地震反射波CDP疊加技術在臺山核電海域花崗巖孤石探測中的應用

劉宏岳，梁奎生，段建莊

(1.福建省建筑設計研究院，福州 350001;2.中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450000)

0 引言

擬建的臺山核電站位于臺山市赤溪鎮腰古村的腰古咀，核電站1號和2號機組取水隧洞位于陸域腰古咀至大襟島之間的海域中，隧洞全長4 330.6 m，其兩端有陸域側工作井及大襟島側工作井各1座。取水隧洞為雙洞取水方式，開挖洞徑為9.03 m，隧洞埋深為11～29 m，兩洞中線間距29.2 m，隧洞兩端部分巖石段采用鉆爆法施工，其余段落(海底取水隧洞的主體)擬盾構法施工。

隧洞工程勘察中發現隧洞沿線有風化殘留體發育、多條斷層穿過，可能影響或嚴重影響盾構法施工。為了有的放矢地解決這一問題，減少施工過程中的不可預見因素，需對取水隧洞沿線，特別是海域區段進行風化殘留體及基巖頂面、斷層探測，尤其以風化殘留體探測為重點，以確定其沿線的發育情況及存在狀態，為盾構法施工規劃和適當施工措施的確定提供依據。

取水隧洞洞身范圍若存在直徑大于1 m的球狀風化物時，將對盾構掘進的安全施工及工期控制產生極大的風險，如不能很好地解決孤石問題，將可能嚴重影響海底盾構隧洞工程的施工。在盾構掘進前，應盡可能地探查清楚掘進區域的大直徑球狀風化物的賦存情況，以便盡早采取措施進行清除或制定穿越該處的方案。本次物探勘查方案以勘查隧洞洞身范圍內是否存在孤石和球狀風化物為主，并對基巖面(中風化頂面)進行判識，提出對盾構施工的不利地段［1－3］。

物探方法有重力法、磁法、電法、地震法、核磁共振法、地質雷達法和地球物理測井法等。要解決這項難度大、要求高的地質問題，物探方法的選擇和施工工藝的確定尤為重要。只有選擇行之有效的物探方法并恰當地確定施工方法和工藝，才能確保取得客觀反映地質情況的信息，獲取真實有效的原始資料，也才能為后續的數據處理及綜合解釋奠定牢固的基礎。

根據上述特點及要解決問題的實際情況，在海域，由于海水具有良好的導電性(電阻率≤0.2 Ω·m)，電、磁信號在傳播過程中被海水吸收而衰減極快，重力法適合于探測深部構造，相對而言地震波法要優于其他方法，并且便于實施，是一種有效的方法。

另外，由于本工程擬探測的目標體相對較小，這就需要高頻、高密度地震波作為探測的主要方法和手段。從以上討論可知，水上高頻、高密度多次覆蓋地震反射波勘探法是本項工程海域物探方法的最優選擇。

1 地震反射波多次覆蓋CDP疊加技術介紹

多次覆蓋技術又稱之為水平多次疊加，也稱為共反射點(CDP)疊加。在地震反射波勘探技術中，多次覆蓋技術的地位和作用是其他技術所不能比擬的。多次覆蓋即是將不同激震點、不同接收點上接收的來自相同反射點的地震反射信號，經過動校正后疊加起來，得到同一個反射點的疊加值。圖1為1個共深度點(CDP)道集產生的疊加記錄。CDP道集是由不同偏移距的若干炮檢對在不同共深度點產生的記錄共同組成的(見圖1(a));在時間與偏移距坐標系中顯示收集的所有記錄(見圖1(b))，其中水平反射層的反射波形狀為1條雙曲線;利用疊加速度或偏移距與時間的關系，將反射波校正到水平同相軸，并通過疊加(見圖1(c))或累計產生1個單獨的記錄，其信噪比要高于所有原始記錄。多道多次覆蓋CDP疊加技術在地震反射波勘探技術中具有里程碑的意義［4－5］。

覆蓋次數取決于每次激震時接收點的數量和激震點間距，對于單邊激震而言，覆蓋次數n=N/2d(N為采集記錄地震道數，d為激發炮點間距)。多道多次覆蓋CDP疊加技術水域地震反射波勘探是本工程的關鍵方法技術。與單道地震對比，多次CDP覆蓋具有如下顯著特點(優勢)［6－7］。

