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1、 浅层地震折射波法应用于隧道工程综述引言近年来，各种地球物理方法例如地震、电磁法、电法、磁法以及地质雷达等技术均在近地表探测中得到广泛应用。对地震方法而言，有折射波法、反射波法、面波法以及折射波和反射波联合应用等技术。折射波法由于简便，效率高，初至波易于识别，资料解释较容易等优点，在近地表地质研究方面发挥着重要作用，而且在不断地发展。浅层地震折射波法自上世纪 30 年代提出以来，被广泛应用于工程地质调查中，无论在仪器野外采集、资料处理与解释还是在理论方法的基础研究方面都取得了巨大的进步。同其他地球物理勘探方法一样，数据质量是基础，而资料的处理则是关键，它们对于地质解释至为重要。尤其是在采集的数
2、据不是很好的情况下，资料的处理则发挥着更重要的作用。虽然影响折射波解释精度的因素有很多，但是选择合理的处理方法来提高勘探精度，仍不失为一种行之有效的手段。国内外发展现状浅层折射波法作为工程物探的一种手段，是应用最早，也是较成熟的方法。1919 年德国人 L.明特罗普（Mintrop）首先运用了折射法 ，当时主要应用于石油勘探。到 20 世1纪 30 年代，就开始转用于民用工程勘探。最初在近地表地震探测中，震源、地震仪器和检波器都是用石油勘探中采用的方法和设备，激发地震波通常使用炸药震源。1939 年 EWing 在其文章 Geophysical investigations in theeme
3、rged and submerged Atlantic Coastal Plain就提出了目前这种标准的纵测线接收系统和截距时间法 ，以及传统互换法和延迟2时间法。40 年代中期，随着工程建设项目的大量兴起，浅层地震勘探就开始在土木工程、交通工程以及其他工程地质中得到应用与发展，折射波方法己成为工程地质勘探中的一种常规方法。50 年代，在工程勘察中，浅层地震勘探以折射波法为主，曾研究开发了多种数据采集技术和推断解释方法，研制了单道和多道工程地震仪，而且这些技术方法迄今仍在广泛应用 。3浅层地震勘探技术的发展与地震仪器的不断完善和发展紧密相关。30-50 年代中期，使用的是计数型单道或多道浅层地
4、震仪。这类仪器是测量锤击点到检波器(或两个检波器)之间的地震波传播时间，用数字的计时单位值给出观测值，从而得知波速的。震源一般用人工锤击，必要时使用小量炸药作激发震源。计数型浅层地震仪只能用于初至波测量，在求速度断面或观测点多时，生产效率很低，故不能得到较高的测量精度。50 年代中期到 70 年代初，随着电子技术和感光材料的不断进步，研究开发各种波形表示型多道浅层地震仪。它们是以光点聚焦(或照相、传真) 方式将地震波记录在电敏纸(或感光纸、照相纸、热敏纸)上的。这类仪器除了其波形显示方式具有直观显示、能进行续至波记录以外，波形显示本身能提供一些地震波的动力学特征(如振幅、频率等) 。波形表示型
5、仪器动态范围很小、频带窄、信噪比低、无法重复处理和加工记录;其解释方法是在示波图上读取波的初至时间，手工作图进行资料解释，效率较低，其精度取决于资料质量和解释人员的水平。80 年代随着信号增强型数字记录工程地震仪的问世和计算机技术的普及，进一步促进了浅层折射波法的发展。通过信号增强，提高了抗干扰能力，改进了观测精度和分辨率，仪器轻便、工作效率高、成本低，扩大了浅层折射波的应用范围。采集数据记录在磁带上，通过计算机进行处理，使那些手工解释难度很大的折射波方法很容易实现计算机自动成像。64近些年来，内置控制级微机、超大规模集成电路设计，具有采集与处理一体化功能的高精度综合工程地震仪，不断更新换代，
