水上多道地震在佛山市某過江隧道勘察中的應(yīng)用

李譚偉，朱志龍,鄔遠(yuǎn)明

文章編號(hào)：1672-5603（2020）02-15-6

摘 要 水上多道地震作為工程勘察的重要手段，憑借著高效、無損、高密度、低成本的特點(diǎn)，在場(chǎng)地基礎(chǔ)勘察中發(fā)揮著重要的作用。本文通過對(duì)擬建中的佛山市季華路西延線工程中的控制性工程下穿順德水道隧道進(jìn)行水上多道地震勘探，簡(jiǎn)述了水上多道地震的勘探方法原理、使用的儀器設(shè)備和數(shù)據(jù)采集方法。本次勘察查出斷層一處 ，并初步查明了各地層分布等相關(guān)工程地質(zhì)條件。鉆探揭露結(jié)果與物探資料基本一致，為擬建的佛山市順德水道隧道提供了勘察依據(jù)。

關(guān)鍵詞 水上多道地震;過江隧道;應(yīng)用效果;水域;工程勘察

中圖分類號(hào)：P631.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Application of Multi-channel Seismic Exploration on a River Crossing Tunnel in Foshan

Li Tanwei ， Zhu Zhilong ， Wu Yuanming

（Hunan Provincial Communications Planning， survey & Design Institute CO.，LTD， Changsha Hunan 410219）

Abstract： As an important means of engineering survey， multi-channel seismic exploration on water plays an important role in site foundation survey by virtue of its characteristics of high efficiency， non-destructive， high density and low cost. Based on the proposed control project of Jihua Road West Extension of Foshan City， the multi-seismic seismic survey on the water through the Shunde Tunnel was conducted. The principle， equipment and data of the multi-seismic survey on water were briefly described. Acquisition method. This survey identified one fault， and preliminary identified the relevant engineering geological conditions such as the distribution of various layers. The drilling results were basically consistent with the geophysical data， which provided a survey basis for the proposed Shunde Waterway Tunnel in Foshan.

Keywords： Multi-channel seismic exploration on water; river crossing tunnel; application effect; water area; engineering survey

0 引言

與橋梁工程相比，水下隧道具有隱蔽性好、對(duì)自然災(zāi)害的抵抗力強(qiáng)、平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)通暢、對(duì)水面航行無妨礙等優(yōu)點(diǎn)。隨著施工技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的隧道選擇從水下通過。由于順德水道是通往粵西、粵北最快捷最通暢的航道之一，而擬建的佛山市季華路西延線工程中的控制性工程過江隧道位于順德水道水域，鉆探在水上施工期間對(duì)海事、航道、防汛等影響較大，涉及許多相關(guān)部門，并且施工手續(xù)繁瑣，同時(shí)兩岸堤防安全控制區(qū)內(nèi)嚴(yán)禁鉆探施工。為了不影響工程的建設(shè)工期并達(dá)到設(shè)計(jì)要求，勘察工作的展開及工作量布設(shè)遵循循序漸進(jìn)的原則：先布置物探工作，了解隧道區(qū)域內(nèi)的基本工程地質(zhì)條件，初步查明對(duì)工程安全有重大影響的不良地質(zhì)問題，再進(jìn)行水上鉆探施工[1]。

在公路工程勘察中，許多跨江工程（如橋梁、隧道）經(jīng)常采用水上地震勘探方法，作為獲取水下地質(zhì)信息的重要手段，淺層地震勘探技術(shù)的應(yīng)用可以解決以下兩個(gè)方面的問題：（1）劃分水底淤積層，巖石的強(qiáng)弱風(fēng)化層，以及確定新鮮基巖面的埋藏深度和規(guī)模。（2）調(diào)查水域中有無斷層和其他小型地質(zhì)構(gòu)造的存在或分布情況，確定工程區(qū)域穩(wěn)定性[2]。

本文以佛山順德水道隧道的水上勘探為例，介紹了多道地震反射波法在水上工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用，通過對(duì)物探數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并對(duì)物探成果進(jìn)行地質(zhì)解釋，取得了較好的勘察效果，并獲得了有實(shí)用價(jià)值的結(jié)論[3-6]。

