水上多道地震在佛山市某過江隧道勘察中的應用

李譚偉，朱志龍,鄔遠明

文章編號：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，在場地基礎勘察中發(fā)揮著重要的作用。本文通過對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行水上多道地震勘探，簡述了水上多道地震的勘探方法原理、使用的儀器設備和數據采集方法。本次勘察查出斷層一處 ，并初步查明了各地層分布等相關工程地質條件。鉆探揭露結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。

關鍵詞 水上多道地震;過江隧道;應用效果;水域;工程勘察

中圖分類號：P631.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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、對自然災害的抵抗力強、平時和戰(zhàn)時通暢、對水面航行無妨礙等優(yōu)點。隨著施工技術的不斷發(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海事、航道、防汛等影響較大，涉及許多相關部門，并且施工手續(xù)繁瑣，同時兩岸堤防安全控制區(qū)內嚴禁鉆探施工。為了不影響工程的建設工期并達到設計要求，勘察工作的展開及工作量布設遵循循序漸進的原則：先布置物探工作，了解隧道區(qū)域內的基本工程地質條件，初步查明對工程安全有重大影響的不良地質問題，再進行水上鉆探施工[1]。

在公路工程勘察中，許多跨江工程（如橋梁、隧道）經常采用水上地震勘探方法，作為獲取水下地質信息的重要手段，淺層地震勘探技術的應用可以解決以下兩個方面的問題：（1）劃分水底淤積層，巖石的強弱風化層，以及確定新鮮基巖面的埋藏深度和規(guī)模。（2）調查水域中有無斷層和其他小型地質構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勘察中的應用，通過對物探數據進行分析處理并對物探成果進行地質解釋，取得了較好的勘察效果，并獲得了有實用價值的結論[3-6]。

1 ? 工程及地質概況

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

根據該段區(qū)域地質資料及相鄰項目資料（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）;項目區(qū)地質構造以新華夏構造體系為主，項目近場區(qū)斷裂構造比較發(fā)育，總體下可劃分為北東向、北西向和近東西向三組，根據區(qū)域地質資料，茲將場地附近的主要構造特征描述如下：（1）石碣斷裂（F3）：該斷裂產狀：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，同時控制第四系沉積，南西盤晚更新世沉積厚度達30～40m，呈NW向帶狀展布。

根據佛山地區(qū)區(qū)域地質資料，結合本次勘察成果，場地斷裂、褶皺不發(fā)育，巖層主要為較緩的單斜構造，巖層層面較穩(wěn)定、產狀較平緩，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;使用地震儀器檢測測量線上不同位置的大地振動，通過進行處理并解釋這種攜帶了地層信息的信號，從而可用于推斷和確定地下介質結構、巖性、地層埋深和構造形態(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非常相似（圖2）。在波的傳播過程中，遇到彈性界面時會產生反射，折射和透射。 接收不同的波將構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 地震地質條件

根據前期工作及參考其他相鄰地區(qū)的相關資料，可將各巖土層物性參數歸納于表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（含淤泥、砂、圓礫等）巖性之間存在明顯的波阻抗差異，當界面較穩(wěn)定、連續(xù)時，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動或存在斷層破碎帶，則地震時間剖面圖將出現反射波組能量減弱、繞射波或同相軸的錯動、不連續(xù)等異常特征。

3 野外工作方法技術及質量評述

3.1 儀器設備及其技術指標和工作狀態(tài)

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

3.1.1 多道地震儀

本次勘探采用的是Geode數字化信號增強型淺層地震儀。該儀器是美國Geometrics公司生產的，有相互獨立的24道地震信道，整機由內置工業(yè)級計算機控制。該儀器性能滿足相關規(guī)范的要求。項目組在出工前、現場開工前、外業(yè)結束時的自檢表明，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成，主頻60Hz，道距2m。每道采用多個傳感器通過串聯、并聯組合而成。

3.1.3 水上地震震源

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

3.2 地震反射法野外方法試驗及工作參數選擇

在開始采集生產數據之前進行了現場試驗。試驗內容包括震源能量、濾波通帶、激發(fā)間隔時間、采樣間隔、偏移距、記錄長度、炮間距、航速等。根據測試結果選擇最佳采集參數，見表2。

利用以上參數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是合理的，可取得很好的勘探效果。

3.3 測線測量、導航定位

RTK接收機平面控制使用的是國家2000坐標系，深度基準面采用85國家高程系統(tǒng)，工作前需要進行坐標轉換及校準工作。工作時，首先架設基站并使用移動臺在所提供的四個控制點中的三個控制點位置接收差分信號并采集坐標，然后解算出了兩個坐標系統(tǒng)之間的轉換參數，再利用其他兩個控制點坐標來進行校準，位置誤差2cm，高程誤差2cm，如不能保證精度則重復以上工作，直到達到要求為止。

