤基巖界面。 在解釋過程中，應(yīng)結(jié)合工區(qū)工程地質(zhì)資料，尤其在推斷斷層和速度突變段應(yīng)仔細(xì)檢查初至?xí)r間的準(zhǔn)確性。實(shí)際資料解釋結(jié)果表明 ，基于長排列追逐時(shí)距t0差數(shù)法能較好地確定隧道圍巖的速度 ［21］。蔡大江、白應(yīng)甫通過結(jié)合沿海某工區(qū)的具體地震地質(zhì)條件 ，應(yīng)用淺層地震發(fā)射波與折射波法同步勘探新技術(shù)，較準(zhǔn)確地推斷解釋出1.5km2面積基巖頂面埋深及第四系覆蓋層主要層位的地質(zhì)剖面。通過某工區(qū)淺層地震勘探的反射波法與折射波法同步觀測技術(shù)應(yīng)用實(shí)例分析有以下三點(diǎn)認(rèn)識:(1)結(jié)合工區(qū)地質(zhì)任務(wù)，靈活應(yīng)用反射波法與折射波法同步觀測系統(tǒng) ，做好初試階段的展開排列試驗(yàn)工作，確定即能提高工作效率又能多方位拾取反射、折射波的觀測及采集參數(shù)。該方法有較強(qiáng)的互補(bǔ)功能，超淺層條件下以折射波為主，較深層時(shí)以反射波為主。它能多方位地拾取、處理、應(yīng)用地震反射、折射信息 ，強(qiáng)化了地質(zhì)推斷解釋的可靠性。 ⑵根據(jù)目前國內(nèi)淺層地震資料的處理狀況 ，反射波資料應(yīng)送往大型地震處理系統(tǒng)處理 ，可選用多種處理方法壓制干擾，提高信噪比分辨率。折射波資料可在微機(jī)上實(shí)現(xiàn)人機(jī)聯(lián)作解釋 ，其效果較好。(3)在進(jìn)行補(bǔ)充觀測系統(tǒng)的野外觀測時(shí)，應(yīng)視地表?xiàng)l件來定。當(dāng)?shù)乇砀采w物變?yōu)榈退俦訒r(shí)，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充觀測系統(tǒng)觀測，增加直達(dá)波空間采樣點(diǎn)數(shù)，求準(zhǔn)其直達(dá)波速度。以上某工區(qū)的淺層地震反射、折射同步觀測技術(shù)，屬初次嘗試，有請各位專家批評指導(dǎo)，使這一方法進(jìn)一步完善和提高［22］。王躍飛，龔道平，蔡大江通過對復(fù)雜山地條件、特長、大埋深的雪峰山公路隧道的工程地震勘探實(shí)例，介紹和分析了根據(jù)實(shí)地情況開發(fā)和應(yīng)用的高分辨率地震震源激發(fā)技術(shù) ，復(fù)雜地形、地質(zhì)構(gòu)造條件下共排列雙向變偏移距高分辨率反射波多次覆蓋技術(shù) ，環(huán)保型地震反射波與折射波法野外同步施工技術(shù)。由于地層巖石變質(zhì)程度很深 ，后期改造強(qiáng)烈，地形及地層十分復(fù)雜，在這種條件下不能應(yīng)用地震反射波法的經(jīng)典地震學(xué)原理與模型。所以提出了新的模型，復(fù)雜山區(qū)地形與地層之間的關(guān)系是難以預(yù)測的 ，但可以把這復(fù)雜的關(guān)系歸納成 3種特殊的類型進(jìn)行分析，這3種類型為：①平行關(guān)系類型（地表接收邊界與地下反射界面呈近似平行關(guān)系）。②正向斜交關(guān)系類型（地表接收邊界與地下反射界面呈正向斜交關(guān)系 ）。③反向斜交關(guān)系類型（地表接收邊界與地下反射界面呈反向斜交關(guān)系 ）［23］。由于高頻大地電磁法EH2受外界干擾影響較大無法對隱伏斷層的低阻異常做出準(zhǔn)確的判斷，同樣淺層地震折射波法不能對隱伏的斷層破碎帶做出合理的解釋 ，孫茂銳、羅術(shù)結(jié)合實(shí)例通過兩種方法的相互印證可以推斷出隱伏斷層的位置和走向 ［24］。評述（1）常規(guī)的解釋方法（如哈萊斯法，截距時(shí)間法等圖解法和解析法）計(jì)算出來的速度結(jié)構(gòu)比較粗略，但方法簡便、效率高，所以在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。但這類方法往往只能解決地形起伏平緩，界面傾角較小，地層橫向速度近似不變的比較簡單的地質(zhì)情況。