6、其性能越来越强，精度越来越高，为浅层地震勘探应用技术的发展奠定了基础。国内从 1957 年开始将浅层地震勘探试用于资源勘探、工程地质调查等领域，当时浅层折射波法主要用于测定岩土介质的弹性。浅层地震勘探用于工程地质勘探，从 70 年代中期才逐步开始，80 年代开始大规模系统地发展起来。目前国内己有许多工程地震勘探生产单位和研究单位在从事工程勘探工作，并能生产出一些采用多功能微机控制系统和采集与处理系统的高精度工程地震仪器和设备。尽管中国的浅层地震勘探工作起步较慢，但其发展速度很快，无论在工程地质勘探还是在水文与环境地质勘察方面，都发挥着很大的作用。资料处理发展现状Thornburgh 根据地震波
7、传播的惠更斯原理，提出了一种图解法波前法。7Hagedoorn 根据几何地震学原理，给出了一种用相遇观测系统折射地震资料求取水8平 均匀层折射界面的几何作图法加减法，并应用加减法成功地解决了浅层折射波解释和地震反射折射勘探中的风化层校正问题。Bathelemes 、Tarrant 、Barry 等提出了延迟时间法（或时间项法）。延迟时9101间法（或时间项法）的基础是延迟时间的概念 。延迟时间法具有方法简单、实用、在解2释过程中作修改和校正十分方便的优点，但是存在缺乏有效的速度解析方法、受到倾角影响严重等缺点。因此该方法比较适用于倾角影响可以忽略的深部折射地震解释。Adachi 、Mota 、
8、Johnson 等提出了截距时间法。截距时间法是折射波解释131415技术中人所共知的一种方法。该方法比较简单，可适用于任意层数。但这种方法在地层倾角特别大或倾角与走向发生变化时，在旅行时间曲线上识别出每一层的困难较大，因此仅适用于地层呈平面和其倾角10的浅层折射地震解释。Hawkins L. V. 在 1961 年提出互换法，它是一种最简单的方法，能确定简单的折16射层结构和速度变化。当深度变化平缓，速度反差大时，该方法计算的深度比较准确。但当有一些较大的构造时，会产生虚假速度并对界面造成圆滑作用。Palmer（1980，1981）提出的广义互换法（GRM），可以利用相遇剖面处理非常不规则的
9、折射层 。该方法由于使用了正反向时距曲线，时深转换因子对20的倾角不太187、敏感，因此可以处理倾角较大的折射层构造。而且在不规则折射界面和折射波横向速度发生变化或存在隐蔽带时，也可以详细地绘制出折射面的起伏。姜贤斌，都彤宇 通过综合分析地震折射波法、高密度电法资料对杭宁铁路某隧道进19行勘察。其中以浅层地震折射波法为主，在浅层地震折射波法确定构造在基岩界面上的位置基础上，再用高密度电法确定构造产状。取得以下成果： 查明了隧址区覆盖层厚度，最深达24米左右；推测隧址区内存在一条断层或岩性接触界线，编号为F1，F1 位于DK195+440DK195+460 位置，走向北东，南东倾，倾角约 75
10、度，视宽约20 米； 查明隧道围岩纵波速度及围岩级别，该隧道基岩界面波速沿测线差异较大，总体在2.355.35km/s 的范围内变化。彭骁，王鹏利用折射波法对候家梁隧道进行勘察。候家梁隧道工程测区部分地形起伏较大，工区基岩上覆地层有相对低的速度，根据地震折射波法实测数据和分析结果，得出候家梁隧道物探成果图，得出的资料解释与实际情况相符，可信度高，为工程建设提供了有效的地质依据 。20地震折射波法以其能够确定折射界面的速度而广泛用于工程地质勘察。但因其解释受地表条件及界面形态的影响而表现出多解性。熊昌盛,顾汉明,陈毅敏,曹哲明以温福高速铁路某段测线内隧道工程地质探测为例,阐述了浅层地震折射波探测
11、方法用于查明隧道的基岩埋深、围岩类别、断层位置等地质勘察任务所采用的举措,以提高其勘探精度。数据采集方面的举措:采用复合相遇追逐观测系统、采用小药量激发。 对于初至折射资料的解释,采用了长排列相遇时距曲线的 ( x ) 求界面速度, t0 值求取界面深度的方法。根据野外记录绘制相遇时距曲线,利用复合排列对界面进行重复观测以及利用追逐时距曲线的平行性和互换点的等时性反复对比,以准确的识别和追踪基岩界面。在解释过程中,应结合工区工程地质资料,尤其在推断断层和速度突变段应仔细检查初至时间的准确性。实际资料解释结果表明,基于长排列追逐时距t0 差数法能较好地确定隧道围岩的速度 。21蔡大江、白应甫通过
