淺層地震折射波法應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、磁法以及地質雷達等技術均在近地表探測中得到廣泛應用。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合應用等技術。 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點，在近地表地質研究方面發揮著重要作用，而且在不斷地發展。淺層地震折射波法自上世紀 30年代提出以來，被廣泛應用于工程地質調查中，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研究方面都取得了巨大的進步。 同其他地球物理勘探方法一樣，數據質量是基礎，而資料的處理則是關鍵，它們對于地質解釋至為重要。尤其是在采集的數據不是很好的情況下， 資料的處理則發揮著更重要的作用。 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。國內外發展現狀淺層折射波法作為工程物探的一種手段，是應用最早，也是較成熟的方法。 1919年德國人L.明特羅普（Mintrop）首先運用了折射法⑴，當時主要應用于石油勘探。到 20世紀30年代，就開始轉用于民用工程勘探。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備， 激發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準的縱測線接收系統和截距時間法 ⑵，以及傳統互換法和延遲時間法。 40年代中期，隨著工程建設項目的大量興起， 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中得到應用與發展，折射波方法己成為工程地質勘探中的一種常規方法。 50年代，在工程勘察中，淺層地震勘探以折射波法為主， 曾研究開發了多種數據采集技術和推斷解釋方法，研制了單道和多道工程地震儀，而且這些技術方法迄今仍在廣泛應用 [3]。淺層地震勘探技術的發展與地震儀器的不斷完善和發展緊密相關。 30-50年代中期，使用的是計數型單道或多道淺層地震儀。這類儀器是測量錘擊點到檢波器 （或兩個檢波器）之間的地震波傳播時間，用數字的計時單位值給出觀測值， 從而得知波速的。震源一般用人工錘擊，必要時使用小量炸藥作激發震源。 計數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多時，生產效率很低，故不能得到較高的測量精度。50年代中期到70年代初，隨著電子技術和感光材料的不斷進步，研究開發各種波形表示型多道淺層地震儀。它們是以光點聚焦（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、能進行續至波記錄以外，波形顯示本身能提供一些地震波的動力學特征 （如振幅、頻率等）。波形表示型儀器動態范圍很小、頻帶窄、信噪比低、無法重復處理和加工記錄 ；其解釋方法是在示波圖上讀取波的初至時間，手工作圖進行資料解釋，效率較低，其精度取決于資料質量和解釋人員的水平。80年代隨著信號增強型數字記錄工程地震儀的問世和計算機技術的普及，進一步促進了淺層折射波法的發展。通過信號增強，提高了抗干擾能力，改進了觀測精度和分辨率，儀器輕便、工作效率高、成本低，擴大了淺層折射波的應用范圍。采集數據記錄在磁帶上，通過計算機進行處理，使那些手工解釋難度很大的折射波方法很容易實現計算機自動成像[4_6]。近些年來，內置控制級微機、超大規模集成電路設計，具有采集與處理一體化功能的高精度綜合工程地震儀，不斷更新換代，其性能越來越強， 精度越來越高，為淺層地震勘探應用技術的發展奠定了基礎。 國內從1957年開始將淺層地震勘探試用于資源勘探、 工程地質調查等領域，當時淺層折射波法主要用于測定巖土介質的彈性。 淺層地震勘探用于工程地質勘探，從70年代中期才逐步開始，80年代開始大規模系統地發展起來。目前國內己有許多工程地震勘探生產單位和研究單位在從事工程勘探工作， 并能生產出一些采用多功能微機控制系統和采集與處理系統的高精度工程地震儀器和設備。 盡管中國的淺層地震勘探工作起步較慢，但其發展速度很快，無論在工程地質勘探還是在水文與環境地質勘察方面， 都發揮著很大的作用。資料處理發展現狀Thornburgh ⑺根據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]根據幾何地震學原理，給出了一種用相遇觀測系統折射地震資料求取水平均勻層折射界面的幾何作圖法一加減法， 并應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化層校正問題。Bathelemes[9]、Tarrant[10]、Barry[11]等提出了延遲時間法（或時間項法）。延遲時間法（或時間項法）的基礎是延遲時間的概念 [12]。延遲時間法具有方法簡單、實用、在解釋過程中作修改和校正十分方便的優點， 但是存在缺乏有效的速度解析方法、 受到傾角影響嚴重等缺點。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]等提出了截距時間法。截距時間法是折射波解釋技術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。但這種方法在地層傾角特別大或傾角與走向發生變化時， 在旅行時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構和速度變化。當深度變化平緩，速度反差大時，該方法計算的深度比較準確。但當有一些較大的構造時，會產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

