地震折射层析成像法在隧道勘察中的应用

刘世奇

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

地震折射层析法(The tomographic method)是近十年来发展起来的一种新的地震折射解释方法。它有效地克服了一般折射解释方法的缺点，是目前较先进的折射解释方法。

介绍了使用Plotrefa软件中的折射层析法解释隧道围岩分级的效果，并与传统地震折射解释方法效果进行比较，参照其他地球物理方法解释结果，证明了该方法在隧道围岩分级应用方面的有效性及优越性。

1 地震折射层析法的基本原理

方法的关键是对模型进行射线追踪。射线追踪的方法较多，如早期的打靶法和弯曲法;20世纪80年代提出的程函方程有限差分法和最小走时树方法［1－2］。程序采用了二维最小走时树方法。

二维最小走时树方法由Nakanishi和Yamaguchi于1986年提出［3］，后来得到了不断的发展和完善。这种方法以费马原理和惠更斯－菲涅尔原理为理论基础，克服了传统方法的缺陷，计算速度较快，可一次性地追踪到整个空间任一节点的全局最小走时路径和最小走时。该方法原理简单，易于实现，而且能够适应复杂的地质模型。首先对模型进行射线追踪，计算炮点至检波点间的最小走时;然后与实测初至波走时进行比较，通过修改模型，反复叠代，使计算与实测初至波走时之差达到最小，则此时的速度模型即为反演结果。

二维最小走时树方法首先将二维地质模型离散化为一定数量的四边形单元，每个单元内速度均匀，速度的非均匀性体现在各个单元间的速度变化。每个单元的四边都分布着一定数量的节点，射线只通过这些节点进行传播。

根据惠更斯原理，地震波传播到某一节点时，该节点成为一个新的波源向四周传播子波，其传播路径只与相邻单元的节点有关。根据费马原理，只计算相对于子波源与检波点距离减少的节点的旅行［3－6］。

2 处理关键技术

编辑好软件所需的初至时间文件及地形文件，即可对数据进行反演。在进行反演前，要给定初始速度模型，模型一般按层状模型给出(二层或三层)。模型可以是其他解释方法的解释结果(如时间场法、互换时法等)，也可以根据地质模型自行设计。

层析反演对初始速度模型的依赖较小。如果初始模型给的合适，可以加快反演进度，否则，反演的时间要长一些。特别对速度横向不均匀、速度渐变层，层析法反演的结果与初始速度模型出入较大。

初次反演后，可根据反演结果改变模型层，如果速度层起伏较大，则应设较多的层。各层的初始速度值参照初次反演结果。层参数设定好后，即可设定迭代次数(最多不超过10次)，各参数设定好后即可再次反演，直到反演误差满足要求为止(小于5 ms)。

3 野外测线布置

与一般的折射法相比，层析法则要求更多的炮点，特别是速度横向不均匀变化的地方，应加密炮点。另外应测量每一个检波点和炮点的高程和平面坐标，这样才能使反演更精确，否则反演的拟合误差有可能较大，不能满足勘探要求。一般说来，24道排列应有5～8炮(本次勘察所用炮数为7炮)。

4 工程应用实例

工区位于内蒙古赤峰地区，隧道地处燕山余脉与阴山的交汇地带，是内蒙古高原向松辽平原的过渡地段，地貌属剥蚀中低山区，是大青山的东缘地区。地表大部覆盖新黄土，植被稀疏，仅个别沟谷中有人工林发育。隧道所经山脉海拔高程一般在1 106～1 163m之间，最高点(里程为DK467+160.0)海拔高程1 163m，隧道最大埋深68m。隧道范围穿越地层较单一，地表覆盖为第四系上更新统坡洪积(Q3dl+pl)新黄土;洞身范围经过的地层为二叠系中统(P2)砂岩。

测试采用Geomitrics公司NZ24道地震仪，24道接收，道间距10m;每排列布设7个炮点，炮点沿线位贯通。同时该工区还采用人工源大地电磁法勘察。

图1是隧道传统地震折射表层剥去法解释成果，可以看出，DK467+250～DK467+280里程段洞身处围岩纵波速度为2.5 km/s，推断该处存在断层(F1)。

图1 传统地震折射表层剥去法解释成果

由于图1中F1的推断所依靠的是纵波速度的横向急剧下降，然而表层剥去法解释过程中，得到此低速的检波点只有3个点，勉强可以得到这个速度。同时该速度可能是手工解释过程中的误差所致，该速度的真实性需要其他地球物理方法的验证方能证明。这也是传统地震折射解释方法(表层剥去法、T0法等)的缺陷之一，在精度上存在较大误差。

因此，我们尝试用层析成像法解释该隧道折射数据(见图2)。

图2 地震折射层析成像法解释成果

对比图1及图2中可以看出，总体上两种方法解释的测区纵波分布呈现一致性，这也侧面验证了层析成像法的准确性。于此同时，在细部刻画及深部反应中，层析成像法大大优于传统解释方法。

根据等值线的分布，图2中可以清晰看出波速的分布情况，DK467+260～DK467+340里程段存在横向低速异常，推断该处存在断层(F1)。即图1中勉强推断的断层F1在层析成像图中可以清晰得出结论。

同时，图1中的解释成果缺乏深部信息，这点在图2中也有了明显改观。等值线的走势可以清楚判识地层深部波速分布情况，为深部地层的地质解释提供了新的地球物理依据。

图3给出了该区段人工源大地电磁解释成果，图中的电阻率等值线分布与图2的纵波速度等值线存在总体一致性，图2中推断断层的位置，图3中该处同样存在横向电阻率的高低阻分界，间接证明了地震折射层析成像法的精确可靠。

图3 人工源大地电磁法(GDP－32解释成果)

5 结束语

折射层析成像法对于围岩波速的细致分层，能够为隧道设计提供更为直接的帮助。尤其对速度横向不均匀、速度界面起伏较大或速度渐变层等情况，该方法都有较好的解释效果。与传统解释方法相比，该方法能够得到更为细致的波速分布情况及断层构造。

本次隧道勘察中采用了地震折射层析法并结合其他物探技术，相互佐证，综合分析后，对成果进行综合解译，准确反映了隧道的地质情况，是一次成功的工程地质勘察。

应注意的是，折射层析成像法在野外布置上需更多的炮点，特别是在速度变化或地形变化较大的地方应加密炮点。另外，应对检波点和炮点位置及地面高程进行测量，才能取得高质量的成果。

［1］韩永琦，李来喜，昌彦君．地震折射层析法在隧道围岩松动圈测试中的应用［J］．工程地球物理学报，2004，1(5):412-417．

［2］张云妹，顾汉明，师学明．基于MORSER曲射线追踪的SIRT声波层析成像［J］．工程地球物理学报，2004，2(3):167-176

［3］Nakanishi I，Yamaguchi K．A numerical experiment on nonlinear image reconstruction from first－arrival times for two-dimensional island arc structure［J］．J．Phys．Earth，1986，34(2):195-201

［4］Moser T J．Shortest path calculation of seismic rays［J］．Geophysics，1991，56(1):59-67

［5］Cao S，Greenhalgh S．Calculation of the seismic firstbreak time field and its ray path distribution using a minimum travel-time tree algorithm［J］．Geophys．J．int，1993，114(3):593-600

［6］刘洪，孟凡林，李幼铭．计算最小走时和射线路径的界面网全局方法［J］．地球物理学报，1995，38(6):823-832