1)使有效信號得到增強。理論上在保持完全同相疊加時，信噪比可提高倍。

2)能提高橫向分辨率。在單道地震剖面中，地層反射點的間距與炮點激發的間距相同，取決于船速與震源激發時間間隔。本工程要求探測直徑≥1 m的異常孤石，技術上要求0.5 m范圍內至少要有1個反射點。例如:如果激發間隔為1 s，船速按3節來計算，即以0.5×3=1.5 m的間隔掃描，則＜1.5 m的目標體會漏掉;如果激發間隔＞1 s，如4 s時其掃描間隔為6 m，則＜6 m的目標體則會漏掉，由此可以判定單道地震無法達到本工程的探測要求。若采用24道小道間距(0.5 m)觀測系統裝置，以船行速度1.5 m/s計算，對同一點則有8次的掃描即8次CDP覆蓋;同時，由于孤石大小不一，埋深不一，最佳的偏移距離也不一，所以可以根據信號的明顯程度組成剖面，而且這種掃描構成多次重復，有利于孤石探查。

圖1 1個共深度點(CDP)道集產生的疊加記錄Fig.1 Stacked trace from a single CDP gather

3)能同時反映不同深度的地層信息。從地震反射波在界面處的反射能量分配看，偏移距不同則反射系數存在差異［8］，較淺地層要用較小的偏移距，較深的地層要用相對大的偏移距。單道地震采用同一偏移距不能清楚地同時反映從上到下不同深度的地層信息。多道采集則很好地克服了此問題。

4)能對多次波和噪聲信號抑制或有效消除。多道采集有比較完整成熟的消除隨機噪音和規則干擾噪音的理論和算法程序。此外，多道采集信號的時間序列中隱含著地震波傳播速度這一參數的信息，可提取速度譜，用于水平疊加、偏移歸位等。

水域走航式地震反射波方法由于工作船的航速受發動機馬力、海水流速、漲落潮、風向、駕駛技術等影響，不可能保持恒定的速度，實際作業中速度基本上為1.2～1.5 m/s;震源激發點距取決于船速和震源船沖擊間隔時間，震源船沖擊間隔時間保持1 s，炮點距為1.2～1.5 m，不同測線或同一測線不同里程段炮點距有所不同。因此，本工程采用準CDP疊加方法，即抽取小面元的來自不同激震點、不同接收點上接收的反射地震信號進行疊加。實際工作中按1 m/0.5 m面元疊加，普查階段(道間距1 m)CDP覆蓋次數為16～20次，詳查階段(道間距0.5 m)覆蓋次數為20～24次。

2 關鍵技術因素分析

2.1 震源頻率及分辨率

2.1.1 縱向分辨率

縱向分辨率取決于地震波的波長。實際工作中，地震波的最大分辨率為λ/4(λ為波長)，要探測1 m以上的隱伏地質體，需λ≤4 m;但考慮到地質體的不規則性和異常體的上、下界面的有效揭露，選λ/4≤0.5m，即 λ≤2.0 m。

隧洞穿越的巖土層縱波平均速度為1 500～1 800 m/s，地震反射波探測地質體的能力(分辨率)取決于地震波的波長。波長與震源的頻率及巖土層的縱波速度關系為

如果取v=1 600 m/s，以震源的主頻f=800 Hz計算(選擇的震源頻率應滿足探測1m以上隱伏地質異常體的要求)，則由(1)式可求得地震波的波長λ=2.0m，肉眼可見分辨率為λ/2。

需要說明的是，不同頻率的震源對地層的穿透能力是不同的。低頻穿透能力強，但分辨率低;高頻分辨率高，但穿透能力差。因此，地震波的震源必須有一定合理的頻率范圍，滿足本工程既要有一定的穿透土層能力，又要保證較高的分辨率的要求。

2.1.2 橫向分辨率

地震波的傳播規律和幾何光學極為相似，波在傳播過程中，當遇到彈性分界面或者巖性突變點時會產生反射、繞射、折射和透射，接收并處理不同的波就構成了不同的地震勘探方法。彈性波在傳播過程中，當遇到地層尖斷點(如尖滅、斷層)或者異常體(如夾雜物、孔洞和裂隙等)尺寸小于菲涅爾半徑時，就會像光學中的衍射一樣，這些介質性質突變點將產生波的繞射。根據惠更斯原理，地震中地面上檢波點收到的信號應視為反射面上各二次震源發出的振動之和，這說明反射波并不是來自反射面上的某一點，而是一個面積上的貢獻。當入射波前與反射面相交形成反射時，波前面相位差在λ/4以內的那些點所發出的二次振動將在接收點形成相長干涉，使接收的能量加強，而在該區之外各點發出的二次振動則互相抵消，所以該區是產生反射的有效面積，被稱為“第一菲涅爾帶”，同時也是確定反射波橫向分辨率的標準。設界面深度為h，地層為各向同性彈性介質波波速為v，地震波主頻為fc，采用自激自收方式其雙程走時為t，當地震波波長遠小于界面深度時，通過推導可以得出“第一菲涅爾帶”半徑

