我国东南沿海地区花岗岩广泛分布。花岗岩风化不均匀,残留有大小不等的孤石,基岩突起,对地铁、公路隧道的盾构施工构成了严重威胁。珠海横琴海底隧道的工程勘察发现隧址范围有隐伏孤石,但具体分布位置不明确。为了在盾构施工前清除孤石,需要补充 精细勘查,查清孤石的具体位置。孤石的探测是勘查领域中的难点。深圳与广州地铁孤石勘探技术的专题研究认为依靠钻探的方法 是难以解决隐伏孤石勘查问题的,仅凭“一孔之见”无法发现孔间的孤石,建议使用物探方法。通过对物探方法的比较研究证明,瞬变电磁、地质雷达、地震映像 等物探方法对孤石探测没有效果;电磁波跨孔CT、钻孔回声法有一定效果,但是准确率不高;超高密度电法跨孔CT和地震波跨孔CT2种方法准确率最高。 在深圳与广州地铁使用高密度电法跨孔CT,福州地铁使用地震波跨孔CT,对孤石探测都取得了明显的效果,但以上研究均适用于陆地。
珠海横琴隧道位于马骝洲水道,特点是从水面上探测海底地层中分布的孤石,工程在无法钻孔的情况下首次采用具有高分辨特性的地震散射勘探新技术。地震散射理论最早是由K.Aki (1980年)提出来的。他在研究天然地震波在非均匀的地壳与上地 幔介质中传播时发现,天然地震波遇到密度和弹性模量非均匀时会产生散射波。N.布莱斯坦等用速度异常表征地质体的非均匀性,给出了散射波方程的简洁表达形成。 20世纪80—90 年代,利用天然地震波的前向散射特性研究地球深部构造取得了丰硕成果。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匀地质体时应该利用背向散射地震波,而背向散射特性的研究在很长时间内一直是一个空白。直到2006年,赵永贵等率先将背向散射理论应用于隧道超前地质预报中,2013年又将背向散射理论应用到复杂地质结构的精细勘查中。在北京地铁 14 号线甜水园中街区段注浆效果评价、贵州采空区勘察、京沈客运专线柴河大桥岩溶勘查、天津道路塌陷探测、贵州岩溶隧道边坡塌方勘探、山西兴县煤矿采空区探测、隧道病害勘测等工程的应用,证明了地震散射技术的实用性和可靠性。勘探成果经过了钻孔的验证,可靠率超过80%,为海底孤石探测提供了新的技术方案。本文将介绍地震散射技术孤石探测的采集方式、数据处理核心技术以及勘探结果,以便类似工程借鉴与应用。
地震数据处理技术
地震散射探采是采用小排列、密集采集的工作方式。采集过程中最大偏移距应小于目标深度的1/2。这样采集的数据才能反映炮点附近的地质界面和速度结构特征。地震散射数据处理有2个中心环节。首先,从单炮记录生成垂直速度结构,再联合各炮点的速度结构组建二维、三维速度结构;然后,依据速度结构和炮点记录,重建地质界面形态。从单炮记录生成垂直速度结构包括3个步骤,分别为滤除水底多次波、速度扫描和偏移成像。
1.滤除水底多次波
多次波是水域勘探中最主要的干扰波,特别是在浅水勘探情况下,严重影响对地层界面的识别。 多次 波的特点是能量强,具有反射波走时形态,用F-K方 向滤波技术很难滤除。 本次勘探采用双曲滤波技术。 水底多次波具有出现的时间晚、平均速度低的特点,双 曲滤波可以在时间-速度域将其滤除。 双曲滤波前、 后的记录比较如图1所示,从中可以看出多次波已基 本上滤除。
2.速度扫描
速度扫描是构建垂直速度结构最关键的技术环节,是通过Radon变换实现的。 根据散射波的走时规律,将空间-时间域的地震数据变换到时间-波速域中。 波速扫描图像中的每个能量极值点都代表一个散射界面。极值点的纵坐标为界面的双程时,横坐标为界面上覆地层的平均波速见图1(c)。由此很容易计 算出极值点对应的界面深度和层速度曲线(见图1 (d)),这就实现了由炮点记录到垂直波速曲线的转 变,曲线中显示了各界面的深度与地层的波速分布。将多个炮点的速度结构按空间位置进行组合,可形成 二维或三维的速度分布。
3.偏移成像
在获得了波速分布的基础上,使用滤波后的地震记录,通过偏移成像获得地质界面的形态分布。因为地震散射勘探使用小排列密集采集方式,偏移成像的计算实际上是小角度范围内地震记录的延时 叠加,因而具有较高的横向分辨率。
横琴隧道海底孤石的勘探
1.隧道工程地质概况
横琴隧道为横琴岛的第3条交通通道,穿越马骝 洲水道,水深6~8m。隧道长约600m,直径约15m,最大埋深34m,采用双线盾构法施工。 前期工程地质 勘探查明,隧址内浅部为海相沉积,下部基岩为花岗 岩,埋深为38~40m。孤石隐伏于全风化与强风化层中,影响盾构法施工,需要查清直径2m以上的孤石与 基岩突起的分布。
2. 水上地震数据采集
