水上多道地震在佛山市某过江隧道勘察中的应用

李谭伟，朱志龙,邬远明

文章编号：1672-5603（2020）02-15-6

摘 要 水上多道地震作为工程勘察的重要手段，凭借着高效、无损、高密度、低成本的特点，在场地基础勘察中发挥着重要的作用。本文通过对拟建中的佛山市季华路西延线工程中的控制性工程下穿顺德水道隧道进行水上多道地震勘探，简述了水上多道地震的勘探方法原理、使用的仪器设备和数据采集方法。本次勘察查出断层一处 ，并初步查明了各地层分布等相关工程地质条件。钻探揭露结果与物探资料基本一致，为拟建的佛山市顺德水道隧道提供了勘察依据。

关键词 水上多道地震;过江隧道;应用效果;水域;工程勘察

中图分类号：P631.4                      文献标识码：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

與桥梁工程相比，水下隧道具有隐蔽性好、对自然灾害的抵抗力强、平时和战时通畅、对水面航行无妨碍等优点。随着施工技术的不断发展，越来越多的隧道选择从水下通过。由于顺德水道是通往粤西、粤北最快捷最通畅的航道之一，而拟建的佛山市季华路西延线工程中的控制性工程过江隧道位于顺德水道水域，钻探在水上施工期间对海事、航道、防汛等影响较大，涉及许多相关部门，并且施工手续繁琐，同时两岸堤防安全控制区内严禁钻探施工。为了不影响工程的建设工期并达到设计要求，勘察工作的展开及工作量布设遵循循序渐进的原则：先布置物探工作，了解隧道区域内的基本工程地质条件，初步查明对工程安全有重大影响的不良地质问题，再进行水上钻探施工[1]。

在公路工程勘察中，许多跨江工程（如桥梁、隧道）经常采用水上地震勘探方法，作为获取水下地质信息的重要手段，浅层地震勘探技术的应用可以解决以下两个方面的问题：（1）划分水底淤积层，岩石的强弱风化层，以及确定新鲜基岩面的埋藏深度和规模。（2）调查水域中有无断层和其他小型地质构造的存在或分布情况，确定工程区域稳定性[2]。

本文以佛山顺德水道隧道的水上勘探为例，介绍了多道地震反射波法在水上工程地质勘察中的应用，通过对物探数据进行分析处理并对物探成果进行地质解释，取得了较好的勘察效果，并获得了有实用价值的结论[3-6]。

1   工程及地质概况

拟建的顺德水道隧道其起点位于樵金路东侧，下穿顺德水道、禅港路，过禅港路后出地面顺接现状季华老路，隧道底在顺德水道河床底埋深约29m，采用明挖法+盾构的施工工法。

根据该段区域地质资料及相邻项目资料（见图1），沿线地层主要为第四系海陆交互相冲淤积层及下古近系华涌组（E2h）;项目区地质构造以新华夏构造体系为主，项目近场区断裂构造比较发育，总体下可划分为北东向、北西向和近东西向三组，根据区域地质资料，兹将场地附近的主要构造特征描述如下：（1）石碣断裂（F3）：该断裂产状：断裂走向北东15～20°，倾向南东，倾角60～70°（15-20°/SE∠60～70°），断裂可分两段：东北段和西南段。（2）三水—小塘断裂（F9）：该断裂位于三水盆地中部，大致与西江断裂走向近平行，呈NW310°～320°，倾向NE或SW，该断裂南段截切喜山期玄武岩，同时控制第四系沉积，南西盘晚更新世沉积厚度达30～40m，呈NW向带状展布。

根据佛山地区区域地质资料，结合本次勘察成果，场地断裂、褶皱不发育，岩层主要为较缓的单斜构造，岩层层面较稳定、产状较平缓，岩层总体倾向东南，倾角5～25°。

2 方法原理及地震地质条件

2.1 地震勘探工作原理

人工地震是使用人工方法（如炸药，电火花等）来激发弹性波;使用地震仪器检测测量线上不同位置的大地振动，通过进行处理并解释这种携带了地层信息的信号，从而可用于推断和确定地下介质结构、岩性、地层埋深和构造形态（即空间位置）的勘探目的的方法是地震勘探。地震波的传播定律与几何光学非常相似（图2）。在波的传播过程中，遇到弹性界面时会产生反射，折射和透射。 接收不同的波将构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 地震地质条件

