王冬

（山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東濟(jì)寧 272100）

0 引言

地球物理勘探是海底隧道工程勘探的一個(gè)重要手段，具有快速、準(zhǔn)確、無(wú)損等特點(diǎn)［1-3］,由于其是針對(duì)地質(zhì)體物理場(chǎng)的探測(cè)，在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地質(zhì)鉆探對(duì)勘探區(qū)地質(zhì)宏觀揭露的不足［4-6］。一些大型海域項(xiàng)目的工程預(yù)可行性、可行性研究階段，都需要初步了解海底地層分布情況，在現(xiàn)代大型重點(diǎn)工程的設(shè)計(jì)和施工中，工程物探技術(shù)開(kāi)始廣泛應(yīng)用。本文以大連灣海底隧道為背景，采用物探技術(shù)對(duì)海底隧道海域進(jìn)行了多道地震探測(cè)、勘察，并對(duì)物探資料進(jìn)行了分析，以便順利完成隧道施工工程。

1 工程概況

遼寧大連灣海底隧道項(xiàng)目被稱為大連市的“超級(jí)工程”，該工程明挖暗埋隧道長(zhǎng)為1 389.93 m。設(shè)計(jì)速度為60 km/h，雙向六車道規(guī)模，沉管法施工。沉管橫斷面尺寸為33.5 m×10.1 m，頂部覆蓋厚度為2 m 的塊石保護(hù)層。海域沉管基槽底寬約為37.5 m，深度在海床面以下為7~20 m，兩側(cè)邊坡范圍根據(jù)巖土性質(zhì)確定。為保證工程設(shè)計(jì)推薦縱斷面方案的可行性，為海底隧道設(shè)計(jì)埋深提供參數(shù)和依據(jù)，需要在海域開(kāi)展物探工作。

大連灣大地構(gòu)造單元屬中朝準(zhǔn)地臺(tái)內(nèi)膠遼臺(tái)隆的大連-復(fù)州臺(tái)凹區(qū)。前期的工作表明，隧道工程海域段海底之下有零至十幾米厚以黏土為主的第四紀(jì)松散沉積物，沉積物下的基巖巖性為中生代輝綠巖及震旦紀(jì)板巖、灰?guī)r及白云巖。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為區(qū)域斷塊差異抬升，據(jù)有關(guān)資料，南關(guān)嶺平面上升速率為0.054 mm/a，長(zhǎng)嶺子上升速率為0.050 mm/a，老鐵山上升速率為0.052 mm/a等，表明該灣周圍屬于緩慢上升區(qū)。該灣之北金州七里村灰?guī)r的斷裂溶洞中發(fā)現(xiàn)有后期充填的含礫棕紅色黏土，斷裂面或擠壓面擦痕發(fā)育，并見(jiàn)有微斷裂穿切，從而表明金州盆地第四紀(jì)仍有一定的新構(gòu)造活動(dòng)。該灣處于大連至金州北西向地震活動(dòng)帶內(nèi)，長(zhǎng)為40 km，寬為15 km，近年一些弱小地震亦在該帶內(nèi)發(fā)生，該帶地震活動(dòng)水平無(wú)論是地震強(qiáng)度或是地震頻率皆是相對(duì)較低的，屬于弱地震活動(dòng)帶。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造，尤其是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)宏觀顯示，該區(qū)將來(lái)仍具備發(fā)生中強(qiáng)地震潛在震源區(qū)的條件。

2 海上調(diào)查

2.1 導(dǎo)航定位

海上定位與導(dǎo)航是物探信息位置正確的重要保證。此次導(dǎo)航定位采用美國(guó)Trimble公司的SPS351衛(wèi)星/信標(biāo)差分全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）（圖1），信標(biāo)頻率為283.5～325.0 kHz，其靜態(tài)差分平面定位精度優(yōu)于1 m，差分速度精度為5.6 cm/s。