海底孤石勘探要求分辨出2m以上的孤石,需要在水上进行密集的数据采集。由于水流、风速的影响,船速不能太低,想通过1次走航来完成炮间距1~2m的高密集采集是不可能的。基于地震散射数据采集具有灵活性的特点,可以在GPS的引导下通过多次的走航进行反复采集,来实现炮点间距1~2m高密度采集的目的。本次勘探区沿隧道轴向长300m,横向宽60m。轴向上炮点间距1m,横向上间距2m,实现了炮点按 1m×2m网格布置的目标。使用24道水听器链,检波器间距0.5m,采集时偏移距1m,30kJ电火花震源, 激发1次/min,共采集10000余炮记录。有效勘探深 度超过80m,为三维速度结构的获取奠定了可靠基础。测区位置及采集方式分别如图2和图3所示。
图1 速度剖面处理流程与结果
图2 水上孤石勘探区位置
3.海底孤石的勘探结果
经过数据处理,生成勘探区三维波速分布与地质界面分布的数据结构。数据在隧道轴线方向点距1m,横向方向点距2m,垂直方向点距0.5m。该三维数据结构支持水平、纵向、横向切片分析。测区基岩的波速大于2400m/s,根据这个速度值可确定隐伏基岩与孤石的高程平面分布。对三维数据结构进行纵、横、水平方向的切片,给出波速与地质剖面。从埋深20m 到50m给出30幅水平切片,间距1m;按隧道里程给出波速横切片300幅,间距1m。 这些切片直观、准确地反应了孤石的空间位置与形态。
图3 水上地震散射数据采集方式
勘探发现与隧道有关的孤石与基岩突起26处,其中直径大于3 m的有9处。这些结果指导了孤石处理 工作,保证了隧道于2017年顺利完工。
1）测区基岩与孤石高程的分布
对地震散射数据处理后得到测区300 m×60 m×60 m范围内岩土介质波速的三维分布。提取出波速值达到和超过2 400 m/s的最浅埋深数据,绘制成基岩与孤石高程分布平面图(见图4)。其中,红色埋深最浅, 不到30 m,其次为黄色,蓝色、深蓝色埋深大。图中多数地域基岩埋深在38~40 m。零星分布的红、黄色为 基岩突起与孤石分布区,主要集中在测区的左侧隧道。
2）隧道轴向剖面地质界面与波速分布
从三维波速结构与偏移数据中,沿隧道轴向做垂向切片,获得地质界面和波速分布图像(见图5和图6),长300m,深60m。图5示出地质偏移图像,反映地层、基岩的界面形态,埋深30 m以内,界面近水平层状,反映海相沉积特点; 30 m以下界面起伏较大,反映基岩的形态特征。图6示出波速轴向剖面,红色为高波速,波速高于2400 m/s, 对应中风化基岩与孤石; 蓝色为低波速, 1450 m/s,海水和淤泥; 浅部30 m内为波速低于1 800 m/s的海相沉积; 30~40m深度为中等波速(1 800~2 400 m/s)的全风化与强风化层; 40 m以下为红色的、波速高于2400 m/s的中等风化岩。在强风化岩中存在波速高于2 400 m/s的异常体,为孤石与基岩突起。
图4 测区基岩与孤石高程分布图
图5 隧道轴向偏移成像剖面
图6 隧道轴向波速分布剖面
3）水平切片与孤石位置
水平切片能直观地反映孤石的平面位置,这里选择埋深33m的水平切片(见图7)。 图中红色表示波速高于2400m/s 的孤石与基岩突起;褐色表示波速为2000~2400m/s的强风化岩;黄色为波速1800~ 2000m/s 的全风化与黏土;黑色椭圆曲线表示隧道的 交线。 由此可直观地知道与隧道有关的孤石的位置,然后进行编号统计,发现多数孤石分布在左侧隧道位置。
图7 埋深33m的波速水平切片中孤石位
4）横切片中隧道与孤石的关系
沿隧道里程每m得到1幅波速横切片,其中,用黑色标示出了隧道的截面位置。 红色为波速高于2400m/s 的岩体,包括基岩突起与孤石。这里选择3 幅基岩突起与隧道相交截面,展示隧道与孤石的关系(见图8)。图中的形态说明大部分所谓的孤石, 其实是基岩突起,是有根的,并不是传统意义上的飘石。
图8 波速横切片中的隧道与孤石
4.钻探验证与处理结果
物探工作结束后,从2016 年1月到3月,对物探结果进行了钻探验证;2016年5月到7月,对孤石进行了爆破处理,共完成钻孔2426个。证实物探与钻 探的吻合率达到90%,平均深度误差在1m以内。钻探验证与处理的结果已另文发表。物探工作对孤 石的处理起到了指导作用,保证了隧道盾构2017年顺利贯通。
结论与讨论
珠海横琴海底隧道孤石的探测实践表明,地震散射勘探技术可达到2m级的高分辨率,并具有可靠性好、采集灵活的特点,可以作为海底孤石探测的一种新选择。 水上孤石勘探技术要点可归结为以下3点。
1.采用小排列、多次的走航,达到密集采的目的, 实现高分辨率勘探。
2.数据处理以共炮点记录为基础,建立垂直波速 结构和地质柱状。
3.对孤石的勘探,重点是建立三维速度结构,以波速大于2400m/s为阈值,搜索每一个高速异常体。
上述这些技术路线对于孤石探测是可行的、可靠的。为提高水上地震勘探的效率和精度,地震勘 探设备需要做进一步改进。首先,震源激发的时间间隔应大大缩短,最好达到1s1次,便于实现高密度采集;其次,漂浮式的水听器链容易受水流的影响,偏离预定位置,影响定位精度,应该与船体固定,效果会更好。总之,地震散射勘探作为一种新技术, 还需要在实践中不断地改进与发展。