地震折射層析成像法在隧道勘察中的應用

劉世奇

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

地震折射層析法(The tomographic method)是近十年來發展起來的一種新的地震折射解釋方法。它有效地克服了一般折射解釋方法的缺點，是目前較先進的折射解釋方法。

介紹了使用Plotrefa軟件中的折射層析法解釋隧道圍巖分級的效果，并與傳統地震折射解釋方法效果進行比較，參照其他地球物理方法解釋結果，證明了該方法在隧道圍巖分級應用方面的有效性及優越性。

1 地震折射層析法的基本原理

方法的關鍵是對模型進行射線追蹤。射線追蹤的方法較多，如早期的打靶法和彎曲法;20世紀80年代提出的程函方程有限差分法和最小走時樹方法［1－2］。程序采用了二維最小走時樹方法。

二維最小走時樹方法由Nakanishi和Yamaguchi于1986年提出［3］，后來得到了不斷的發展和完善。這種方法以費馬原理和惠更斯－菲涅爾原理為理論基礎，克服了傳統方法的缺陷，計算速度較快，可一次性地追蹤到整個空間任一節點的全局最小走時路徑和最小走時。該方法原理簡單，易于實現，而且能夠適應復雜的地質模型。首先對模型進行射線追蹤，計算炮點至檢波點間的最小走時;然后與實測初至波走時進行比較，通過修改模型，反復疊代，使計算與實測初至波走時之差達到最小，則此時的速度模型即為反演結果。

二維最小走時樹方法首先將二維地質模型離散化為一定數量的四邊形單元，每個單元內速度均勻，速度的非均勻性體現在各個單元間的速度變化。每個單元的四邊都分布著一定數量的節點，射線只通過這些節點進行傳播。

根據惠更斯原理，地震波傳播到某一節點時，該節點成為一個新的波源向四周傳播子波，其傳播路徑只與相鄰單元的節點有關。根據費馬原理，只計算相對于子波源與檢波點距離減少的節點的旅行［3－6］。

2 處理關鍵技術

編輯好軟件所需的初至時間文件及地形文件，即可對數據進行反演。在進行反演前，要給定初始速度模型，模型一般按層狀模型給出(二層或三層)。模型可以是其他解釋方法的解釋結果(如時間場法、互換時法等)，也可以根據地質模型自行設計。

層析反演對初始速度模型的依賴較小。如果初始模型給的合適，可以加快反演進度，否則，反演的時間要長一些。特別對速度橫向不均勻、速度漸變層，層析法反演的結果與初始速度模型出入較大。

初次反演后，可根據反演結果改變模型層，如果速度層起伏較大，則應設較多的層。各層的初始速度值參照初次反演結果。層參數設定好后，即可設定迭代次數(最多不超過10次)，各參數設定好后即可再次反演，直到反演誤差滿足要求為止(小于5 ms)。

3 野外測線布置

與一般的折射法相比，層析法則要求更多的炮點，特別是速度橫向不均勻變化的地方，應加密炮點。另外應測量每一個檢波點和炮點的高程和平面坐標，這樣才能使反演更精確，否則反演的擬合誤差有可能較大，不能滿足勘探要求。一般說來，24道排列應有5～8炮(本次勘察所用炮數為7炮)。

4 工程應用實例

工區位于內蒙古赤峰地區，隧道地處燕山余脈與陰山的交匯地帶，是內蒙古高原向松遼平原的過渡地段，地貌屬剝蝕中低山區，是大青山的東緣地區。地表大部覆蓋新黃土，植被稀疏，僅個別溝谷中有人工林發育。隧道所經山脈海拔高程一般在1 106～1 163m之間，最高點(里程為DK467+160.0)海拔高程1 163m，隧道最大埋深68m。隧道范圍穿越地層較單一，地表覆蓋為第四系上更新統坡洪積(Q3dl+pl)新黃土;洞身范圍經過的地層為二疊系中統(P2)砂巖。