根据前期工作及参考其他相邻地区的相关资料，可将各岩土层物性参数归纳于表1。

分析表1可见，本区开展地震反射勘探具有较好的物探条件：

（1） 水底淤积层内（含淤泥、砂、圆砾等）岩性之间存在明显的波阻抗差异，当界面较稳定、连续时，可作为较好的地震波反射界面;

（2） 水底淤积层与基岩间波速及密度存在明显差异，两者之间波阻抗差异明显，故基岩面可作为良好的地震波反射界面;

（3） 若断层引起地层的竖向错动或存在断层破碎带，则地震时间剖面图将出现反射波组能量减弱、绕射波或同相轴的错动、不连续等异常特征。

3 野外工作方法技术及质量评述

3.1 仪器设备及其技术指标和工作状态

根据勘察项目的内容和要求，本次水上多道地震勘探主要使用了以下设备和软件系统。所有的仪器设备均在计量检定周期之内。

3.1.1 多道地震仪

本次勘探采用的是Geode数字化信号增强型浅层地震仪。该仪器是美国Geometrics公司生产的，有相互独立的24道地震信道，整机由内置工业级计算机控制。该仪器性能满足相关规范的要求。项目组在出工前、现场开工前、外业结束时的自检表明，仪器性能稳定、工作正常。

3.1.2 多道地震信号接收电缆

采用低频多道（24道）漂浮电缆，由封装在特制透明塑料管中的压电晶体构成，主频60Hz，道距2m。每道采用多个传感器通过串联、并联组合而成。

3.1.3 水上地震震源

采用英国Applied Acousitics Engineering公司生产的CSP-D2400J可调电磁脉冲震源，该震源激发主频率200～1000Hz，发射间隔时间短，激发一致性好。

3.2 地震反射法野外方法试验及工作参数选择

在开始采集生产数据之前进行了现场试验。试验内容包括震源能量、滤波通带、激发间隔时间、采样间隔、偏移距、记录长度、炮间距、航速等。根据测试结果选择最佳采集参数，见表2。

利用以上参数采集的原始地震记录波组连续、层位清晰、信噪比高。通过后续处理获得的时间剖面波组分明、层位清晰。这表明此次多道地震选择的采集参数是合理的，可取得很好的勘探效果。

3.3 测线测量、导航定位

RTK接收机平面控制使用的是国家2000坐标系，深度基准面采用85国家高程系统，工作前需要进行坐标转换及校准工作。工作时，首先架设基站并使用移动台在所提供的四个控制点中的三个控制点位置接收差分信号并采集坐标，然后解算出了两个坐标系统之间的转换参数，再利用其他两个控制点坐标来进行校准，位置误差2cm，高程误差2cm，如不能保证精度则重复以上工作，直到达到要求为止。

在物探工作导航期间，移动台固定在船体右舷的中间位置，接收卫星信号，并将移动台与计算机主机连接，通过计算机导航软件可用于导航。正常工作后，导航计算机屏幕将显示船舶所在位置，设计测量线的位置，并根据船舶的航线绘制航迹图。

导航软件实时显示测量船的航迹和姿态，并提供船体距设计测量线的距离，以便操作员随时修改航线，以确保测量船沿着设计测量线航行。导航系统自动打包定位数据，导航参数和其他测量信息，并将它们作为原始数据存储在计算机的硬盘上。

3.4 物探野外工作方法技术

地震反射法采用拖拉式连续匀速航行和定时激发方式施工，接收电缆牵挂在船尾部向后延伸[9]，现场工作场景见图3。在多通道地震采集过程中，物探测线使用GPS导航和定位，探测船沿勘测线以均匀的速度航行。为确保完全覆盖设计测线，提前上线并推迟下线。在工作过程中，将打开浅层地震仪的噪声监测模式，并实时监测漂浮电缆，以确保电缆是直的或近似直的。及时记录野外工作班报表，并记录实时发生的异常情况。

3.5 物探外业工作质量评述

本次工程物探采用了多道地震波反射法，并配套进行水深测量。各种方法的主要仪器设备先进、工作状态正常、并都校准期限内。在进场后、退场前均进行了调试和自检。

本次共采集多道地震原始记录1212个（不包含废炮），其中试验原始记录100个，占8.25%，原始记录中有效反射波组清晰连续、信噪比高。全部记录合格，其中优良以上记录1154个，占95%，满足相关规范的要求[8]。

