我國東(dong) 南沿海地區花崗岩廣泛分布。花崗岩風化不均勻,殘留有大小不等的孤石,基岩突起,對地鐵、公路隧道的盾構施工構成了嚴(yan) 重威脅。珠海橫琴海底隧道的工程勘察發現隧址範圍有隱伏孤石,但具體(ti) 分布位置不明確。為(wei) 了在盾構施工前清除孤石,需要補充 精細勘查,查清孤石的具體(ti) 位置。孤石的探測是勘查領域中的難點。深圳與(yu) 廣州地鐵孤石勘探技術的專(zhuan) 題研究認為(wei) 依靠鑽探的方法 是難以解決(jue) 隱伏孤石勘查問題的,僅(jin) 憑“一孔之見”無法發現孔間的孤石,建議使用物探方法。通過對物探方法的比較研究證明,瞬變電磁、地質雷達、地震映像 等物探方法對孤石探測沒有效果;電磁波跨孔CT、鑽孔回聲法有一定效果,但是準確率不高;超高密度電法跨孔CT和地震波跨孔CT2種方法準確率最高。 在深圳與(yu) 廣州地鐵使用高密度電法跨孔CT,福州地鐵使用地震波跨孔CT,對孤石探測都取得了明顯的效果,但以上研究均適用於(yu) 陸地。
珠海橫琴隧道位於(yu) 馬騮洲水道,特點是從(cong) 水麵上探測海底地層中分布的孤石,工程在無法鑽孔的情況下首次采用具有高分辨特性的地震散射勘探新技術。地震散射理論最早是由K.Aki (1980年)提出來的。他在研究天然地震波在非均勻的地殼與(yu) 上地 幔介質中傳(chuan) 播時發現,天然地震波遇到密度和彈性模量非均勻時會(hui) 產(chan) 生散射波。N.布萊斯坦等用速度異常表征地質體(ti) 的非均勻性,給出了散射波方程的簡潔表達形成。 20世紀80—90 年代,利用天然地震波的前向散射特性研究地球深部構造取得了豐(feng) 碩成果。然而,在工程地震勘查中使用人工震源和地表接收研究非均勻地質體(ti) 時應該利用背向散射地震波,而背向散射特性的研究在很長時間內(nei) 一直是一個(ge) 空白。直到2006年,趙永貴等率先將背向散射理論應用於(yu) 隧道超前地質預報中,2013年又將背向散射理論應用到複雜地質結構的精細勘查中。在北京地鐵 14 號線甜水園中街區段注漿效果評價(jia) 、貴州采空區勘察、京沈客運專(zhuan) 線柴河大橋岩溶勘查、天津道路塌陷探測、貴州岩溶隧道邊坡塌方勘探、山西興(xing) 縣煤礦采空區探測、隧道病害勘測等工程的應用,證明了地震散射技術的實用性和可靠性。勘探成果經過了鑽孔的驗證,可靠率超過80%,為(wei) 海底孤石探測提供了新的技術方案。本文將介紹地震散射技術孤石探測的采集方式、數據處理核心技術以及勘探結果,以便類似工程借鑒與(yu) 應用。
地震數據處理技術
地震散射探采是采用小排列、密集采集的工作方式。采集過程中最大偏移距應小於(yu) 目標深度的1/2。這樣采集的數據才能反映炮點附近的地質界麵和速度結構特征。地震散射數據處理有2個(ge) 中心環節。首先,從(cong) 單炮記錄生成垂直速度結構,再聯合各炮點的速度結構組建二維、三維速度結構;然後,依據速度結構和炮點記錄,重建地質界麵形態。從(cong) 單炮記錄生成垂直速度結構包括3個(ge) 步驟,分別為(wei) 濾除水底多次波、速度掃描和偏移成像。
1.濾除水底多次波
多次波是水域勘探中最主要的幹擾波,特別是在淺水勘探情況下,嚴(yan) 重影響對地層界麵的識別。 多次 波的特點是能量強,具有反射波走時形態,用F-K方 向濾波技術很難濾除。 本次勘探采用雙曲濾波技術。 水底多次波具有出現的時間晚、平均速度低的特點,雙 曲濾波可以在時間-速度域將其濾除。 雙曲濾波前、 後的記錄比較如圖1所示,從(cong) 中可以看出多次波已基 本上濾除。
2.速度掃描
