李树军

摘要：介绍了浅层地震折射波法基本原理和方法，结合隧道工程勘察实例，说明折射波法具有工作效率高、可沿线追踪的特点，并能划分隧道围岩类别，成为隧道工程地质勘察中行之有效的一种重要手段。

关键词：浅层地震折射波法 ；隧道勘察；围岩类别；时距曲线

在高速公路隧道工程地质勘察设计中，通常需要了解第四系覆盖层及风化层厚度、下伏基岩面埋深及其界面的起伏形态、各岩、土层的分布特征及其地球物理性质，提供各岩、土层的纵波波速等物理参数；同时查明隐伏构造的分布情况及隧道围岩类别情况。浅层地震折射波法在探测基岩或第四系地层中持力层的起伏、埋深、波速、划分风化带、确定断层破碎带位置等方面能发挥独特而重要的作用，已成为隧道工程地质勘察中常用的一种快速、经济、有效的方法。本文以新开岭隧道的工程地质勘察为例，说明浅层地震折射波法的应用效果。

1 地震折射波法方法原理

地震折射波法是通过人工震源的地震波在地下介质中传播，当下层介质的波速大于其上层介质波速以及波的入射角等于临界角的情况下，地震波就会沿着速度界面传播，产生折射波，折射波引起界面各点振动，并以新的形式传至地面，在地面通过检波器观测其到达的传播时间，就可求出折射界面的埋藏深度以及各层的弹性速度[1]。

2 应用实例

2.1工程概况

新开岭隧道为一分离式浅埋隧道，起始于辽宁省与吉林省分界线，起始里程桩号为K0+000，左线出口里程桩号K0+665，右线出口里程桩号K0+700，全长700米，地面高程最大为534.98米，最低为421.05米。

2.2隧道地形、地貌及地质特征

隧道属低山地貌区，隧道口边坡平缓，坡角小于25°，上覆少量坡洪积物，厚度小于3米，岩性主要为亚粘土、亚砂土及碎石土；下伏基岩为白垩系小岭组流纹岩、安山岩，节理裂隙较发育，全风化厚度1～3米。据实地调查与钻孔揭露，山坡与山脊地段第四系残积土与全风化层较薄，厚度小于1米，沟谷地段最大厚度可达5米。

2.3地震环境、地震地质条件

隧道属低山地貌区，第四系及全风化层较薄，施工时期为寒冷的冬季，当时的冻层达到0.4～0.6米，使覆盖层的波速大为提高，其波速接近甚至略大于下层的波速，不利于初至折射波法划分覆盖层与全风化层，同时，冻土层给打炮坑和激震增加了困难，尽管如此，工作区地层岩性为一套火山岩，上部由于风化作用的结果使其波速较下部较完整的岩性要低很多，据本次实测结果，测区覆盖层与全风化岩体的纵波波速一般为500～1700米/秒；强风化与破碎带岩体的纵波波速一般为1500～3000米/秒；弱～微风化岩体的纵波波速为3000～5000米/秒，波速差异较大，使地层具有了层状或似层状介质的性质，为开展地震折射波法提供了前提条件；隧道地段地形起伏不是很大，风化层具有一定厚度且变化不很显著，这些利于折射波法工作；折射波法速度层与钻孔揭露的地质风化分层具有一定的对应关系，这使应用折射波法速度分层来划分岩石风化层提供了可能。

2.4工作方法与技术

观测方式采用相遇追逐的观测系统，24道接收，道间距5米、排列长度115米，在每个排列的两端放炮，然后在两端各外延40～80米再各放一追逐炮，纵剖面最小炮检距0米，最大炮检距195米；横剖面最小炮检距0米，最大炮检距155米。每个排列数据采集完成后，系统沿剖面移动一个排列长度，为了便于对比，下个排列的第一道与上个排列第二十四道重合。

2.5 工作成果

折射界面的绘制常采用t0差数时距曲线法或时间场法，在实际应用中，通常采用t0差数时距曲线法[2]。通过对数据处理解释，得出时距曲线（图1）

资料的解释分层按二层划分，覆盖层的波速值范围为500～1700米/秒，常见值为1000～1400米/秒；底层的波速值范围为2600～4500米/秒，常见值为3000～3800米/秒。相对应的覆盖层厚度最小值为2.1米，最大值为18.5 米，一般多为8～12米。

利用弹性波参数进行隧道围岩地质分类，依据公路地质规范，在具体应用中应同时考虑规范未对具有波速差异较大的软岩和硬岩予以进一步划分，会出现波速值相同的软岩和硬岩其岩体的物理力学性质和工程地质性质会存在较大的差异，另外，岩体的纵波波速因含水条件不同也具有明显差异。因此，在岩性变化大、地表水和地下水较丰富的环境条件下，在采用利用岩体的纵波波速进行转围岩分类的同时，应同时考虑弹性波参数的综合利用。本次工作采取利用岩体纵波波速和岩体完整性系数相结合的综合分类方法。

岩体完整性系数在弹性波勘探中，可用岩体纵波波速与新鮮完整的岩石标本纵波波速的比值的平方来表示：

Kv=（Vpm/Vpr）2

Vpm——自然状态条件下岩体弹性波纵波速度值（单位：米/秒），由折射波法求得；

Vpr——新鲜完整岩块纵波速度（单位：米/秒），一般由岩块的声波测试得到，也可由地面地震折射波解释的“θ（x）”曲线求得。

浅层折射波勘探中，完成了对岩体弱～微风化界面的连续追踪，获得了沿隧道轴线岩体纵波速度分布波速值，并计算出岩体的完整性系数，然后，对围岩类别进行划分。得出如下主要成果。

1.隧道地段第四系不发育，分布也不均衡，沉积类型为坡洪积物，岩性主要为亚粘土、亚砂土，局部可为碎石土，山坡与山脊地段第四系残积土较薄，厚度小于1米，沟谷地段最大厚度可达3～4米。

2. 基岩为白垩系小岭组流纹岩、安山岩，节理裂隙较发育，全风化层较薄，厚度1～3米；强风化层较发育，厚度为2～18米，多数为5～12米。

3.对隧道的工作地质评价：在桩号-K0+100～K0+289及K0+336～K0+445段基岩强度高，侧壁基本稳定，拱部无支护时可产生小的坍塌；在桩号K0+289～K0+336段侧壁稳定性较差，拱部无支护时可产生较大坍塌；在桩号K0+400～K0+554段洞顶弱风化岩体厚度小于3倍洞径，施工时易坍塌；在桩号K0+554～K0+772段隧道围岩主要由第四系及强风化岩石组成，基岩强度低，侧壁不稳定，拱部易产生大坍塌，注意防水和支护。

结论：任何物探方法都存在着多解性，方法的有效性也是相对的，在浅埋隧道勘察中应用浅层地震中的折射波法不失为一种可行的、有效的方法，但同时也存在着局限性，尤其是在地质条件复杂地段应选用其它适用的物探方法与之配合，再加上一定量的钻孔控制，解释成果就更加合理了。

参考文献

[1] 曾国，崔德海，刘杰，等.地震折射波法和高密度电法在隧道勘察中的应用[J].物探与化探，2009，33（5）：608-612.

[2]何樵登，熊维纲.应用地球物理教程——地震勘探[M].北京：地质出版社，1991.