李樹(shù)軍

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

關(guān)鍵詞：淺層地震折射波法 ；隧道勘察；圍巖類別；時(shí)距曲線

在高速公路隧道工程地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)中，通常需要了解第四系覆蓋層及風(fēng)化層厚度、下伏基巖面埋深及其界面的起伏形態(tài)、各巖、土層的分布特征及其地球物理性質(zhì)，提供各巖、土層的縱波波速等物理參數(shù)；同時(shí)查明隱伏構(gòu)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(cè)基巖或第四系地層中持力層的起伏、埋深、波速、劃分風(fēng)化帶、確定斷層破碎帶位置等方面能發(fā)揮獨(dú)特而重要的作用，已成為隧道工程地質(zhì)勘察中常用的一種快速、經(jīng)濟(jì)、有效的方法。本文以新開(kāi)嶺隧道的工程地質(zhì)勘察為例，說(shuō)明淺層地震折射波法的應(yīng)用效果。

1 地震折射波法方法原理

地震折射波法是通過(guò)人工震源的地震波在地下介質(zhì)中傳播，當(dāng)下層介質(zhì)的波速大于其上層介質(zhì)波速以及波的入射角等于臨界角的情況下，地震波就會(huì)沿著速度界面?zhèn)鞑?，產(chǎn)生折射波，折射波引起界面各點(diǎn)振動(dòng)，并以新的形式傳至地面，在地面通過(guò)檢波器觀測(cè)其到達(dá)的傳播時(shí)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(yīng)用實(shí)例

2.1工程概況

新開(kāi)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(hào)為K0+000，左線出口里程樁號(hào)K0+665，右線出口里程樁號(hào)K0+700，全長(zhǎng)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(zhì)特征

隧道屬低山地貌區(qū)，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(jié)理裂隙較發(fā)育，全風(fēng)化厚度1～3米。據(jù)實(shí)地調(diào)查與鉆孔揭露，山坡與山脊地段第四系殘積土與全風(fēng)化層較薄，厚度小于1米，溝谷地段最大厚度可達(dá)5米。

2.3地震環(huán)境、地震地質(zhì)條件

隧道屬低山地貌區(qū)，第四系及全風(fēng)化層較薄，施工時(shí)期為寒冷的冬季，當(dāng)時(shí)的凍層達(dá)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(fēng)化層，同時(shí)，凍土層給打炮坑和激震增加了困難，盡管如此，工作區(qū)地層巖性為一套火山巖，上部由于風(fēng)化作用的結(jié)果使其波速較下部較完整的巖性要低很多，據(jù)本次實(shí)測(cè)結(jié)果，測(cè)區(qū)覆蓋層與全風(fēng)化巖體的縱波波速一般為500～1700米/秒；強(qiáng)風(fēng)化與破碎帶巖體的縱波波速一般為1500～3000米/秒；弱～微風(fēng)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(zhì)的性質(zhì)，為開(kāi)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(fēng)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(zhì)風(fēng)化分層具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這使應(yīng)用折射波法速度分層來(lái)劃分巖石風(fēng)化層提供了可能。

2.4工作方法與技術(shù)

觀測(cè)方式采用相遇追逐的觀測(cè)系統(tǒng)，24道接收，道間距5米、排列長(zhǎng)度115米，在每個(gè)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(gè)排列數(shù)據(jù)采集完成后，系統(tǒng)沿剖面移動(dòng)一個(gè)排列長(zhǎng)度，為了便于對(duì)比，下個(gè)排列的第一道與上個(gè)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(shù)時(shí)距曲線法或時(shí)間場(chǎng)法，在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用t0差數(shù)時(shí)距曲線法[2]。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)處理解釋，得出時(shí)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(jiàn)值為1000～1400米/秒；底層的波速值范圍為2600～4500米/秒，常見(jiàn)值為3000～3800米/秒。相對(duì)應(yīng)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(shù)進(jìn)行隧道圍巖地質(zhì)分類，依據(jù)公路地質(zhì)規(guī)范，在具體應(yīng)用中應(yīng)同時(shí)考慮規(guī)范未對(duì)具有波速差異較大的軟巖和硬巖予以進(jìn)一步劃分，會(huì)出現(xiàn)波速值相同的軟巖和硬巖其巖體的物理力學(xué)性質(zhì)和工程地質(zhì)性質(zhì)會(huì)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(huán)境條件下，在采用利用巖體的縱波波速進(jìn)行轉(zhuǎn)圍巖分類的同時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮彈性波參數(shù)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(shù)相結(jié)合的綜合分類方法。

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

Kv=（Vpm/Vpr）2

Vpm——自然狀態(tài)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(cè)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(duì)巖體弱～微風(fēng)化界面的連續(xù)追蹤，獲得了沿隧道軸線巖體縱波速度分布波速值，并計(jì)算出巖體的完整性系數(shù)，然后，對(duì)圍巖類別進(jìn)行劃分。得出如下主要成果。

1.隧道地段第四系不發(fā)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(dá)3～4米。

2. 基巖為白堊系小嶺組流紋巖、安山巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，全風(fēng)化層較薄，厚度1～3米；強(qiáng)風(fēng)化層較發(fā)育，厚度為2～18米，多數(shù)為5～12米。

3.對(duì)隧道的工作地質(zhì)評(píng)價(jià)：在樁號(hào)-K0+100～K0+289及K0+336～K0+445段基巖強(qiáng)度高，側(cè)壁基本穩(wěn)定，拱部無(wú)支護(hù)時(shí)可產(chǎn)生小的坍塌；在樁號(hào)K0+289～K0+336段側(cè)壁穩(wěn)定性較差，拱部無(wú)支護(hù)時(shí)可產(chǎn)生較大坍塌；在樁號(hào)K0+400～K0+554段洞頂弱風(fēng)化巖體厚度小于3倍洞徑，施工時(shí)易坍塌；在樁號(hào)K0+554～K0+772段隧道圍巖主要由第四系及強(qiáng)風(fēng)化巖石組成，基巖強(qiáng)度低，側(cè)壁不穩(wěn)定，拱部易產(chǎn)生大坍塌，注意防水和支護(hù)。

結(jié)論：任何物探方法都存在著多解性，方法的有效性也是相對(duì)的，在淺埋隧道勘察中應(yīng)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(shí)也存在著局限性，尤其是在地質(zhì)條件復(fù)雜地段應(yīng)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(xiàn)

[1] 曾國(guó)，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(yīng)用[J].物探與化探，2009，33（5）：608-612.

[2]何樵登，熊維綱.應(yīng)用地球物理教程——地震勘探[M].北京：地質(zhì)出版社，1991.