由式(2)可以看出，反射波橫向分辨率的高低取決于深度、速度和信號頻率，速度愈小、深度愈淺(或雙程時愈短)、頻率愈高則分辨率越高，反之則越低。

理論上在均勻介質中的一個異常地質體，地震反射波剖面中會出現繞射或散射現象［9］。圖2為均勻介質中異常地質體繞射現象正、反演模型。模型反映了不考慮噪音情況下均勻介質中異常地質體的繞射現象。上部介質縱波速度v=1 500 m/s，界面深度為50 m。在剖面中部有一繞射體，截面積為1 m×1 m，其中心坐標位置為(60，30)，在地表觀測時可近視為一個繞射點。選用24道多次覆蓋接收方式觀測系統進行模擬，道間距2m，信號記錄設置采樣周期為200 μs，記錄樣點數為1 024。信號接收只考慮直達波、反射波和散射波。

圖2 均勻介質中異常地質體繞射現象正、反演模型Fig.2 Forward and inversive models of diffraction of small geologic body in homogeneous medium

2.2 震源選擇

目前國內常見的水域淺層地震勘探震源主要有電火花震源和淺剖儀震源。電火花震源是利用電容中儲存的高壓電能通過在水中電極間隙進行瞬時放電而激發地震波裝置;但受電容容量的限制，小容量的電火花震源放電時間間隔較長，而淺剖儀震源的發射頻率較高，穿透深度有限。本工程要求震源有一定的穿透深度、較高的分辨率、激發間隔短，以保證有較多的覆蓋次數。因此，震源采用氣動機械聲波水域高分辨率淺層地震勘探連續沖擊震源［10］(獲國家發明專利，專利號ZL 2008 1 0071271.0)。本震源主頻為300～2 000 Hz，頻帶寬，各頻率成分的能量分布較均勻，余震衰減快，能量適中，脈沖特性好，激發頻率相當于40in3氣槍或1 000 J電火花震源，不受水深影響，對海洋生態及環境保護有利，特別適合各類淺海和灘海過渡帶淺地層剖面探測。震源激發時間可調，最小可達1.0 s，遞增時間間隔為0.1 s，沖擊時間間隔的調整靈活方便。

2.3 觀測系統

在本次水域物探工作中，采用水域走航式地震反射波方法。接收采用24道水上漂浮電纜，普查階段道間距1 m，詳查階段道間距0.5 m。地震儀采用SWS－6地震勘探系統。導航定位儀器采用雙頻RTKGPS，RTK－GPS接收機載波相位差分能實時提供觀測點的三維坐標，并達到厘米級的高精度。實際工作中電纜會有一定的漂移，與水流、航向有關，作業時選擇海況好的時間段進行測試，同時增加測線密度，在洞身范圍內有足夠的測線覆蓋，彌補電纜漂移造成的不足。

3 數據處理與成果解釋

3.1 數據處理

水域地震反射波地震數據處理按標準流程進行［8，11］，主要數據處理流程如下。

1)數據處理。解編—動平衡記錄時間補償—壞道剔除—頻譜分析—濾波—速度分析—抽道集—噪音處理—反褶積—濾波—動校正—CDP疊加—多次波消除—偏移—深度衰減補償—長PCX文件制作—繪制彩色反射波時間剖面圖。

2)計算各地震道坐標、距離。航跡歸一—地震道號與坐標對應點輸入—計算各道坐標、各道坐標投影到隧洞軸線或設計線上—計算偏離軸線距離—插值計算每個CDP點的里程樁號、偏離距。

3)考慮海水高程變化。按疊加速度計算各CDP道的隧洞洞頂、洞底時間，并在時間剖面圖上表示。

3.2 成果資料分析

疊加方式采用準CDP方式按0.5 m和1 m反射面元疊加。圖3中①和②2條平行線分別表示隧洞的洞頂和洞底。設計的隧洞直徑為9 m，考慮深轉換有一定的誤差，洞頂和洞底分別向上和向下拓展1 m。由于本工程的物探目的主要是探測風化殘留體或孤石(群)，巖土分層對指導施工并不特別重要，解釋工作的重點是分析判斷洞身一定范圍內地震反射波的異常，判定產生異常的可能原因。解釋成果以1號隧洞為例，發現的主要問題如下。

1)隧洞洞身范圍內的異常主要集中在花崗巖段K0+252～+550，該段有3處風化殘留體，同相軸反射能量不等，存在風化程度不均的巖土體。

2)不同里程位置發現多處繞射現象，有比較明顯的及相對小的繞射弧。

3)部分區段花崗巖基巖突起。

4)粉砂巖段在K2+930～K3+200存在古地質構造，該段地層連續性差。

通過成果數據分析，取水隧洞花崗巖段洞身位置的風化殘留體(孤石或孤石群)集中在核電岸K0+250～+530區段。具體來說，1號隧洞有3處異常:反射能量最強的同相軸為中風化花崗巖頂面;在K0+252～+283延伸到隧洞中，為基巖突起段;K0+312～+352和K0+417～+440存在孤石 (孤石群)，此處的同相軸反射能量相對基巖變小，但比周圍地層的反射能量大，且出現繞射現象。