速度掃描是構建垂直速度結構最關(guan) 鍵的技術環節,是通過Radon變換實現的。 根據散射波的走時規律,將空間-時間域的地震數據變換到時間-波速域中。 波速掃描圖像中的每個(ge) 能量極值點都代表一個(ge) 散射界麵。極值點的縱坐標為(wei) 界麵的雙程時,橫坐標為(wei) 界麵上覆地層的平均波速見圖1(c)。由此很容易計 算出極值點對應的界麵深度和層速度曲線(見圖1 (d)),這就實現了由炮點記錄到垂直波速曲線的轉 變,曲線中顯示了各界麵的深度與(yu) 地層的波速分布。將多個(ge) 炮點的速度結構按空間位置進行組合,可形成 二維或三維的速度分布。
3.偏移成像
在獲得了波速分布的基礎上,使用濾波後的地震記錄,通過偏移成像獲得地質界麵的形態分布。因為(wei) 地震散射勘探使用小排列密集采集方式,偏移成像的計算實際上是小角度範圍內(nei) 地震記錄的延時 疊加,因而具有較高的橫向分辨率。
橫琴隧道海底孤石的勘探
1.隧道工程地質概況
橫琴隧道為(wei) 橫琴島的第3條交通通道,穿越馬騮 洲水道,水深6~8m。隧道長約600m,直徑約15m,最大埋深34m,采用雙線盾構法施工。 前期工程地質 勘探查明,隧址內(nei) 淺部為(wei) 海相沉積,下部基岩為(wei) 花崗 岩,埋深為(wei) 38~40m。孤石隱伏於(yu) 全風化與(yu) 強風化層中,影響盾構法施工,需要查清直徑2m以上的孤石與(yu) 基岩突起的分布。
2. 水上地震數據采集
海底孤石勘探要求分辨出2m以上的孤石,需要在水上進行密集的數據采集。由於(yu) 水流、風速的影響,船速不能太低,想通過1次走航來完成炮間距1~2m的高密集采集是不可能的。基於(yu) 地震散射數據采集具有靈活性的特點,可以在GPS的引導下通過多次的走航進行反複采集,來實現炮點間距1~2m高密度采集的目的。本次勘探區沿隧道軸向長300m,橫向寬60m。軸向上炮點間距1m,橫向上間距2m,實現了炮點按 1m×2m網格布置的目標。使用24道水聽器鏈,檢波器間距0.5m,采集時偏移距1m,30kJ電火花震源, 激發1次/min,共采集10000餘(yu) 炮記錄。有效勘探深 度超過80m,為(wei) 三維速度結構的獲取奠定了可靠基礎。測區位置及采集方式分別如圖2和圖3所示。
圖1 速度剖麵處理流程與(yu) 結果
圖2 水上孤石勘探區位置
3.海底孤石的勘探結果
經過數據處理,生成勘探區三維波速分布與(yu) 地質界麵分布的數據結構。數據在隧道軸線方向點距1m,橫向方向點距2m,垂直方向點距0.5m。該三維數據結構支持水平、縱向、橫向切片分析。測區基岩的波速大於(yu) 2400m/s,根據這個(ge) 速度值可確定隱伏基岩與(yu) 孤石的高程平麵分布。對三維數據結構進行縱、橫、水平方向的切片,給出波速與(yu) 地質剖麵。從(cong) 埋深20m 到50m給出30幅水平切片,間距1m;按隧道裏程給出波速橫切片300幅,間距1m。 這些切片直觀、準確地反應了孤石的空間位置與(yu) 形態。
圖3 水上地震散射數據采集方式
勘探發現與(yu) 隧道有關(guan) 的孤石與(yu) 基岩突起26處,其中直徑大於(yu) 3 m的有9處。這些結果指導了孤石處理 工作,保證了隧道於(yu) 2017年順利完工。
1）測區基岩與(yu) 孤石高程的分布
對地震散射數據處理後得到測區300 m×60 m×60 m範圍內(nei) 岩土介質波速的三維分布。提取出波速值達到和超過2 400 m/s的最淺埋深數據,繪製成基岩與(yu) 孤石高程分布平麵圖(見圖4)。其中,紅色埋深最淺, 不到30 m,其次為(wei) 黃色,藍色、深藍色埋深大。圖中多數地域基岩埋深在38~40 m。零星分布的紅、黃色為(wei) 基岩突起與(yu) 孤石分布區,主要集中在測區的左側(ce) 隧道。
2）隧道軸向剖麵地質界麵與(yu) 波速分布