在物探工作導航期間，移動臺固定在船體右舷的中間位置，接收衛(wèi)星信號，并將移動臺與計算機主機連接，通過計算機導航軟件可用于導航。正常工作后，導航計算機屏幕將顯示船舶所在位置，設計測量線的位置，并根據船舶的航線繪制航跡圖。

導航軟件實時顯示測量船的航跡和姿態(tài)，并提供船體距設計測量線的距離，以便操作員隨時修改航線，以確保測量船沿著設計測量線航行。導航系統(tǒng)自動打包定位數據，導航參數和其他測量信息，并將它們作為原始數據存儲在計算機的硬盤上。

3.4 物探野外工作方法技術

地震反射法采用拖拉式連續(xù)勻速航行和定時激發(fā)方式施工，接收電纜牽掛在船尾部向后延伸[9]，現場工作場景見圖3。在多通道地震采集過程中，物探測線使用GPS導航和定位，探測船沿勘測線以均勻的速度航行。為確保完全覆蓋設計測線，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)測模式，并實時監(jiān)測漂浮電纜，以確保電纜是直的或近似直的。及時記錄野外工作班報表，并記錄實時發(fā)生的異常情況。

3.5 物探外業(yè)工作質量評述

本次工程物探采用了多道地震波反射法，并配套進行水深測量。各種方法的主要儀器設備先進、工作狀態(tài)正常、并都校準期限內。在進場后、退場前均進行了調試和自檢。

本次共采集多道地震原始記錄1212個（不包含廢炮），其中試驗原始記錄100個，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，占95%，滿足相關規(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

在時間剖面上找出具有較強振幅、同相軸連續(xù)性較好、可在整個場區(qū)內追蹤的目的反射層作為標準層，對全區(qū)各方法時間剖面進行解釋、對比[9]。

在本次水上多道地震獲得的地震時間剖面上分析識別出5個地震波強反射波組，從上到下為T1、T2、T3、T4、T5，其中，T1為河床底反射面，T2推斷為淤泥質粉土、淤泥質粉砂底、T3粉砂、細砂底、T4圓礫、卵石底、T5強風化基巖底。解釋過程對全部交點進行閉合，閉合差控制在t0時間的5%以內。

T1反射波組以水平層狀連續(xù)反射為主，推測T1面以上為水;

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

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

T4反射波組能量強，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，根據其地震相，推斷為圓礫、卵石底界。

T5反射波組能量強，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，根據其地震相，推斷為強風化基巖底界。

根據上述分層方法，對地震時間剖面的解釋，經地質資料進行修正和對比，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）測區(qū)巖面標高由小里程向大里程方向遞增，在線路中部略有起伏。

（2）測區(qū)以水面標高0.42m為基準，最大水深為10.3m，最小水深為1.1m，平均水深6.0m;淤泥質粉土、淤泥質粉砂最大底面為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;強風化巖最大底面為46.9m，最小底面為33.2m，平均底面為39.2m。

4.1.2 構造特征

推測在NK12+785-NK12+795存在一斷層，其走向為北東向，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及解譯誤差來源

本次地震勘探資料多次波強烈，分析其可能的原因為淤泥層薄弱或者基巖埋深淺，電磁脈沖震源所激發(fā)的地震波在穿過水時遇很強的反射界面，并形成多次反射，并產生多次波。從地震時間剖面上看，水底形成的多次波能量多已強過基巖反射波，并且連續(xù)性好。

經過仔細分析地震波組，發(fā)現基巖反射面波組多呈弧形，并與海底多次反射波多次交錯甚至重疊，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。

本次物探工作去除多次波的方法主要是預測反褶積、F-K濾波和τ-P濾波。

根據地震波波動及射線理論，結合該區(qū)地層起伏大和基巖面埋藏淺的實際情況，對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波長時，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、回轉波，其形態(tài)與地質構造所產生的地震波形態(tài)相似，容易造成誤判或者錯判，只能盡多地結合區(qū)域地質以及長期工作經驗來加以避免;

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，長期的工作經驗將相當重要。

5 結語

本次水上多道地震勘探工作對隧道區(qū)域基巖面的起伏及斷層的具體位置的探測有很好的效果，為后期水上鉆孔的布置提供了依據，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。同時其勘探結果可以彌補鉆探方法中一孔之見的不足，不僅對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粉土、淤泥質粉砂、粉砂、細砂等不穩(wěn)定地層，設計時要選擇合適的工法進行施工。施工時要進行必要的監(jiān)控，確保施工的安全。

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