延迟时法地震折射波勘探在某高速公路深挖段风化层探测中的应用

赵 祥，王 萍，黄 勇，张宏兵>

(河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 211100)

1 引 言

国家经济经过几十年的高速增长，已经进入了中速增长加高质量增长的新阶段，到2035年基本建成交通强国，既要保证增长速度，又要保证质量，既要节约成本，又要提高工作效率，达到又好又快的发展目标。因此，在高速公路建设过程中，如何保质保量保生产是工程人员最关心的问题。在高速公路建设期间，将会遇到各类工程地质问题，利用地球物理勘探的手段，对高速公路深挖段进行有效的勘查，包括覆盖层厚度、基底风化程度、岩体性质等问题[1-5]。勘探结果可以为设计提供有效方案，更有利于工程成本的节省。如何准确查明岩土体分层厚度，埋深、边界和形态，是高速公路地基基础设计必须解决的问题，也是设计部门最为关心的问题之一[6]。

折射波勘探方法主要被用来解决覆盖层厚度、基岩风化程度等问题，是工程地质勘察中应用较为广泛的一种勘察方法[7]。通过追逐相遇折射波观测方式，利用延迟时法来处理野外获得的波形资料[8]，通过处理软件解译出地下风化层埋深及形态。最后通过与钻孔资料比对，表明该方法可行、效果良好，为设计方和施工方提供了有效的参数，达到了预期目的。

2 折射波法

浅层地震折射波法是通过人工震源激发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地震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，由于折射波引起界面各点的振动，并以新的形式传至地面，在地面通过检波器观测其到达的旅行时间，经过计算，就可求出各介质的波速及折射界面的埋藏深度[9-11]。

覆盖层与基岩之间具有较为强烈的速度差异，而且自上而下基岩风化程度一般逐渐变轻，波速相应地会渐渐增大，下伏介质的速度大于上伏介质的速度，折射波的形成机理得以满足，故因利用折射波勘探方法来解决覆盖层厚度和基岩风化程度等问题是切实可行的。

折射波传播示意图见图1，其中图1(a)表示时距曲线图，图1(b)表示速度模型图。

图1 折射波传播示意图Fig.1 Lay out of refraction wave propagation

折射波模拟图见图2。直达波最先为检波器接收，折射波存在折射盲区，在直达波后到达[9]。

T1=x/V1

(1)

(5)

(6)

根据Snell’s Law(斯奈尔定理)

(7)

将公式(7)代入公式(6)得，

(8)

其中，T1表示直达波传播时间;T2表示折射波传播时间;V1表示第一层速度;V2表示第二层速度;h表示界面深度;ic为入射角。

(红色表示直达波，蓝色表示折射波)图2 折射波传播模拟图Fig.2 Simulated diagram of refraction wave propagation(red: direct wave; blue: refraction wave)

3 延迟时法

延迟时法是针对相遇时距曲线采集系统发展起来的求解界面深度法，是国内工程物探较为广泛应用的方法之一。它有以下特点：①可以计算每个检波器下面的深度；②要求从相反的方向到达每个检波器；③要求至少两个激发点；④数据冗余很重要(激发点越多，精度越高)。

图3中，A、B均是激发点，P为排列中的某一接收点(检波器)

图3 延迟时法示意图Fig.3 Lay out of delay time method

从图3中可以得到：

(13)

公式(12)可以写成：

(14)

P点的延迟时记为：

(15)

图4 延迟时折射波时距曲线模拟Fig.4 Time-distance curve simulation diagram of delay time refracted wave

P点的减少的走时记为TAP′，即

整理公式(15)、式(16)、式(17)得：

(18)

V1可以由式(1)计算得到。V2可以通过延迟时计算得到。从式(16)可以看出TAP’与x的关系图大致呈线性，基本不受层厚变化的影响，斜率为1/V2。

通过计算在P1,P2,P3…Pn各点的延迟时，再计算各点的深度，将各个深度点连接起来便可得到界面埋深曲线。

上述公式的推导是建立在二层介质条件下的，对于三层或多层介质而言，公式推导过程是类似的。首先需要计算折射波的总传播时间，并结合Snell’s Law(斯奈尔定理)计算P点延迟时，然后计算P减少的走时，最后得到P点的深度。

4 工程实例

4.1 观测系统设计

工程折射波法勘探不仅要探明风化层厚度及埋深情况，也要求取基岩的弹性波速度；不仅要满足道间距要求，也要满足炮检距要求。因此观测系统的设计尤为重要。本次折射波法勘探，使用采集仪器及参数如下：

本次折射波法勘探选用青岛骄鹏生产的Miniseis24综合工程探测仪，该仪器性能稳定，采集的数据可靠。采用的工作参数如下：相遇+追逐观测系统，每排列设置3炮。锤击震源，叠加次数12～14次(提高信噪比)[12]，采样间隔为0.5 ms，记录长度为512 ms,采用的道间距为5 m，24道接收，零偏移距。观测系统图见图5。这种观测系统用于野外工作时，操作方便，提高了采集效率。

图5 观测系统Fig.5 Observation system chart

图6 原始单炮记录1Fig.6 Original single shot record 1

图7 原始单炮记录2Fig.7 Original single shot record 2

图8 原始单炮记录3Fig.8 Original single shot record 3

4.2 资料数据处理

处理软件采用加拿大凤凰公司研发的SeisImager /2D折射软件，是一个完整的集成折射模拟与解释软件。包含的功能有：综合建模和射线追踪，初至波的自动和手动拾取，质量控制工具,以改善处理后的结果。本次数据处理采用延迟时解释法并结合高程信息，获得成果曲线。主要步骤为：根据初至波时空分布趋势特征提取初至走时；计算减少走时；计算减少速度V2；计算延迟时；建立初始速度模型；射线追踪；观测值与理论值相比较；满足精度要求后成图。延迟时法折射波成果图见图9。

图9 延迟时法折射波成果Fig.9 Results of refraction wave by delay time method

结合钻孔资料，绘制出工程物探综合解释图，见图10。钻孔资料见表1。对比物探成果和钻孔结果，达到规范的允许误差不大于10 %的精度要求[13,14]。

表1 钻孔信息Table 1 List of drilling information

图10 综合解释Fig.10 Comprehensive result map

5 结 论

浅层工程勘探中的折射波法，采用延迟时法求解风化层厚度及风化界面形态，它适合于地形较平坦、速度从浅到深增加的层状介质地区。结合钻探资料对利用该方法得出的物探结果进行综合对比分析，发现此次勘探结果与实际地质情况相符，查明了风化层厚度以及风化界面的曲线形态，为开挖方案、支护方案提供了有效的科学依据，并且提高了工作效率和工程进度，大大降低了成本。