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距曲線， 時深轉換因子對＜20。的傾角不太敏感，因此可以處理傾角較大的折射層構造。 而且在不規則折射界面和折射波橫向速度發生變化或存在隱蔽帶時，也可以詳細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造在基巖界面上的位置基礎上，再用高密度電法確定構造產狀。取得以下成果：① 查明了隧址區覆蓋層厚度，最深達24米左右；②推測隧址區內存在一條斷層或巖性接觸界線，編號為 F1，F1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的范圍內變化。彭驍，王鵬利用折射波法對候家梁隧道進行勘察。候家梁隧道工程測區部分地形起伏較大，工區基巖上覆地層有相對低的速度， 根據地震折射波法實測數據和分析結果， 得出候家梁隧道物探成果圖，得出的資料解釋與實際情況相符， 可信度高，為工程建設提供了有效的地質依據［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勘察。但因其解釋受地表條件及界面形態的影響而表現出多解性。 熊昌盛,顧漢明，陳毅敏，曹哲明以溫福高速鐵路某段測線內隧道工程地質探測為例 ，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、斷層位置等地質勘察任務所采用的舉措 ，以提高其勘探精度。數據采集方面的舉措：采用復合相遇追逐觀測系統、采用小藥量激發。對于初至折射資料的解釋 ，采用了長排列相遇時距曲線的0(x)求界面速度，t0值求取界面深度的方法。根據野外記錄繪制相遇時距曲線，利用復合排列對界面進行重復觀測以及利用追逐時距曲線的平行性和互換點的等時性反復對比，以準確的識別和追蹤基巖界面。 在解釋過程中，應結合工區工程地質資料，尤其在推斷斷層和速度突變段應仔細檢查初至時間的準確性。實際資料解釋結果表明 ，基于長排列追逐時距t0差數法能較好地確定隧道圍巖的速度 ［21］。蔡大江、白應甫通過結合沿海某工區的具體地震地質條件 ，應用淺層地震發射波與折射波法同步勘探新技術，較準確地推斷解釋出1.5km2面積基巖頂面埋深及第四系覆蓋層主要層位的地質剖面。通過某工區淺層地震勘探的反射波法與折射波法同步觀測技術應用實例分析有以下三點認識:(1)結合工區地質任務，靈活應用反射波法與折射波法同步觀測系統 ，做好初試階段的展開排列試驗工作，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。該方法有較強的互補功能，超淺層條件下以折射波為主，較深層時以反射波為主。它能多方位地拾取、處理、應用地震反射、折射信息 ，強化了地質推斷解釋的可靠性。 ⑵根據目前國內淺層地震資料的處理狀況 ，反射波資料應送往大型地震處理系統處理 ，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上實現人機聯作解釋 ，其效果較好。(3)在進行補充觀測系統的野外觀測時，應視地表條件來定。當地表覆蓋物變為低速薄層時，應進行補充觀測系統觀測，增加直達波空間采樣點數，求準其直達波速度。以上某工區的淺層地震反射、折射同步觀測技術，屬初次嘗試，有請各位專家批評指導，使這一方法進一步完善和提高［22］。王躍飛，龔道平，蔡大江通過對復雜山地條件、特長、大埋深的雪峰山公路隧道的工程地震勘探實例，介紹和分析了根據實地情況開發和應用的高分辨率地震震源激發技術 ，復雜地形、地質構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 ，環保型地震反射波與折射波法野外同步施工技術。由于地層巖石變質程度很深 ，后期改造強烈，地形及地層十分復雜，在這種條件下不能應用地震反射波法的經典地震學原理與模型。所以提出了新的模型，復雜山區地形與地層之間的關系是難以預測的 ，但可以把這復雜的關系歸納成 3種特殊的類型進行分析，這3種類型為：①平行關系類型（地表接收邊界與地下反射界面呈近似平行關系）。②正向斜交關系類型（地表接收邊界與地下反射界面呈正向斜交關系 ）。③反向斜交關系類型（地表接收邊界與地下反射界面呈反向斜交關系 ）［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、羅術結合實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）常規的解釋方法（如哈萊斯法，截距時間法等圖解法和解析法）計算出來的速度結構比較粗略，但方法簡便、效率高，所以在生產中得到廣泛應用。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情況。（2）折射波數值方法精度雖然比常規方法高，適于相對復雜的地質情況，但方法復雜，一般假設近地表層呈層狀，速度只在水平方向上變化，因此在非層狀結構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果，而且在實際生產中尚未得到廣泛應用。（3）在復雜的構造條件下，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。（4）近些年來，隨著各種地震勘探儀器設備和數據處理技術的發展，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（ CT等很多新方法、新技術不斷地被引入工程與水文地震勘探領域，并取得了滿意的效果，但是迄今尚未被廣泛應用。 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。引用文獻趙鴻儒，郭鐵栓，徐子君，唐文榜，孫進忠 ?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(構造和速度的橫向分辨率).地質出版社. 1989.趙德亨，田鋼，王幫兵.淺層地震折射波法綜述.世界地質， 2005,24(2):188-193.熊章強，方根顯.淺層地震勘探.地震出版社. 2002.北京鈾礦地質研究所淺層地震組?淺層地震探測方法與技術?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