1 ? 工程及地質(zhì)概況

擬建的順德水道隧道其起點(diǎn)位于樵金路東側(cè)，下穿順德水道、禪港路，過禪港路后出地面順接現(xiàn)狀季華老路，隧道底在順德水道河床底埋深約29m，采用明挖法+盾構(gòu)的施工工法。

根據(jù)該段區(qū)域地質(zhì)資料及相鄰項(xiàng)目資料（見圖1），沿線地層主要為第四系海陸交互相沖淤積層及下古近系華涌組（E2h）;項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)構(gòu)造以新華夏構(gòu)造體系為主，項(xiàng)目近場(chǎng)區(qū)斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，總體下可劃分為北東向、北西向和近東西向三組，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，茲將場(chǎng)地附近的主要構(gòu)造特征描述如下：（1）石碣斷裂（F3）：該斷裂產(chǎn)狀：斷裂走向北東15～20°，傾向南東，傾角60～70°（15-20°/SE∠60～70°），斷裂可分兩段：東北段和西南段。（2）三水—小塘斷裂（F9）：該斷裂位于三水盆地中部，大致與西江斷裂走向近平行，呈NW310°～320°，傾向NE或SW，該斷裂南段截切喜山期玄武巖，同時(shí)控制第四系沉積，南西盤晚更新世沉積厚度達(dá)30～40m，呈NW向帶狀展布。

根據(jù)佛山地區(qū)區(qū)域地質(zhì)資料，結(jié)合本次勘察成果，場(chǎng)地?cái)嗔选Ⅰ薨櫜话l(fā)育，巖層主要為較緩的單斜構(gòu)造，巖層層面較穩(wěn)定、產(chǎn)狀較平緩，巖層總體傾向東南，傾角5～25°。

2 方法原理及地震地質(zhì)條件

2.1 地震勘探工作原理

人工地震是使用人工方法（如炸藥，電火花等）來激發(fā)彈性波;使用地震儀器檢測(cè)測(cè)量線上不同位置的大地振動(dòng)，通過進(jìn)行處理并解釋這種攜帶了地層信息的信號(hào)，從而可用于推斷和確定地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖性、地層埋深和構(gòu)造形態(tài)（即空間位置）的勘探目的的方法是地震勘探。地震波的傳播定律與幾何光學(xué)非常相似（圖2）。在波的傳播過程中，遇到彈性界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，折射和透射。 接收不同的波將構(gòu)成不同的地震勘探方法（例如反射波勘探，折射波勘探和透射波勘探）[7]。

2.2 地震地質(zhì)條件

根據(jù)前期工作及參考其他相鄰地區(qū)的相關(guān)資料，可將各巖土層物性參數(shù)歸納于表1。

分析表1可見，本區(qū)開展地震反射勘探具有較好的物探條件：

（1） 水底淤積層內(nèi)（含淤泥、砂、圓礫等）巖性之間存在明顯的波阻抗差異，當(dāng)界面較穩(wěn)定、連續(xù)時(shí)，可作為較好的地震波反射界面;

（2） 水底淤積層與基巖間波速及密度存在明顯差異，兩者之間波阻抗差異明顯，故基巖面可作為良好的地震波反射界面;

（3） 若斷層引起地層的豎向錯(cuò)動(dòng)或存在斷層破碎帶，則地震時(shí)間剖面圖將出現(xiàn)反射波組能量減弱、繞射波或同相軸的錯(cuò)動(dòng)、不連續(xù)等異常特征。

3 野外工作方法技術(shù)及質(zhì)量評(píng)述

3.1 儀器設(shè)備及其技術(shù)指標(biāo)和工作狀態(tài)

根據(jù)勘察項(xiàng)目的內(nèi)容和要求，本次水上多道地震勘探主要使用了以下設(shè)備和軟件系統(tǒng)。所有的儀器設(shè)備均在計(jì)量檢定周期之內(nèi)。