圖1 Trimble SPS351 DGPSFigure 1.Trimble SPS351 DGPS

2.2 海上多道地震探測(cè)方法

RIOE 數(shù)字多道地震儀（圖2）是國(guó)家“十一五”國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863 計(jì)劃）科研成果，采用雙CPU 主機(jī)系統(tǒng)，硬件平臺(tái)采用CPCI 總線。軟件平臺(tái)采用Windows、環(huán)形緩存、256 道容量，采樣間隔為0.1~2.0 ms，記錄長(zhǎng)度為0～8 m，動(dòng)態(tài)范圍為110 dB。文件記錄格式：SEG_Y、SEG_D、SEG_2。

圖2 RIOEme數(shù)字多道地震儀Figure 2.RIOEme digital multichannel seismograph

數(shù)字多道地震儀拖纜道間距為3.125 m，每段電纜長(zhǎng)度為25 m，每道3個(gè)壓電陶瓷檢波器，每8道配有一個(gè)數(shù)字包，動(dòng)態(tài)范圍大于110 dB，工作頻率為10～3 000 Hz，甲板段采用光纖傳輸。海上多道地震探測(cè)為走航式測(cè)量，測(cè)量過(guò)程中接收電纜拖曳于船只后方一側(cè)，電火花震源發(fā)射陣拖曳于船只后方的另一側(cè)。如圖2 所示，由多道電纜接收，再由采集系統(tǒng)進(jìn)行采樣、記錄。工作過(guò)程中，控制系統(tǒng)利用GPS 定位數(shù)據(jù)進(jìn)行定距觸發(fā)震源，同時(shí)將炮點(diǎn)定位信息寫(xiě)入記錄文件中。多道地震勘探中的施工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 多道地震施工參數(shù)Table 1.Multi-channel seismic operation parameters

2.3 海上淺地層探測(cè)

淺地層探測(cè)的原理與多道地震探測(cè)類似，不同的是在一個(gè)接收點(diǎn)上只有一次地震信號(hào)覆蓋。淺地層探測(cè)震源采用荷蘭GEO-RESOURCE 公司生產(chǎn)的GEO-SPARK1000J 電火花震源，采集控制器為DEL‐PHWIN 系統(tǒng)，接收電纜采用GEO-RESOURCE 公司生產(chǎn)的GEOSENSE 系列8 個(gè)壓電陶瓷單元小型拖纜（圖3）。

圖3 淺地層探測(cè)系統(tǒng)Figure 3.Shallow detection system

海上淺地層探測(cè)為走航式測(cè)量，測(cè)量過(guò)程中接收電纜拖曳于船只后方一側(cè)，電火花震源發(fā)射陣拖曳于船只后方的另一側(cè)。測(cè)量船以4～5 節(jié)的速度沿測(cè)線航行，工作過(guò)程中，控制系統(tǒng)將GPS 定位信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)文件中。淺地層剖面探測(cè)施工參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 淺地層剖面探測(cè)施工參數(shù)Table 2.Operation parameters of shallow profile detection

2.4 海上磁法勘探

海上磁法勘探是基于海底巖石、礦物或分布于海底的人工設(shè)施（如管線、光纜等）磁性差異引起的磁異常，通過(guò)分析異常可以了解海底構(gòu)造及人工設(shè)施的分布等。海上磁法勘探使用MarineMagnetic 公司生產(chǎn)的SeaSPY 高精度海洋磁力儀和Sealink 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)的絕對(duì)精度為0.2 nT，靈敏度為0.01 nT，最高采樣頻率為4 Hz，無(wú)航向誤差，無(wú)測(cè)量死角，無(wú)溫度漂移。海上磁法勘探采用走航式測(cè)量，測(cè)量中，SeaSPY磁力儀的探頭拖放在離船尾70 m處，約為船長(zhǎng)（23 m）的3 倍，船速為4～7 節(jié)。信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送的定位信號(hào)，采樣頻率為1 Hz。測(cè)量過(guò)程中值班人員記錄紙質(zhì)班報(bào)。

