工程物探在大型海底隧道勘察中的應用

陳洪勝

（上海市城市建設設計研究總院<集團>有限公司，上海200125）

工程物探與鉆探一樣是巖土工程勘察勘探手段，其在大型橋梁、隧道和公路等線路工程各階段勘察中有其獨特的優勢，目前在各大工程中都得到廣泛的應用。

工程物探最明顯的優點是工作場地條件要求低、周期短、耗資小、效果直觀。鉆探資料是反映點上的地質情況，而物探成果資料是反映線上的地質情況，有連續性和直觀性，對于地層變化的情況，能夠宏觀控制。

隨著基礎設施建設的快速發展，過江、河、海的橋梁、隧道項目非常多。常規的工程鉆探手段能解決大量的地質問題，但在水域(航道）等大大增加了鉆探施工的難度，工期和經濟都是挑戰。一些大型海域項目的工程預可行性、可行性研究階段，需要初步查明線位處海底地層分布情況，重點是中（微）風化基巖起伏情況；初步查明測區斷裂構造分布情況及其活動性，為設計提供基礎資料。少量鉆探難以達到上述勘察目的，而工程物探恰恰能發揮其特點和優勢。

1 工程概況

珠海某海底隧道全長約12.4km，其中海域部分全長約6.5km。隧道最大埋深約38m。在選線階段（預可）要求勘察初步查明線位處海底地層分布情況，重點是中（微）風化基巖起伏情況；初步查明測區斷裂構造分布情況及其活動性，為設計提供可靠地質資料基礎。

2 區域地質與地球物理條件

2.1 區域地質條件

地質構造上位于五桂山隆起之南側，地質構造復雜，自侏羅紀以來，經多次構造運動，中生代巖漿活動強烈，酸性巖漿侵入遍布全區，新生代伴以小規模的基性巖漿侵入。擬建海底隧道附近的主要區域性斷裂有2條，白藤山—吉大斷裂帶和橫琴島—下川島斷裂帶。

擬建場地鉆孔揭露情況，線位范圍地層劃分主要可分為6個單元層，具體如下：

（1）第四系海陸交互相沉積層（Qmc）：該層由淤泥②1、淤泥質粘土②2、粘土②3、粉砂②4和礫砂②5構成，呈互層狀產出。

（2）第四系殘積（Qel）砂質粘性土③：褐黃、褐紅、灰白等色，系由花崗巖原地風化而成，原巖結構較清晰，呈飽和、硬塑狀態為主，局部可塑。

（3）第三系（N）砂巖：褐黃、褐灰色，主要礦物成分為石英、云母及粘土礦物，鈣質泥質膠結，砂狀結構，中厚層狀構造，本次鉆探揭露的砂巖，按其風化程度的不同，可分為全風化、強風化及弱風化。

（4）燕山期（γy）花崗巖：灰白、淺肉紅色，主要礦物成分為石英、長石及黑云母，粗粒結構，塊狀構造。本次鉆探揭露的花崗巖，按其風化程度的不同，可分為全風化、強風化、弱風化及微風化花崗巖。

2.2 地球物理條件

據本次勘探區域已有地質資料，擬建區域基本具備開展地震勘探的條件：（1）第四紀覆蓋層同基巖兩者存在較明顯的波阻差異，可形成良好的地震反射面；（2）強風化、弱風化基巖，特別是花崗巖也存在較明顯的波阻差異，可形成良好的地震反射面。各巖土層的地震波速見表1。

表1 各巖土層地震波速表

3 工作方法

3.1 勘察方法與工作量布置

3.1.1 選用的地球物理勘察方法

用于對海域地層分層的地球物理勘察方法包括淺地層剖面法、單道地震法及多道地震法。淺地層剖面法的探測深度一般為軟土層底界，單道地震法的探測深度深于淺地層剖面法，但其穿透深度有限，達不到該項目要求；而多道地震反射法的探測深度可達幾百米。

