淺層地震折射波法在新開嶺高速公路隧道勘察中的應用

李樹軍

摘要：介紹了淺層地震折射波法基本原理和方法，結合隧道工程勘察實例，說明折射波法具有工作效率高、可沿線追蹤的特點，并能劃分隧道圍巖類別，成為隧道工程地質勘察中行之有效的一種重要手段。

關鍵詞：淺層地震折射波法 ；隧道勘察；圍巖類別；時距曲線

在高速公路隧道工程地質勘察設計中，通常需要了解第四系覆蓋層及風化層厚度、下伏基巖面埋深及其界面的起伏形態、各巖、土層的分布特征及其地球物理性質，提供各巖、土層的縱波波速等物理參數；同時查明隱伏構造的分布情況及隧道圍巖類別情況。淺層地震折射波法在探測基巖或第四系地層中持力層的起伏、埋深、波速、劃分風化帶、確定斷層破碎帶位置等方面能發揮獨特而重要的作用，已成為隧道工程地質勘察中常用的一種快速、經濟、有效的方法。本文以新開嶺隧道的工程地質勘察為例，說明淺層地震折射波法的應用效果。

1 地震折射波法方法原理

地震折射波法是通過人工震源的地震波在地下介質中傳播，當下層介質的波速大于其上層介質波速以及波的入射角等于臨界角的情況下，地震波就會沿著速度界面傳播，產生折射波，折射波引起界面各點振動，并以新的形式傳至地面，在地面通過檢波器觀測其到達的傳播時間，就可求出折射界面的埋藏深度以及各層的彈性速度[1]。

2 應用實例

2.1工程概況

新開嶺隧道為一分離式淺埋隧道，起始于遼寧省與吉林省分界線，起始里程樁號為K0+000，左線出口里程樁號K0+665，右線出口里程樁號K0+700，全長700米，地面高程最大為534.98米，最低為421.05米。

2.2隧道地形、地貌及地質特征

隧道屬低山地貌區，隧道口邊坡平緩，坡角小于25°，上覆少量坡洪積物，厚度小于3米，巖性主要為亞粘土、亞砂土及碎石土；下伏基巖為白堊系小嶺組流紋巖、安山巖，節理裂隙較發育，全風化厚度1～3米。據實地調查與鉆孔揭露，山坡與山脊地段第四系殘積土與全風化層較薄，厚度小于1米，溝谷地段最大厚度可達5米。

2.3地震環境、地震地質條件

隧道屬低山地貌區，第四系及全風化層較薄，施工時期為寒冷的冬季，當時的凍層達到0.4～0.6米，使覆蓋層的波速大為提高，其波速接近甚至略大于下層的波速，不利于初至折射波法劃分覆蓋層與全風化層，同時，凍土層給打炮坑和激震增加了困難，盡管如此，工作區地層巖性為一套火山巖，上部由于風化作用的結果使其波速較下部較完整的巖性要低很多，據本次實測結果，測區覆蓋層與全風化巖體的縱波波速一般為500～1700米/秒；強風化與破碎帶巖體的縱波波速一般為1500～3000米/秒；弱～微風化巖體的縱波波速為3000～5000米/秒，波速差異較大，使地層具有了層狀或似層狀介質的性質，為開展地震折射波法提供了前提條件；隧道地段地形起伏不是很大，風化層具有一定厚度且變化不很顯著，這些利于折射波法工作；折射波法速度層與鉆孔揭露的地質風化分層具有一定的對應關系，這使應用折射波法速度分層來劃分巖石風化層提供了可能。

2.4工作方法與技術

觀測方式采用相遇追逐的觀測系統，24道接收，道間距5米、排列長度115米，在每個排列的兩端放炮，然后在兩端各外延40～80米再各放一追逐炮，縱剖面最小炮檢距0米，最大炮檢距195米；橫剖面最小炮檢距0米，最大炮檢距155米。每個排列數據采集完成后，系統沿剖面移動一個排列長度，為了便于對比，下個排列的第一道與上個排列第二十四道重合。

2.5 工作成果

折射界面的繪制常采用t0差數時距曲線法或時間場法，在實際應用中，通常采用t0差數時距曲線法[2]。通過對數據處理解釋，得出時距曲線（圖1）

資料的解釋分層按二層劃分，覆蓋層的波速值范圍為500～1700米/秒，常見值為1000～1400米/秒；底層的波速值范圍為2600～4500米/秒，常見值為3000～3800米/秒。相對應的覆蓋層厚度最小值為2.1米，最大值為18.5 米，一般多為8～12米。

利用彈性波參數進行隧道圍巖地質分類，依據公路地質規范，在具體應用中應同時考慮規范未對具有波速差異較大的軟巖和硬巖予以進一步劃分，會出現波速值相同的軟巖和硬巖其巖體的物理力學性質和工程地質性質會存在較大的差異，另外，巖體的縱波波速因含水條件不同也具有明顯差異。因此，在巖性變化大、地表水和地下水較豐富的環境條件下，在采用利用巖體的縱波波速進行轉圍巖分類的同時，應同時考慮彈性波參數的綜合利用。本次工作采取利用巖體縱波波速和巖體完整性系數相結合的綜合分類方法。

巖體完整性系數在彈性波勘探中，可用巖體縱波波速與新鮮完整的巖石標本縱波波速的比值的平方來表示：

Kv=（Vpm/Vpr）2

Vpm——自然狀態條件下巖體彈性波縱波速度值（單位：米/秒），由折射波法求得；

Vpr——新鮮完整巖塊縱波速度（單位：米/秒），一般由巖塊的聲波測試得到，也可由地面地震折射波解釋的“θ（x）”曲線求得。

淺層折射波勘探中，完成了對巖體弱～微風化界面的連續追蹤，獲得了沿隧道軸線巖體縱波速度分布波速值，并計算出巖體的完整性系數，然后，對圍巖類別進行劃分。得出如下主要成果。

1.隧道地段第四系不發育，分布也不均衡，沉積類型為坡洪積物，巖性主要為亞粘土、亞砂土，局部可為碎石土，山坡與山脊地段第四系殘積土較薄，厚度小于1米，溝谷地段最大厚度可達3～4米。

2. 基巖為白堊系小嶺組流紋巖、安山巖，節理裂隙較發育，全風化層較薄，厚度1～3米；強風化層較發育，厚度為2～18米，多數為5～12米。

3.對隧道的工作地質評價：在樁號-K0+100～K0+289及K0+336～K0+445段基巖強度高，側壁基本穩定，拱部無支護時可產生小的坍塌；在樁號K0+289～K0+336段側壁穩定性較差，拱部無支護時可產生較大坍塌；在樁號K0+400～K0+554段洞頂弱風化巖體厚度小于3倍洞徑，施工時易坍塌；在樁號K0+554～K0+772段隧道圍巖主要由第四系及強風化巖石組成，基巖強度低，側壁不穩定，拱部易產生大坍塌，注意防水和支護。

結論：任何物探方法都存在著多解性，方法的有效性也是相對的，在淺埋隧道勘察中應用淺層地震中的折射波法不失為一種可行的、有效的方法，但同時也存在著局限性，尤其是在地質條件復雜地段應選用其它適用的物探方法與之配合，再加上一定量的鉆孔控制，解釋成果就更加合理了。

參考文獻

[1] 曾國，崔德海，劉杰，等.地震折射波法和高密度電法在隧道勘察中的應用[J].物探與化探，2009，33（5）：608-612.

[2]何樵登，熊維綱.應用地球物理教程——地震勘探[M].北京：地質出版社，1991.