陳洪勝

（上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>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(dú)特的優(yōu)勢(shì)，目前在各大工程中都得到廣泛的應(yīng)用。

工程物探最明顯的優(yōu)點(diǎn)是工作場(chǎng)地條件要求低、周期短、耗資小、效果直觀。鉆探資料是反映點(diǎn)上的地質(zhì)情況，而物探成果資料是反映線上的地質(zhì)情況，有連續(xù)性和直觀性，對(duì)于地層變化的情況，能夠宏觀控制。

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，過江、河、海的橋梁、隧道項(xiàng)目非常多。常規(guī)的工程鉆探手段能解決大量的地質(zhì)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(jīng)濟(jì)都是挑戰(zhàn)。一些大型海域項(xiàng)目的工程預(yù)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(diǎn)是中（微）風(fēng)化基巖起伏情況；初步查明測(cè)區(qū)斷裂構(gòu)造分布情況及其活動(dòng)性，為設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料。少量鉆探難以達(dá)到上述勘察目的，而工程物探恰恰能發(fā)揮其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

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(yù)可）要求勘察初步查明線位處海底地層分布情況，重點(diǎn)是中（微）風(fēng)化基巖起伏情況；初步查明測(cè)區(qū)斷裂構(gòu)造分布情況及其活動(dòng)性，為設(shè)計(jì)提供可靠地質(zhì)資料基礎(chǔ)。

2 區(qū)域地質(zhì)與地球物理?xiàng)l件

2.1 區(qū)域地質(zhì)條件

地質(zhì)構(gòu)造上位于五桂山隆起之南側(cè)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，自侏羅紀(jì)以來，經(jīng)多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，中生代巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，酸性巖漿侵入遍布全區(qū)，新生代伴以小規(guī)模的基性巖漿侵入。擬建海底隧道附近的主要區(qū)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(chǎng)地鉆孔揭露情況，線位范圍地層劃分主要可分為6個(gè)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(zhì)粘土②2、粘土②3、粉砂②4和礫砂②5構(gòu)成，呈互層狀產(chǎn)出。

（2）第四系殘積（Qel）砂質(zhì)粘性土③：褐黃、褐紅、灰白等色，系由花崗巖原地風(fēng)化而成，原巖結(jié)構(gòu)較清晰，呈飽和、硬塑狀態(tài)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(zhì)泥質(zhì)膠結(jié)，砂狀結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，本次鉆探揭露的砂巖，按其風(fēng)化程度的不同，可分為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化及弱風(fēng)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(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。本次鉆探揭露的花崗巖，按其風(fēng)化程度的不同，可分為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化及微風(fēng)化花崗巖。

2.2 地球物理?xiàng)l件

據(jù)本次勘探區(qū)域已有地質(zhì)資料，擬建區(qū)域基本具備開展地震勘探的條件：（1）第四紀(jì)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(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)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(duì)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(cè)深度一般為軟土層底界，單道地震法的探測(cè)深度深于淺地層剖面法，但其穿透深度有限，達(dá)不到該項(xiàng)目要求；而多道地震反射法的探測(cè)深度可達(dá)幾百米。

根據(jù)本項(xiàng)目附近海域的地質(zhì)情況，淺地層剖面法、單道地震法不適宜，多道地震法可以達(dá)到預(yù)計(jì)的探測(cè)深度。故本項(xiàng)目選擇多道地震反射法進(jìn)行探測(cè)。

3.1.2 測(cè)線的布置

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，地球物理勘探測(cè)線主要沿3條備選線方案線位的軸線布置，測(cè)線編號(hào)為A1、A2、A3；另沿3條線位垂直方向布置2條橫測(cè)線，測(cè)線編號(hào)為H1、H2。

3.2 儀器設(shè)備

本項(xiàng)目投入的主要儀器設(shè)備見表2。

3.3 地球物理勘察野外工作方法技術(shù)

多道地震反射法經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)試驗(yàn)，最終選定參數(shù)及工作方法技術(shù)如下：

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

采用拖拉式連續(xù)勻速航行和定時(shí)激發(fā)方式施工，震源系統(tǒng)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(fēng)浪較小期間工作，水深較淺段選擇在潮位較高時(shí)工作。

表2 投入本項(xiàng)目的技術(shù)設(shè)備一覽表

多道地震反射法采集時(shí)，測(cè)線采用GPS導(dǎo)航定位?？碧酱谎夭荚O(shè)測(cè)線盡量呈勻速航行。為保證完全覆蓋設(shè)計(jì)測(cè)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(jiān)測(cè)模式、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)漂浮電纜。保證電纜成直線或近似直線。在發(fā)現(xiàn)干擾較大、航跡偏離設(shè)計(jì)測(cè)線太遠(yuǎn)、船姿不正、漂浮電纜羽角過大時(shí)，停止采集數(shù)據(jù)，并認(rèn)定數(shù)據(jù)不合格。在海況良好時(shí)進(jìn)行補(bǔ)測(cè)或重測(cè)。

本次觀潮工作設(shè)立了一個(gè)觀潮站，地球物理勘探工作期間，每隔10min觀測(cè)一次水位，觀測(cè)時(shí)間完全覆蓋勘察采集區(qū)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(yù)處理→超級(jí)CDP道集選排→疊前濾波→道間平衡→速度分析→動(dòng)校正→FK濾波→寬線疊加→疊后濾波→修飾處理→樁號(hào)投影→潮位改正→成果時(shí)間剖面輸出。