根據本項目附近海域的地質情況，淺地層剖面法、單道地震法不適宜，多道地震法可以達到預計的探測深度。故本項目選擇多道地震反射法進行探測。

3.1.2 測線的布置

根據設計要求，地球物理勘探測線主要沿3條備選線方案線位的軸線布置，測線編號為A1、A2、A3；另沿3條線位垂直方向布置2條橫測線，測線編號為H1、H2。

3.2 儀器設備

本項目投入的主要儀器設備見表2。

3.3 地球物理勘察野外工作方法技術

多道地震反射法經過現場參數試驗，最終選定參數及工作方法技術如下：

采用壓縮空氣能震源系統激發，激發間距3s，基本勻速航行，航速2.8～3.3節。采樣間隔0.125ms，記錄長度256ms，低切140Hz濾波。

采用拖拉式連續勻速航行和定時激發方式施工，震源系統牽掛在船尾部向后延伸10m，接收電纜牽掛在船尾部向后延伸22m，選擇風浪較小期間工作，水深較淺段選擇在潮位較高時工作。

表2 投入本項目的技術設備一覽表

多道地震反射法采集時，測線采用GPS導航定位?？碧酱谎夭荚O測線盡量呈勻速航行。為保證完全覆蓋設計測線，提前200～400m上線，推遲200m下線。

工作期間開啟淺層地震儀的噪聲監測模式、實時監測漂浮電纜。保證電纜成直線或近似直線。在發現干擾較大、航跡偏離設計測線太遠、船姿不正、漂浮電纜羽角過大時，停止采集數據，并認定數據不合格。在海況良好時進行補測或重測。

本次觀潮工作設立了一個觀潮站，地球物理勘探工作期間，每隔10min觀測一次水位，觀測時間完全覆蓋勘察采集區間。

4 資料整理、處理、分析與解釋方法

4.1 資料的整理與處理方法

資料處理流程主要如下：

預處理→超級CDP道集選排→疊前濾波→道間平衡→速度分析→動校正→FK濾波→寬線疊加→疊后濾波→修飾處理→樁號投影→潮位改正→成果時間剖面輸出。

主要節點的功能及參數如下：

預處理包括根據導航資料設置各炮炮點、檢波點的坐標、反相道反相、不正常道切除；

超級CDP道集選排按多次覆蓋觀測系統抽取共炮點道集；

疊前濾波主要為頻率帶通濾波，濾波的截止頻率由原始記錄中的頻譜分析結果決定，低截頻率范圍為100～200Hz，高截頻率為800～1600Hz；

道間平衡將各道的總能量調整為同一水平；

速度分析主要應用超級速度譜，速度分析區間為1100～2800m/s（步長10m/s），從速度譜中根據疊加能量最強的原則拾取疊加速度，最終采用二維速度模型供動校正使用。

動校正應用速度分析確定的二維速度模型對超級CDP道集進行動校正，動校速度范圍1350～2200m/s。

FK濾波在動校后進行，主要用于壓制多次波。

疊加采用寬線疊加方式，將落入同一個線元的道疊加成同一個CDP，以消除航速不穩的影響。

疊后濾波主要濾除動校時拉伸畸變的波組，一般為低切濾波，截止頻率比疊前濾波的低切頻率稍低；

樁號投影為根據實測測點坐標投影到設計線路的里程或設計測線的樁號。

潮位改正將各道的高程變換到1956黃海高程基準的0.0m高程，消除潮位變化對數據的影響，并進行漂浮電纜沉放深度、震源沉放深度改正，改正波速為海水波速1500m/s。