圖3 1號取水隧洞花崗巖段地震反射波時間剖面圖(局部)Fig.3 Seismic reflection profile in granite zone of No.1 water intake tunnel(partial)

臺山核電取水隧洞海域靠核電岸為花崗巖，靠取水位置的大襟島岸為粉砂巖。圖4為1號取水隧洞粉砂巖段地震反射波時間剖面圖。圖中淤泥同相軸連續完整，說明無新構造運動;在淤泥下方數條同相軸在1 335～1 460道之間發生錯斷，同相軸能量弱，連續性明顯變差，繞射現象嚴重，右方同相軸有一定傾斜，說明該處地層經歷構造運動，判斷該處為古斷裂，里程樁號為K2+950～K3+200，寬度約為250 m。詳勘鉆孔在該處揭露的基巖很破碎，其中一深孔(圖4中CDP1 450道附近)鉆到121 m深度處巖芯依然很破碎。

4 鉆探驗證與盾構施工驗證說明

4.1 鉆探驗證情況

根據水域地震反射波的成果，對發現的取水隧洞洞身范圍內的分類異常進行鉆探驗證，1號和2號隧洞驗證孔中9個布置在K0+250～+500段，其中:1)有7個孔的異常得到了驗證，發現了大小不等的孤石(中等風化核)。其中1號隧洞K0+264.2鉆孔在7.9～8.08 m處發現孤石，在洞身范圍內，發現中等風化巖;K0+321.1 鉆孔在 17.0 ～17.7 m 處和 19.4 ～22.3 m處發現孤石;K0+426.821鉆孔在14.9～15.15 m 處發現孤石。2)2號隧洞花崗巖段布置的4個驗證孔同樣在物探確定的4個異常區域分別發現了基巖突起和孤石，K0+330.09 處鉆孔分別在 6.5 ～7.1 m、11.3 ～12.2 m 和14.3 ～15.9 m 處發現孤石(中等風化核)。

圖4 臺山核電1號取水隧洞粉砂巖段地震反射波時間剖面圖(局部)Fig.4 Seismic reflection profile in sandstone zone of No.1 water intake tunnel(partial)

物探成果驗收后，采用水下鉆探、水下垂直鉆孔控制爆破的方式排除花崗巖孤石對盾構掘進的影響，1號隧洞在里程K0+310～+360段物探確定的異常范圍內按1m方格網布置鉆孔，每延m里程布置10個鉆孔。鉆探結果表明:花崗巖突起段的邊界和埋深與物探結果基本吻合;K0+310～+360 m區段隧洞標高范圍內共53個鉆孔發現孤石，孤石大小不等，其中厚度＜1 m的孤石35處，≥1m的孤石18個;孤石最小0.4m，最大在K0+330處，有4段孤石疊加，近乎呈直立狀。其余地段采用水下垂直鉆孔控制爆破方式排除。

4.2 盾構施工驗證情況

海底隧洞盾構通過1號隧洞K0+310～+360段、K0+406～+447段物探確定的異常范圍段后，分別進行了數次停機作業，組織專業作業人員在0.22～0.3 MPa的壓力條件下，進行了多達數百人次的帶壓進艙作業，共打撈出大小不等的孤石71塊，最長的一塊孤石達130cm。圖5為從盾構機壓力艙內打撈出的孤石。

圖5 從盾構機壓力艙中打撈出的大小不等的孤石Fig.5 Boulders taken from shield chamber

5 結論與討論

1)采用工程物探方法探查影響海底隧道施工的風化殘留體和孤石(群)，在國內尚屬首次。本工程針對性地選用水域走航式高頻、高密度地震反射波方法，采取密點距多次CDP疊加技術，物探測線完全覆蓋取水隧洞洞身范圍，采集的地震數據信息量大。通過成果資料分析，發現了地震反射波異常反映，對地層及地質異常體的識別清晰，達到了物探工作的預期目的。通過對異常地段鉆孔取芯的驗證，證明了解釋結果可靠，物探精度滿足探測要求，該方法對探測海底地層中的孤石(群)是有效的。查清了花崗巖孤石的位置和分布，為盾構施工提出不利地質地段，為今后類似工程積累經驗和技術。

2)測試過程中要精確控制電纜飄移、擺動等帶來的誤差，工作中除盡量選擇海況好的時間測試，主要采取增加測線密度的方式解決，在洞身范圍內保證有足夠的測線覆蓋。

3)按照目前的技術水平，只能探測風化殘留體(孤石)的分布范圍與埋藏深度，孤石的具體形態尚無法探測清楚。

4)異常地質體的地震波場反演與成像是解決此類工程問題的進一步研究方向。

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