延遲時法地震折射波勘探在某高速公路深挖段風化層探測中的應用

趙 祥，王 萍，黃 勇，張宏兵>

(河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100)

1 引 言

國家經濟經過幾十年的高速增長，已經進入了中速增長加高質量增長的新階段，到2035年基本建成交通強國，既要保證增長速度，又要保證質量，既要節約成本，又要提高工作效率，達到又好又快的發展目標。因此，在高速公路建設過程中，如何保質保量保生產是工程人員最關心的問題。在高速公路建設期間，將會遇到各類工程地質問題，利用地球物理勘探的手段，對高速公路深挖段進行有效的勘查，包括覆蓋層厚度、基底風化程度、巖體性質等問題[1-5]?？碧浇Y果可以為設計提供有效方案，更有利于工程成本的節省。如何準確查明巖土體分層厚度，埋深、邊界和形態，是高速公路地基基礎設計必須解決的問題，也是設計部門最為關心的問題之一[6]。

折射波勘探方法主要被用來解決覆蓋層厚度、基巖風化程度等問題，是工程地質勘察中應用較為廣泛的一種勘察方法[7]。通過追逐相遇折射波觀測方式，利用延遲時法來處理野外獲得的波形資料[8]，通過處理軟件解譯出地下風化層埋深及形態。最后通過與鉆孔資料比對，表明該方法可行、效果良好，為設計方和施工方提供了有效的參數，達到了預期目的。

2 折射波法

淺層地震折射波法是通過人工震源激發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地震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，由于折射波引起界面各點的振動，并以新的形式傳至地面，在地面通過檢波器觀測其到達的旅行時間，經過計算，就可求出各介質的波速及折射界面的埋藏深度[9-11]。

覆蓋層與基巖之間具有較為強烈的速度差異，而且自上而下基巖風化程度一般逐漸變輕，波速相應地會漸漸增大，下伏介質的速度大于上伏介質的速度，折射波的形成機理得以滿足，故因利用折射波勘探方法來解決覆蓋層厚度和基巖風化程度等問題是切實可行的。

折射波傳播示意圖見圖1，其中圖1(a)表示時距曲線圖，圖1(b)表示速度模型圖。

圖1 折射波傳播示意圖Fig.1 Lay out of refraction wave propagation

折射波模擬圖見圖2。直達波最先為檢波器接收，折射波存在折射盲區，在直達波后到達[9]。

T1=x/V1

(1)

(5)

(6)

根據Snell’s Law(斯奈爾定理)

(7)

將公式(7)代入公式(6)得，

(8)

其中，T1表示直達波傳播時間;T2表示折射波傳播時間;V1表示第一層速度;V2表示第二層速度;h表示界面深度;ic為入射角。

(紅色表示直達波，藍色表示折射波)圖2 折射波傳播模擬圖Fig.2 Simulated diagram of refraction wave propagation(red: direct wave; blue: refraction wave)

3 延遲時法

延遲時法是針對相遇時距曲線采集系統發展起來的求解界面深度法，是國內工程物探較為廣泛應用的方法之一。它有以下特點：①可以計算每個檢波器下面的深度；②要求從相反的方向到達每個檢波器；③要求至少兩個激發點；④數據冗余很重要(激發點越多，精度越高)。

圖3中，A、B均是激發點，P為排列中的某一接收點(檢波器)

圖3 延遲時法示意圖Fig.3 Lay out of delay time method

從圖3中可以得到：

(13)

公式(12)可以寫成：

(14)

P點的延遲時記為：

(15)

圖4 延遲時折射波時距曲線模擬Fig.4 Time-distance curve simulation diagram of delay time refracted wave

P點的減少的走時記為TAP′，即

整理公式(15)、式(16)、式(17)得：

(18)

V1可以由式(1)計算得到。V2可以通過延遲時計算得到。從式(16)可以看出TAP’與x的關系圖大致呈線性，基本不受層厚變化的影響，斜率為1/V2。

通過計算在P1,P2,P3…Pn各點的延遲時，再計算各點的深度，將各個深度點連接起來便可得到界面埋深曲線。

上述公式的推導是建立在二層介質條件下的，對于三層或多層介質而言，公式推導過程是類似的。首先需要計算折射波的總傳播時間，并結合Snell’s Law(斯奈爾定理)計算P點延遲時，然后計算P減少的走時，最后得到P點的深度。

4 工程實例

4.1 觀測系統設計

工程折射波法勘探不僅要探明風化層厚度及埋深情況，也要求取基巖的彈性波速度；不僅要滿足道間距要求，也要滿足炮檢距要求。因此觀測系統的設計尤為重要。本次折射波法勘探，使用采集儀器及參數如下：

本次折射波法勘探選用青島驕鵬生產的Miniseis24綜合工程探測儀，該儀器性能穩定，采集的數據可靠。采用的工作參數如下：相遇+追逐觀測系統，每排列設置3炮。錘擊震源，疊加次數12～14次(提高信噪比)[12]，采樣間隔為0.5 ms，記錄長度為512 ms,采用的道間距為5 m，24道接收，零偏移距。觀測系統圖見圖5。這種觀測系統用于野外工作時，操作方便，提高了采集效率。

圖5 觀測系統Fig.5 Observation system chart

圖6 原始單炮記錄1Fig.6 Original single shot record 1

圖7 原始單炮記錄2Fig.7 Original single shot record 2

圖8 原始單炮記錄3Fig.8 Original single shot record 3

4.2 資料數據處理

處理軟件采用加拿大鳳凰公司研發的SeisImager /2D折射軟件，是一個完整的集成折射模擬與解釋軟件。包含的功能有：綜合建模和射線追蹤，初至波的自動和手動拾取，質量控制工具,以改善處理后的結果。本次數據處理采用延遲時解釋法并結合高程信息，獲得成果曲線。主要步驟為：根據初至波時空分布趨勢特征提取初至走時；計算減少走時；計算減少速度V2；計算延遲時；建立初始速度模型；射線追蹤；觀測值與理論值相比較；滿足精度要求后成圖。延遲時法折射波成果圖見圖9。

圖9 延遲時法折射波成果Fig.9 Results of refraction wave by delay time method

結合鉆孔資料，繪制出工程物探綜合解釋圖，見圖10。鉆孔資料見表1。對比物探成果和鉆孔結果，達到規范的允許誤差不大于10 %的精度要求[13,14]。

表1 鉆孔信息Table 1 List of drilling information

圖10 綜合解釋Fig.10 Comprehensive result map

5 結 論

淺層工程勘探中的折射波法，采用延遲時法求解風化層厚度及風化界面形態，它適合于地形較平坦、速度從淺到深增加的層狀介質地區。結合鉆探資料對利用該方法得出的物探結果進行綜合對比分析，發現此次勘探結果與實際地質情況相符，查明了風化層厚度以及風化界面的曲線形態，為開挖方案、支護方案提供了有效的科學依據，并且提高了工作效率和工程進度，大大降低了成本。