3 物探資料綜合分析

3.1 多道地震原始炮集記錄特征

對(duì)原始炮集初步分析，認(rèn)為具有以下特點(diǎn)：①總體上原始資料的信噪比較高；②測(cè)線兩端受航行限制以及堤壩的存在，噪聲相對(duì)比較大；③部分海底受人工改造的影響，海底崎嶇不平，對(duì)地震反射波有較大影響；④總體上基巖埋深較淺，除個(gè)別區(qū)域外，多次波影響不明顯。處理的難點(diǎn)表現(xiàn)在：目標(biāo)深度較淺，對(duì)偏移處理有一定影響。

3.2 磁法資料處理的關(guān)鍵點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

磁法資料處理的關(guān)鍵點(diǎn)主要在于：①日變的改正；②數(shù)據(jù)的平差。對(duì)于①，我們?cè)诳碧竭^(guò)程中在調(diào)查區(qū)附近設(shè)置了海底日變站；對(duì)于②，我們采用了最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)的平差。日變處理時(shí)將每1 min記錄間隔插值改為每10 s 記錄間隔，使其進(jìn)行日變改正時(shí)更趨合理。日變基準(zhǔn)值取航次執(zhí)行期間所有磁平靜日23時(shí)的平均值，從觀測(cè)的地磁日變值中減去基值即得到該時(shí)刻的日變改正值。經(jīng)過(guò)交點(diǎn)調(diào)差后，有效交點(diǎn)133個(gè)，交點(diǎn)均方誤差為1.874 3 nT。

4 物探資料綜合解譯

利用調(diào)查獲得的多道地震資料、淺地層剖面、磁法資料，結(jié)合測(cè)區(qū)的水深和鉆孔資料，并參考調(diào)查海域相關(guān)的區(qū)域地質(zhì)、鉆孔等，對(duì)探測(cè)區(qū)內(nèi)沉積物分層及厚度特征、基巖面起伏特征、基巖強(qiáng)風(fēng)化層、不良地質(zhì)構(gòu)造和海底障礙物等進(jìn)行分析。

4.1 第四紀(jì)沉積物厚度及分層特征

調(diào)查區(qū)沉積層厚度變化較大，為0~21 m。E7（K2+040）到E12（K2+940）的軸線通道區(qū)內(nèi)，沉積層厚度較大（大于15 m）；在防浪堤的北部，為沉積層厚度最大處；在軸線通道區(qū)的兩端沉積物厚度整體變化趨勢(shì)是靠近陸地，厚度變小；在軸線北端，基巖裸露出海底，應(yīng)該是人工開(kāi)挖的結(jié)果；海底整體起伏不大，較為平滑。

4.2 沉積物分層特征

（1）T0、T1 反射界面。T0 反射界面：起伏變化不大，大部分較平滑，防浪堤以北較以南區(qū)域起伏小，起伏明顯處可能與人工作業(yè)有關(guān)；局部基巖出露，分析應(yīng)為人工開(kāi)挖結(jié)果。T1 反射界面：較強(qiáng)反射界面，絕大部分地區(qū)有分布，較連續(xù)，起伏變化不大，埋深為0~9 m。

（2）層Ⅰ、層Ⅱ。層Ⅰ為反射界面T0和T1之間的地層。測(cè)區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)有分布，局部缺失（在測(cè)區(qū)的東北部，應(yīng)該是人工開(kāi)挖的原因），厚度為0~9 m。根據(jù)反射特征并結(jié)合測(cè)區(qū)內(nèi)鉆孔資料推測(cè)分析，層Ⅱ?yàn)橛倌噘|(zhì)粉質(zhì)黏土，流塑狀態(tài)，含生物貝殼。在該層靠近防浪堤的位置，頂層可見(jiàn)強(qiáng)反射層序，能量強(qiáng)，規(guī)則反射，根據(jù)鉆孔資料確定非人工拋棄物，結(jié)合多波束海底地形，確定該反射應(yīng)該是該位置海底面較為粗糙的緣故。介于T1 和基巖面之間的層Ⅱ，反射特征近似層Ⅰ，反射能量較弱，亞平行反射結(jié)構(gòu)，測(cè)區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)有分布，局部缺失（缺失存在兩個(gè)原因：一是原本區(qū)域缺失；二是人工開(kāi)挖），厚度為0~8 m。