3.1.1 多道地震儀

本次勘探采用的是Geode數(shù)字化信號(hào)增強(qiáng)型淺層地震儀。該儀器是美國(guó)Geometrics公司生產(chǎn)的，有相互獨(dú)立的24道地震信道，整機(jī)由內(nèi)置工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)控制。該儀器性能滿足相關(guān)規(guī)范的要求。項(xiàng)目組在出工前、現(xiàn)場(chǎng)開工前、外業(yè)結(jié)束時(shí)的自檢表明，儀器性能穩(wěn)定、工作正常。

3.1.2 多道地震信號(hào)接收電纜

采用低頻多道（24道）漂浮電纜，由封裝在特制透明塑料管中的壓電晶體構(gòu)成，主頻60Hz，道距2m。每道采用多個(gè)傳感器通過串聯(lián)、并聯(lián)組合而成。

3.1.3 水上地震震源

采用英國(guó)Applied Acousitics Engineering公司生產(chǎn)的CSP-D2400J可調(diào)電磁脈沖震源，該震源激發(fā)主頻率200～1000Hz，發(fā)射間隔時(shí)間短，激發(fā)一致性好。

3.2 地震反射法野外方法試驗(yàn)及工作參數(shù)選擇

在開始采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)之前進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括震源能量、濾波通帶、激發(fā)間隔時(shí)間、采樣間隔、偏移距、記錄長(zhǎng)度、炮間距、航速等。根據(jù)測(cè)試結(jié)果選擇最佳采集參數(shù)，見表2。

利用以上參數(shù)采集的原始地震記錄波組連續(xù)、層位清晰、信噪比高。通過后續(xù)處理獲得的時(shí)間剖面波組分明、層位清晰。這表明此次多道地震選擇的采集參數(shù)是合理的，可取得很好的勘探效果。

3.3 測(cè)線測(cè)量、導(dǎo)航定位

RTK接收機(jī)平面控制使用的是國(guó)家2000坐標(biāo)系，深度基準(zhǔn)面采用85國(guó)家高程系統(tǒng)，工作前需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及校準(zhǔn)工作。工作時(shí)，首先架設(shè)基站并使用移動(dòng)臺(tái)在所提供的四個(gè)控制點(diǎn)中的三個(gè)控制點(diǎn)位置接收差分信號(hào)并采集坐標(biāo)，然后解算出了兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，再利用其他兩個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)來進(jìn)行校準(zhǔn)，位置誤差2cm，高程誤差2cm，如不能保證精度則重復(fù)以上工作，直到達(dá)到要求為止。

在物探工作導(dǎo)航期間，移動(dòng)臺(tái)固定在船體右舷的中間位置，接收衛(wèi)星信號(hào)，并將移動(dòng)臺(tái)與計(jì)算機(jī)主機(jī)連接，通過計(jì)算機(jī)導(dǎo)航軟件可用于導(dǎo)航。正常工作后，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)屏幕將顯示船舶所在位置，設(shè)計(jì)測(cè)量線的位置，并根據(jù)船舶的航線繪制航跡圖。

導(dǎo)航軟件實(shí)時(shí)顯示測(cè)量船的航跡和姿態(tài)，并提供船體距設(shè)計(jì)測(cè)量線的距離，以便操作員隨時(shí)修改航線，以確保測(cè)量船沿著設(shè)計(jì)測(cè)量線航行。導(dǎo)航系統(tǒng)自動(dòng)打包定位數(shù)據(jù)，導(dǎo)航參數(shù)和其他測(cè)量信息，并將它們作為原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的硬盤上。

3.4 物探野外工作方法技術(shù)

地震反射法采用拖拉式連續(xù)勻速航行和定時(shí)激發(fā)方式施工，接收電纜牽掛在船尾部向后延伸[9]，現(xiàn)場(chǎng)工作場(chǎng)景見圖3。在多通道地震采集過程中，物探測(cè)線使用GPS導(dǎo)航和定位，探測(cè)船沿勘測(cè)線以均勻的速度航行。為確保完全覆蓋設(shè)計(jì)測(cè)線，提前上線并推遲下線。在工作過程中，將打開淺層地震儀的噪聲監(jiān)測(cè)模式，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)漂浮電纜，以確保電纜是直的或近似直的。及時(shí)記錄野外工作班報(bào)表，并記錄實(shí)時(shí)發(fā)生的異常情況。