主要節(jié)點(diǎn)的功能及參數(shù)如下：

預(yù)處理包括根據(jù)導(dǎo)航資料設(shè)置各炮炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)的坐標(biāo)、反相道反相、不正常道切除；

超級(jí)CDP道集選排按多次覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)抽取共炮點(diǎn)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(jié)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(diào)整為同一水平；

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

動(dòng)校正應(yīng)用速度分析確定的二維速度模型對(duì)超級(jí)CDP道集進(jìn)行動(dòng)校正，動(dòng)校速度范圍1350～2200m/s。

FK濾波在動(dòng)校后進(jìn)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(gè)線元的道疊加成同一個(gè)CDP，以消除航速不穩(wěn)的影響。

疊后濾波主要濾除動(dòng)校時(shí)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(hào)投影為根據(jù)實(shí)測(cè)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)投影到設(shè)計(jì)線路的里程或設(shè)計(jì)測(cè)線的樁號(hào)。

潮位改正將各道的高程變換到1956黃海高程基準(zhǔn)的0.0m高程，消除潮位變化對(duì)數(shù)據(jù)的影響，并進(jìn)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(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)工作區(qū)內(nèi)追蹤的目的反射層作為全區(qū)解釋中進(jìn)行對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)層。

在本次地球物理勘探獲得的多道地震反射法時(shí)間剖面上分析識(shí)別出3個(gè)地震波強(qiáng)反射波組作為標(biāo)準(zhǔn)層。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)層，結(jié)合鉆孔資料，對(duì)各測(cè)線的地層進(jìn)行劃分。對(duì)于相交測(cè)線，對(duì)交點(diǎn)進(jìn)行閉合，閉合差控制在2ms以內(nèi)。

4.2.2 斷層判斷依據(jù)

本次開展的多道地震反射法為地震反射波法勘探。對(duì)于反射法資料，根據(jù)相關(guān)規(guī)范和同類工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本區(qū)地質(zhì)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(xiàn)錯(cuò)斷現(xiàn)象；（2）地震反射波同相軸產(chǎn)狀突變；

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

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

（6）全強(qiáng)風(fēng)化層明顯變厚。

斷層可分為錯(cuò)斷基巖的斷層和錯(cuò)斷土層的斷層。

對(duì)于錯(cuò)斷基巖的斷層，由于本區(qū)花崗巖為無層理巖漿巖，斷層一般以巖面凹槽的形式呈現(xiàn)。此外，本區(qū)斷層的傾角較陡，不能采集到斷面波。故本區(qū)只能采用反射凌亂、出現(xiàn)空白區(qū)、巖面陡坎、巖面凹槽等特征進(jìn)行基巖斷層的識(shí)別。

對(duì)于錯(cuò)斷土層的斷層，可以采用反射波同相軸、波組出現(xiàn)錯(cuò)斷等特征進(jìn)行有效判斷，但斷距不大時(shí)可能漏判。

5 資料的綜合分析與地質(zhì)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(shí)間剖面上，分析識(shí)別出3個(gè)地球物理界面：2個(gè)地震波強(qiáng)反射界面、1個(gè)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(qiáng)反射界面。各界面與時(shí)間層位的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)例見圖1。

圖1 多道地震反射法分層界面

根據(jù)3個(gè)地球物理界面和鉆孔資料，結(jié)合區(qū)域第四 系沉積環(huán)境和地層特征，將工作區(qū)地層劃分為4個(gè)地球物理層，如表3所示：

表3 時(shí)深轉(zhuǎn)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^(qū)可見。為第四系海陸交互相沉積層（Qmc），以淤泥、淤泥質(zhì)土為主；

（3）砂、粘土混合層及全、強(qiáng)風(fēng)化層：T2界面與T3界面之間?；救珔^(qū)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(fēng)化巖，以砂、粉質(zhì)粘土為主。

（4）中、微風(fēng)化層：T3界面以下。全區(qū)可見。

根據(jù)上述分層方法，對(duì)物探解釋的各界面的雙程時(shí)間進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換，求取各界面的深度，結(jié)合壓線鉆孔，繪制地質(zhì)解釋剖面。

5.2 基巖巖性

據(jù)已有地質(zhì)資料，本次工作區(qū)范圍內(nèi)東西兩側(cè)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(shí)間剖面，未發(fā)現(xiàn)來自基巖巖性分界面的反射界面。但是，多道地震時(shí)間反射法表明，以花崗巖為主的區(qū)段，中微風(fēng)化巖頂界面呈現(xiàn)犬牙狀，伴隨較多的繞射波、回轉(zhuǎn)波等。以砂巖為主的區(qū)段，中微風(fēng)化巖頂界面相對(duì)光滑，無繞射波。

5.3 基巖起伏特征

根據(jù)地球物理勘探成果，測(cè)線覆蓋范圍中微風(fēng)化基巖頂面起伏變化較大；總的趨勢(shì)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(duì)較小，如圖2所示。

5.4 斷裂構(gòu)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(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造異常22處。根據(jù)地調(diào)資料及空間位置關(guān)系、異常特征等綜合推斷斷層6條，如圖1所示。

6 結(jié)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(zhì)條件，滿足了設(shè)計(jì)在選線階段（預(yù)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(jù)物性差異進(jìn)行推斷。雖具有周期短、耗資小、效果直觀的優(yōu)點(diǎn)，但也有“精度不高”的缺點(diǎn)，甚至有誤判的可能。因此，巖土工程勘察應(yīng)該是工程鉆探、工程物探等綜合勘探，各取所長。根據(jù)工程具體情況、設(shè)計(jì)階段的要求，選取可行的勘探手段。

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