測試采用Geomitrics公司NZ24道地震儀，24道接收，道間距10m;每排列布設7個炮點，炮點沿線位貫通。同時該工區還采用人工源大地電磁法勘察。

圖1是隧道傳統地震折射表層剝去法解釋成果，可以看出，DK467+250～DK467+280里程段洞身處圍巖縱波速度為2.5 km/s，推斷該處存在斷層(F1)。

圖1 傳統地震折射表層剝去法解釋成果

由于圖1中F1的推斷所依靠的是縱波速度的橫向急劇下降，然而表層剝去法解釋過程中，得到此低速的檢波點只有3個點，勉強可以得到這個速度。同時該速度可能是手工解釋過程中的誤差所致，該速度的真實性需要其他地球物理方法的驗證方能證明。這也是傳統地震折射解釋方法(表層剝去法、T0法等)的缺陷之一，在精度上存在較大誤差。

因此，我們嘗試用層析成像法解釋該隧道折射數據(見圖2)。

圖2 地震折射層析成像法解釋成果

對比圖1及圖2中可以看出，總體上兩種方法解釋的測區縱波分布呈現一致性，這也側面驗證了層析成像法的準確性。于此同時，在細部刻畫及深部反應中，層析成像法大大優于傳統解釋方法。

根據等值線的分布，圖2中可以清晰看出波速的分布情況，DK467+260～DK467+340里程段存在橫向低速異常，推斷該處存在斷層(F1)。即圖1中勉強推斷的斷層F1在層析成像圖中可以清晰得出結論。

同時，圖1中的解釋成果缺乏深部信息，這點在圖2中也有了明顯改觀。等值線的走勢可以清楚判識地層深部波速分布情況，為深部地層的地質解釋提供了新的地球物理依據。

圖3給出了該區段人工源大地電磁解釋成果，圖中的電阻率等值線分布與圖2的縱波速度等值線存在總體一致性，圖2中推斷斷層的位置，圖3中該處同樣存在橫向電阻率的高低阻分界，間接證明了地震折射層析成像法的精確可靠。

圖3 人工源大地電磁法(GDP－32解釋成果)

5 結束語

折射層析成像法對于圍巖波速的細致分層，能夠為隧道設計提供更為直接的幫助。尤其對速度橫向不均勻、速度界面起伏較大或速度漸變層等情況，該方法都有較好的解釋效果。與傳統解釋方法相比，該方法能夠得到更為細致的波速分布情況及斷層構造。

本次隧道勘察中采用了地震折射層析法并結合其他物探技術，相互佐證，綜合分析后，對成果進行綜合解譯，準確反映了隧道的地質情況，是一次成功的工程地質勘察。

應注意的是，折射層析成像法在野外布置上需更多的炮點，特別是在速度變化或地形變化較大的地方應加密炮點。另外，應對檢波點和炮點位置及地面高程進行測量，才能取得高質量的成果。

［1］韓永琦，李來喜，昌彥君．地震折射層析法在隧道圍巖松動圈測試中的應用［J］．工程地球物理學報，2004，1(5):412-417．

［2］張云妹，顧漢明，師學明．基于MORSER曲射線追蹤的SIRT聲波層析成像［J］．工程地球物理學報，2004，2(3):167-176

［3］Nakanishi I，Yamaguchi K．A numerical experiment on nonlinear image reconstruction from first－arrival times for two-dimensional island arc structure［J］．J．Phys．Earth，1986，34(2):195-201

［4］Moser T J．Shortest path calculation of seismic rays［J］．Geophysics，1991，56(1):59-67

［5］Cao S，Greenhalgh S．Calculation of the seismic firstbreak time field and its ray path distribution using a minimum travel-time tree algorithm［J］．Geophys．J．int，1993，114(3):593-600

［6］劉洪，孟凡林，李幼銘．計算最小走時和射線路徑的界面網全局方法［J］．地球物理學報，1995，38(6):823-832