3.5 物探外業(yè)工作質(zhì)量評(píng)述

本次工程物探采用了多道地震波反射法，并配套進(jìn)行水深測(cè)量。各種方法的主要儀器設(shè)備先進(jìn)、工作狀態(tài)正常、并都校準(zhǔn)期限內(nèi)。在進(jìn)場(chǎng)后、退場(chǎng)前均進(jìn)行了調(diào)試和自檢。

本次共采集多道地震原始記錄1212個(gè)（不包含廢炮），其中試驗(yàn)原始記錄100個(gè)，占8.25%，原始記錄中有效反射波組清晰連續(xù)、信噪比高。全部記錄合格，其中優(yōu)良以上記錄1154個(gè)，占95%，滿足相關(guān)規(guī)范的要求[8]。

4 資料分析與解釋及誤差來源

4.1 多道地震資料分析與解釋

在時(shí)間剖面上找出具有較強(qiáng)振幅、同相軸連續(xù)性較好、可在整個(gè)場(chǎng)區(qū)內(nèi)追蹤的目的反射層作為標(biāo)準(zhǔn)層，對(duì)全區(qū)各方法時(shí)間剖面進(jìn)行解釋、對(duì)比[9]。

在本次水上多道地震獲得的地震時(shí)間剖面上分析識(shí)別出5個(gè)地震波強(qiáng)反射波組，從上到下為T1、T2、T3、T4、T5，其中，T1為河床底反射面，T2推斷為淤泥質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉砂底、T3粉砂、細(xì)砂底、T4圓礫、卵石底、T5強(qiáng)風(fēng)化基巖底。解釋過程對(duì)全部交點(diǎn)進(jìn)行閉合，閉合差控制在t0時(shí)間的5%以內(nèi)。

T1反射波組以水平層狀連續(xù)反射為主，推測(cè)T1面以上為水;

T2反射波組能量強(qiáng)，連續(xù)性較好。根據(jù)其地震相，推斷為淤泥質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉砂底界。

T3反射波組能量強(qiáng)，連續(xù)性較好。部分區(qū)域反射波組存在尖滅，根據(jù)其地震相，推斷為測(cè)粉砂、細(xì)砂底界。

T4反射波組能量強(qiáng)，連續(xù)性較好。反射波組形態(tài)與T3反射波組形態(tài)差異較大，根據(jù)其地震相，推斷為圓礫、卵石底界。

T5反射波組能量強(qiáng)，連續(xù)性較好。形態(tài)與T4反射波組相似，位于T4反射波組之下，根據(jù)其地震相，推斷為強(qiáng)風(fēng)化基巖底界。

根據(jù)上述分層方法，對(duì)地震時(shí)間剖面的解釋，經(jīng)地質(zhì)資料進(jìn)行修正和對(duì)比，地震反射資料與鉆孔揭露的地層吻合度較好，具體推斷如圖4。

4.1.1 ?地層特征

（1）測(cè)區(qū)巖面標(biāo)高由小里程向大里程方向遞增，在線路中部略有起伏。

（2）測(cè)區(qū)以水面標(biāo)高0.42m為基準(zhǔn)，最大水深為10.3m，最小水深為1.1m，平均水深6.0m;淤泥質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉砂最大底面為24.5m，最小底面為15.4m，平均底面為15.4m;粉砂、細(xì)砂最大底面為31.8m，最小底面為19.7m，平均底面為25.9m;圓礫、卵石最大底面為44.0m，最小底面為29.5m，平均底面為36.4m;強(qiáng)風(fēng)化巖最大底面為46.9m，最小底面為33.2m，平均底面為39.2m。