4.2 分析與解釋方法

4.2.1 地震層位劃分與地層分層原則

參照鉆孔資料，在時間剖面上找出具有較強振幅、同相軸連續性較好、可在整個工作區內追蹤的目的反射層作為全區解釋中進行對比的標準層。

在本次地球物理勘探獲得的多道地震反射法時間剖面上分析識別出3個地震波強反射波組作為標準層。

根據標準層，結合鉆孔資料，對各測線的地層進行劃分。對于相交測線，對交點進行閉合，閉合差控制在2ms以內。

4.2.2 斷層判斷依據

本次開展的多道地震反射法為地震反射波法勘探。對于反射法資料，根據相關規范和同類工程經驗，結合本區地質情況，在斷裂通過處一般存在如下特征：

（1）地震反射波波組或同相軸出現錯斷現象；（2）地震反射波同相軸產狀突變；

（3）地震反射波同相軸數目明顯增加或減少；（4）地震反射波同相軸的強相位反轉；

（5）中微風化基巖頂面地震反射波組的雙程時間明顯增加，出現明顯的巖面凹槽或巖面陡坎；

（6）全強風化層明顯變厚。

斷層可分為錯斷基巖的斷層和錯斷土層的斷層。

對于錯斷基巖的斷層，由于本區花崗巖為無層理巖漿巖，斷層一般以巖面凹槽的形式呈現。此外，本區斷層的傾角較陡，不能采集到斷面波。故本區只能采用反射凌亂、出現空白區、巖面陡坎、巖面凹槽等特征進行基巖斷層的識別。

對于錯斷土層的斷層，可以采用反射波同相軸、波組出現錯斷等特征進行有效判斷，但斷距不大時可能漏判。

5 資料的綜合分析與地質解釋

5.1 地震層位與地層劃分

從本次地球物理勘察獲得的多道地震反射法時間剖面上，分析識別出3個地球物理界面：2個地震波強反射界面、1個水底界面，分別命名為T1、T2、T3。其中T1為水底界面，T2、T3為地震波強反射界面。各界面與時間層位的對應關系實例見圖1。

圖1 多道地震反射法分層界面

根據3個地球物理界面和鉆孔資料，結合區域第四 系沉積環境和地層特征，將工作區地層劃分為4個地球物理層，如表3所示：

表3 時深轉換波速表

（1）水體：T1界面以上；

（2）軟土層：T1界面與T2界面之間?；救珔^可見。為第四系海陸交互相沉積層（Qmc），以淤泥、淤泥質土為主；

（3）砂、粘土混合層及全、強風化層：T2界面與T3界面之間。基本全區可見。為第四系海陸交互相沉積層（Qmc）、殘積土（Qel）及第三系和燕山期風化巖，以砂、粉質粘土為主。

（4）中、微風化層：T3界面以下。全區可見。

根據上述分層方法，對物探解釋的各界面的雙程時間進行時深轉換，求取各界面的深度，結合壓線鉆孔，繪制地質解釋剖面。

5.2 基巖巖性

據已有地質資料，本次工作區范圍內東西兩側基巖巖性不同，東段以花崗巖為主，西段以砂巖為主?？v觀各勘探方法的時間剖面，未發現來自基巖巖性分界面的反射界面。但是，多道地震時間反射法表明，以花崗巖為主的區段，中微風化巖頂界面呈現犬牙狀，伴隨較多的繞射波、回轉波等。以砂巖為主的區段，中微風化巖頂界面相對光滑，無繞射波。

5.3 基巖起伏特征

根據地球物理勘探成果，測線覆蓋范圍中微風化基巖頂面起伏變化較大；總的趨勢是花崗巖段埋藏較深且起伏較大、砂巖段埋藏較淺且起伏相對較小，如圖2所示。

5.4 斷裂構造

圖2 沿線基巖面分布示意圖

綜合本次地球物理勘探資料，共發現斷裂構造異常22處。根據地調資料及空間位置關系、異常特征等綜合推斷斷層6條，如圖1所示。

6 結語

（1）采用多道地震反射波法的工程物探手段，查清了海底隧道的地質條件，滿足了設計在選線階段（預可研）的要求。周期短、耗資小、效果直觀，是一種有效的勘探手段。

（2）工程物探是一種間接手段，是依據物性差異進行推斷。雖具有周期短、耗資小、效果直觀的優點，但也有“精度不高”的缺點，甚至有誤判的可能。因此，巖土工程勘察應該是工程鉆探、工程物探等綜合勘探，各取所長。根據工程具體情況、設計階段的要求，選取可行的勘探手段。

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