12、结合沿海某工区的具体地震地质条件,应用浅层地震发射波与折射波法同步勘探新技术,较准确地推断解释出l.5 面积基岩顶面埋深及第四系覆盖层主要层km位的地质剖面。通过某工区浅层地震勘探的反射波法与折射波法同步观测技术应用实例分析,有以下三点认识:(1)结合工区地质任务,灵活应用反射波法与折射波法同步观测系统,做好初试阶段的展开排列试验工作,确定即能提高工作效率又能多方位拾取反射、折射波的观测及采集参数。该方法有较强的互补功能,超浅层条件下以折射波为主,较深层时以反射波为主。它能多方位地拾取、处理、应用地震反射、折射信息,强化了地质推断解释的可靠性。(2)根据目前国内浅层地震资料的处理状况,反射波资
13、料应送往大型地震处理系统处理,可选用多种处理方法压制干扰,提高信噪比分辨率。折射波资料可在微机上实现人机联作解释,其效果较好。(3)在进行补充观测系统的野外观测时,应视地表条件来定。当地表覆盖物变为低速薄层时,应进行补充观测系统观测,增加直达波空间采样点数,求准其直达波速度。以上某工区的浅层地震反射、折射同步观测技术,属初次尝试,有请各位专家批评指导,使这一方法进一步完善和提高 。2王跃飞, 龚道平, 蔡大江通过对复杂山地条件、特长、大埋深的雪峰山公路隧道的工程地震勘探实例, 介绍和分析了根据实地情况开发和应用的高分辨率地震震源激发技术,复杂地形、地质构造条件下共排列双向变偏移距高分辨率反射波
14、多次覆盖技术,环保型地震反射波与折射波法野外同步施工技术。由于地层岩石变质程度很深, 后期改造强烈,地形及地层十分复杂,在这种条件下不能应用地震反射波法的经典地震学原理与模型。所以提出了新的模型，复杂山区地形与地层之间的关系是难以预测的, 但可以把这复杂的关系归纳成3种特殊的类型进行分析, 这3种类型为: 平行关系类型(地表接收边界与地下反射界面呈近似平行关系)。正向斜交关系类型(地表接收边界与地下反射界面呈正向斜交关系)。反向斜交关系类型(地表接收边界与地下反射界面呈反向斜交关系) 。23 由于高频大地电磁法EH2受外界干扰影响较大无法对隐伏断层的低阻异常做出准确的判断,同样浅层地震折射波法
15、不能对隐伏的断层破碎带做出合理的解释,孙茂锐、罗术结合实例通过两种方法的相互印证可以推断出隐伏断层的位置和走向 。24评述（1）常规的解释方法（如哈莱斯法，截距时间法等图解法和解析法）计算出来的速度结构比较粗略，但方法简便、效率高，所以在生产中得到广泛应用。但这类方法往往只能解决地形起伏平缓，界面倾角较小，地层横向速度近似不变的比较简单的地质情况。（2）折射波数值方法精度虽然比常规方法高，适于相对复杂的地质情况，但方法复杂，一般假设近地表层呈层状，速度只在水平方向上变化，因此在非层状结构或折射波难以识别的情况下，用这类方法就得不到满意的结果，而且在实际生产中尚未得到广泛应用。（3）在复杂的构造
16、条件下，由于物探的多解性#单一的物探方法往往不能很好地解决问题$综合物探方法作为一种快速的普查手段，可以为物探异常提供更多的有力证据。（4）近些年来，随着各种地震勘探仪器设备和数据处理技术的发展，高分辨率浅层地震勘探、瑞雷面波勘探方法、地震波层析技术（CT）等很多新方法、新技术不断地被引入工程与水文地震勘探领域，并取得了满意的效果，但是迄今尚未被广泛应用。因此，浅层初至折射波法至今仍是工程地震勘探中重要方法之一。引用文献1 赵鸿儒，郭铁栓，徐子君，唐文榜，孙进忠.工程多波地震勘探 .地震出版社.1996.2 德力克帕尔默折射地震学（构造和速度的横向分辨率）地质出版社19893 赵德亨，田钢，王帮兵浅层地震折射波法综述世界地质，2005,24(2):188-193 4 熊章强，方根显浅层地震勘探地震出版社2002 5 北京铀矿地质研究所浅层地震组浅层地震探测方法与技术