4 资料分析与解释及误差来源

4.1 多道地震资料分析与解释

在时间剖面上找出具有较强振幅、同相轴连续性较好、可在整个场区内追踪的目的反射层作为标准层，对全区各方法时间剖面进行解释、对比[9]。

在本次水上多道地震获得的地震时间剖面上分析识别出5个地震波强反射波组，从上到下为T1、T2、T3、T4、T5，其中，T1为河床底反射面，T2推断为淤泥质粉土、淤泥质粉砂底、T3粉砂、细砂底、T4圆砾、卵石底、T5强风化基岩底。解释过程对全部交点進行闭合，闭合差控制在t0时间的5%以内。

T1反射波组以水平层状连续反射为主，推测T1面以上为水;

T2反射波组能量强，连续性较好。根据其地震相，推断为淤泥质粉土、淤泥质粉砂底界。

T3反射波组能量强，连续性较好。部分区域反射波组存在尖灭，根据其地震相，推断为测粉砂、细砂底界。

T4反射波组能量强，连续性较好。反射波组形态与T3反射波组形态差异较大，根据其地震相，推断为圆砾、卵石底界。

T5反射波组能量强，连续性较好。形态与T4反射波组相似，位于T4反射波组之下，根据其地震相，推断为强风化基岩底界。

根据上述分层方法，对地震时间剖面的解释，经地质资料进行修正和对比，地震反射资料与钻孔揭露的地层吻合度较好，具体推断如图4。

4.1.1  地层特征

（1）测区岩面标高由小里程向大里程方向递增，在线路中部略有起伏。

（2）测区以水面标高0.42m为基准，最大水深为10.3m，最小水深为1.1m，平均水深6.0m;淤泥质粉土、淤泥质粉砂最大底面为24.5m，最小底面为15.4m，平均底面为15.4m;粉砂、细砂最大底面为31.8m，最小底面为19.7m，平均底面为25.9m;圆砾、卵石最大底面为44.0m，最小底面为29.5m，平均底面为36.4m;强风化岩最大底面为46.9m，最小底面为33.2m，平均底面为39.2m。

4.1.2 构造特征

推测在NK12+785-NK12+795存在一断层，其走向为北东向，倾向小里程方向，倾角约为62°～63°。

4.2 水上多道地震反射资料处理工作的难点及解译误差来源

本次地震勘探資料多次波强烈，分析其可能的原因为淤泥层薄弱或者基岩埋深浅，电磁脉冲震源所激发的地震波在穿过水时遇很强的反射界面，并形成多次反射，并产生多次波。从地震时间剖面上看，水底形成的多次波能量多已强过基岩反射波，并且连续性好。

经过仔细分析地震波组，发现基岩反射面波组多呈弧形，并与海底多次反射波多次交错甚至重叠，以致基岩反射波组不连续，难以分辨，因此去除多次波并保留基岩反射波成为本次工作的难点。

本次物探工作去除多次波的方法主要是预测反褶积、F-K滤波和τ-P滤波。

根据地震波波动及射线理论，结合该区地层起伏大和基岩面埋藏浅的实际情况，对地震勘探误差来源分析如下：

a、纵向分辨率，受地层埋藏深度影响，在覆盖层厚度小于1/4波长时，水底反射波组与基岩反射波组未能分离;

b、水底起伏过大所形成的绕射波、回转波，其形态与地质构造所产生的地震波形态相似，容易造成误判或者错判，只能尽多地结合区域地质以及长期工作经验来加以避免;

c、在去除多次反射的过程中，也难免将有用的地震信息去掉，长期的工作经验将相当重要。

5 结语

本次水上多道地震勘探工作对隧道区域基岩面的起伏及断层的具体位置的探测有很好的效果，为后期水上钻孔的布置提供了依据，勘探成果与钻探揭露情况较为吻合，再次证明该方法的有效性。同时其勘探结果可以弥补钻探方法中一孔之见的不足，不仅对工程勘察精度有所提高，还提高了工程勘察效率，在水域的工程勘察中的应用前景广阔。

由于顺德水道隧道洞身主要位于卵石和圆砾层中，上部地层主要为淤泥质粉土、淤泥质粉砂、粉砂、细砂等不稳定地层，设计时要选择合适的工法进行施工。施工时要进行必要的监控，确保施工的安全。

参考文献/References

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