（2）折射波數(shù)值方法精度雖然比常規(guī)方法高，適于相對復(fù)雜的地質(zhì)情況，但方法復(fù)雜，一般假設(shè)近地表層呈層狀，速度只在水平方向上變化，因此在非層狀結(jié)構(gòu)或折射波難以識別的情況下，用這類方法就得不到滿意的結(jié)果，而且在實(shí)際生產(chǎn)中尚未得到廣泛應(yīng)用。（3）在復(fù)雜的構(gòu)造條件下，由于物探的多解性#單一的物探方法往往不能很好地解決問題 $綜合物探方法作為一種快速的普查手段，可以為物探異常提供更多的有力證據(jù)。（4）近些年來，隨著各種地震勘探儀器設(shè)備和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，高分辨率淺層地震勘探、瑞雷面波勘探方法、地震波層析技術(shù)（ CT等很多新方法、新技術(shù)不斷地被引入工程與水文地震勘探領(lǐng)域，并取得了滿意的效果，但是迄今尚未被廣泛應(yīng)用。 因此，淺層初至折射波法至今仍是工程地震勘探中重要方法之一。引用文獻(xiàn)趙鴻儒，郭鐵栓，徐子君，唐文榜，孫進(jìn)忠 ?工程多波地震勘探?地震出版社.1996.TOC\o"1-5"\h\z德力克?帕爾默.折射地震學(xué)(構(gòu)造和速度的橫向分辨率).地質(zhì)出版社. 1989.趙德亨，田鋼，王幫兵.淺層地震折射波法綜述.世界地質(zhì)， 2005,24(2):188-193.熊章強(qiáng)，方根顯.淺層地震勘探.地震出版社. 2002.北京鈾礦地質(zhì)研究所淺層地震組?淺層地震探測方法與技術(shù)?原子能出版社. 1982.StamJC.Mordendevelopmentsinshallowseismicrefractiontechniques[J] .Geophysics,1962,27:198-212.ThornburghHR.Wave-frontdiagramsinseismicinterpretation[J]BullAmerAssocPetrodeumGeologists,1930,14(2)：185-200.HagedoornJGTheplus-minusmethodofinterpretingseismicrefractionsections[J].GeophProsp,1959,7(2):158-182.BarthelmesAJ.Applicationofcontinuousprofilingtorefractionshooting[J].Geophysics,1946,11:24-42.TarrantLH.Arapidmethodofdeterminingthefromofaseismicrefractorfromlineprofileresults[J].GeophProsp,1956.4:131-139.BarryKM.Delaytimeanditsapplicationtorefractionprofileinterpretation[C]//MusgraveAW.Seismicrefractionprospecting.Tulsa,Okla:SocExplGeophy,1967:348-361.GardnerLW.Anareaplanofmappingsubsurfacestructurebyrefractionshooting[J].Geophysics,1939,4:247-259.AdachiR.Onaproofoffundamentalformulaconcerningrefractionmethodofgeophysicalprospectingandsomeremarks[J].Kurruzrnoto.JSci,1954,2:18-23.MotaL.Determinationofdipsanddepthsofgeologicallayersbytheseismicrefractionmethod[J].Geophysics,1954.19:242-254.JohnsonSH.Interpretationofsplitdiprefractiondataintermsofplanedippinglayers[J].Geophysics,1976,41:418-424.Hawkins LV.Thereciprocalmethodofroutineshallowse