4.3 基巖面埋深變化

利用地震資料拾取了基巖頂面的反射時(shí)間，取沉積物平均縱波波速Vp為1 600 m/s，并利用實(shí)測(cè)水深資料進(jìn)行校正，獲得軸線通道區(qū)內(nèi)基巖頂面標(biāo)高。在軸線的東北區(qū)域，基巖出露，起伏變化并出現(xiàn)雜亂反射，推測(cè)是人工挖掘的結(jié)果。

4.4 不良地質(zhì)現(xiàn)象

4.4.1 斷層

金州斷裂（F5 斷裂）延伸至海陸交界。開(kāi)展多道地震和淺地層剖面勘察，主要目的之一是查明區(qū)域斷裂構(gòu)造，以期為隧道工程設(shè)計(jì)提供翔實(shí)可靠的地質(zhì)資料。前人在該海域做過(guò)相關(guān)的構(gòu)造研究極少，根據(jù)《活動(dòng)斷層勘測(cè)方法》（DB/T 15—2009）中斷點(diǎn)的識(shí)別方法，在所得的所有剖面中基巖面（Tg）以上地層中均未發(fā)現(xiàn)明顯斷點(diǎn)。

4.4.2 風(fēng)化層

強(qiáng)風(fēng)化層是基巖巖體受風(fēng)化作用影響較強(qiáng)的部分，巖體破碎且完整性差，與中風(fēng)化—未風(fēng)化巖石相比具有較低的縱波波速（Vp=1 000～2 500 m/s），因此其底界也是一個(gè)波阻抗界面，但由于基巖頂面已反射了大部分地震波的能量，因此強(qiáng)風(fēng)化層的底界并不像基巖頂面那樣清晰?？傮w上強(qiáng)風(fēng)化層表現(xiàn)為雜亂反射，橫向上厚度變化較大，其下部通常為不規(guī)則強(qiáng)反射。中風(fēng)化層較強(qiáng)風(fēng)化層受風(fēng)化作用稍弱，縱波波速稍高。然而，當(dāng)現(xiàn)代海底受人為擾動(dòng)時(shí)（如人工挖掘），崎嶇的海底對(duì)地震反射波有較強(qiáng)的散射作用，造成基巖面和風(fēng)化層不易識(shí)別。

4.4.3 巖溶（溶洞）

根據(jù)地震剖面并結(jié)合鉆孔分析得到：該區(qū)域基巖巖溶較為發(fā)育，結(jié)合以前的研究，也證實(shí)了這一點(diǎn)。在施工過(guò)程中可能會(huì)造成一系列的質(zhì)量安全事故，因此在施工開(kāi)展之前和施工過(guò)程中都應(yīng)加以重視，設(shè)計(jì)適合的施工方法及技術(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，海域物探可進(jìn)一步了解海域工程范圍內(nèi)松散沉積物厚度、基巖埋深、不良地質(zhì)構(gòu)造及海底障礙物等工程地質(zhì)條件，為海底隧道設(shè)計(jì)埋深提供參數(shù)和依據(jù)。物探結(jié)果表明：海底整體較為平滑，基巖面能量強(qiáng)、連續(xù)性較好、起伏較大，風(fēng)化程度存在差異，區(qū)域分布較大范圍的石灰?guī)r，巖溶分布較為普遍。綜合應(yīng)用物探方法，在第四系覆蓋層劃分以及基巖面判定方面將更加準(zhǔn)確、科學(xué)。