從(cong) 三維波速結構與(yu) 偏移數據中,沿隧道軸向做垂向切片,獲得地質界麵和波速分布圖像(見圖5和圖6),長300m,深60m。圖5示出地質偏移圖像,反映地層、基岩的界麵形態,埋深30 m以內(nei) ,界麵近水平層狀,反映海相沉積特點; 30 m以下界麵起伏較大,反映基岩的形態特征。圖6示出波速軸向剖麵,紅色為(wei) 高波速,波速高於(yu) 2400 m/s, 對應中風化基岩與(yu) 孤石; 藍色為(wei) 低波速, 1450 m/s,海水和淤泥; 淺部30 m內(nei) 為(wei) 波速低於(yu) 1 800 m/s的海相沉積; 30~40m深度為(wei) 中等波速(1 800~2 400 m/s)的全風化與(yu) 強風化層; 40 m以下為(wei) 紅色的、波速高於(yu) 2400 m/s的中等風化岩。在強風化岩中存在波速高於(yu) 2 400 m/s的異常體(ti) ,為(wei) 孤石與(yu) 基岩突起。
圖4 測區基岩與(yu) 孤石高程分布圖
圖5 隧道軸向偏移成像剖麵
圖6 隧道軸向波速分布剖麵
3）水平切片與(yu) 孤石位置
水平切片能直觀地反映孤石的平麵位置,這裏選擇埋深33m的水平切片(見圖7)。 圖中紅色表示波速高於(yu) 2400m/s 的孤石與(yu) 基岩突起;褐色表示波速為(wei) 2000~2400m/s的強風化岩;黃色為(wei) 波速1800~ 2000m/s 的全風化與(yu) 黏土;黑色橢圓曲線表示隧道的 交線。 由此可直觀地知道與(yu) 隧道有關(guan) 的孤石的位置,然後進行編號統計,發現多數孤石分布在左側(ce) 隧道位置。
圖7 埋深33m的波速水平切片中孤石位
4）橫切片中隧道與(yu) 孤石的關(guan) 係
沿隧道裏程每m得到1幅波速橫切片,其中,用黑色標示出了隧道的截麵位置。 紅色為(wei) 波速高於(yu) 2400m/s 的岩體(ti) ,包括基岩突起與(yu) 孤石。這裏選擇3 幅基岩突起與(yu) 隧道相交截麵,展示隧道與(yu) 孤石的關(guan) 係(見圖8)。圖中的形態說明大部分所謂的孤石, 其實是基岩突起,是有根的,並不是傳(chuan) 統意義(yi) 上的飄石。
圖8 波速橫切片中的隧道與(yu) 孤石
4.鑽探驗證與(yu) 處理結果
物探工作結束後,從(cong) 2016 年1月到3月,對物探結果進行了鑽探驗證;2016年5月到7月,對孤石進行了爆破處理,共完成鑽孔2426個(ge) 。證實物探與(yu) 鑽 探的吻合率達到90%,平均深度誤差在1m以內(nei) 。鑽探驗證與(yu) 處理的結果已另文發表。物探工作對孤 石的處理起到了指導作用,保證了隧道盾構2017年順利貫通。
結論與(yu) 討論
珠海橫琴海底隧道孤石的探測實踐表明,地震散射勘探技術可達到2m級的高分辨率,並具有可靠性好、采集靈活的特點,可以作為(wei) 海底孤石探測的一種新選擇。 水上孤石勘探技術要點可歸結為(wei) 以下3點。
1.采用小排列、多次的走航,達到密集采的目的, 實現高分辨率勘探。
2.數據處理以共炮點記錄為(wei) 基礎,建立垂直波速 結構和地質柱狀。
3.對孤石的勘探,重點是建立三維速度結構,以波速大於(yu) 2400m/s為(wei) 閾值,搜索每一個(ge) 高速異常體(ti) 。
上述這些技術路線對於(yu) 孤石探測是可行的、可靠的。為(wei) 提高水上地震勘探的效率和精度,地震勘 探設備需要做進一步改進。首先,震源激發的時間間隔應大大縮短,最好達到1s1次,便於(yu) 實現高密度采集;其次,漂浮式的水聽器鏈容易受水流的影響,偏離預定位置,影響定位精度,應該與(yu) 船體(ti) 固定,效果會(hui) 更好。總之,地震散射勘探作為(wei) 一種新技術, 還需要在實踐中不斷地改進與(yu) 發展。