4.1.2 構(gòu)造特征

推測(cè)在NK12+785-NK12+795存在一斷層，其走向?yàn)楸睎|向，傾向小里程方向，傾角約為62°～63°。

4.2 水上多道地震反射資料處理工作的難點(diǎn)及解譯誤差來源

本次地震勘探資料多次波強(qiáng)烈，分析其可能的原因?yàn)橛倌鄬颖∪趸蛘呋鶐r埋深淺，電磁脈沖震源所激發(fā)的地震波在穿過水時(shí)遇很強(qiáng)的反射界面，并形成多次反射，并產(chǎn)生多次波。從地震時(shí)間剖面上看，水底形成的多次波能量多已強(qiáng)過基巖反射波，并且連續(xù)性好。

經(jīng)過仔細(xì)分析地震波組，發(fā)現(xiàn)基巖反射面波組多呈弧形，并與海底多次反射波多次交錯(cuò)甚至重疊，以致基巖反射波組不連續(xù)，難以分辨，因此去除多次波并保留基巖反射波成為本次工作的難點(diǎn)。

本次物探工作去除多次波的方法主要是預(yù)測(cè)反褶積、F-K濾波和τ-P濾波。

根據(jù)地震波波動(dòng)及射線理論，結(jié)合該區(qū)地層起伏大和基巖面埋藏淺的實(shí)際情況，對(duì)地震勘探誤差來源分析如下：

a、縱向分辨率，受地層埋藏深度影響，在覆蓋層厚度小于1/4波長(zhǎng)時(shí)，水底反射波組與基巖反射波組未能分離;

b、水底起伏過大所形成的繞射波、回轉(zhuǎn)波，其形態(tài)與地質(zhì)構(gòu)造所產(chǎn)生的地震波形態(tài)相似，容易造成誤判或者錯(cuò)判，只能盡多地結(jié)合區(qū)域地質(zhì)以及長(zhǎng)期工作經(jīng)驗(yàn)來加以避免;

c、在去除多次反射的過程中，也難免將有用的地震信息去掉，長(zhǎng)期的工作經(jīng)驗(yàn)將相當(dāng)重要。

5 結(jié)語

本次水上多道地震勘探工作對(duì)隧道區(qū)域基巖面的起伏及斷層的具體位置的探測(cè)有很好的效果，為后期水上鉆孔的布置提供了依據(jù)，勘探成果與鉆探揭露情況較為吻合，再次證明該方法的有效性。同時(shí)其勘探結(jié)果可以彌補(bǔ)鉆探方法中一孔之見的不足，不僅對(duì)工程勘察精度有所提高，還提高了工程勘察效率，在水域的工程勘察中的應(yīng)用前景廣闊。

由于順德水道隧道洞身主要位于卵石和圓礫層中，上部地層主要為淤泥質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉砂、粉砂、細(xì)砂等不穩(wěn)定地層，設(shè)計(jì)時(shí)要選擇合適的工法進(jìn)行施工。施工時(shí)要進(jìn)行必要的監(jiān)控，確保施工的安全。

參考文獻(xiàn)/References

[1]楊俊杰，田成富.地震映像法在沌口長(zhǎng)江公路大橋勘察中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2013，10（03）：301-305.

[2]巫泳飛，余永初，王光權(quán).水上工程地震勘探的應(yīng)用[J].工程勘察，1993（02）：64-66.

[3]廖全濤，王建軍.淺層地震反射法在武漢長(zhǎng)江隧道水上勘察中的應(yīng)用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2006（03）：121-123+128.

[4]王俊，雷宛，李星，趙倩倩，龔梅，陳思宇.綜合物探方法在工程基礎(chǔ)勘探中的應(yīng)用[J].物探化探計(jì)算技術(shù)，2013，35（02）：215-220+121.

[5]王雙六，劉長(zhǎng)平.擬建長(zhǎng)江大橋橋址區(qū)水上物探方案研究[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2016，13（04）：546-552.

[6]蔡盛.綜合物探技術(shù)在水下隧道勘察中的應(yīng)用[J].工程勘察，2018，46（09）：74-78.

[7]張玉芬.反射波地震勘探原理和資料解釋[M].北京：地質(zhì)出版社，2007.

[8]CJJ/T 7—2017.城市工程地球物理探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2017.

[9]沈磊.淺層地震反射波法在水底隧道勘察中的應(yīng)用[J].西部資源，2018（04）：167-168.