地震散射技術(shù)在隧道孤石探測中的應(yīng)用

地震散射技術(shù)在隧道孤石探測中的應(yīng)用

0隧道孤石勘探中國東南沿海地區(qū)的花崗巖分布?；◢弾r風(fēng)化不均勻,殘留有大小不等的孤石,基巖突起,對地鐵、公路隧道的盾構(gòu)施工構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。珠海橫琴海底隧道的工程勘察發(fā)現(xiàn)隧址范圍有隱伏孤石,但具體分布位置不明確。為了在盾構(gòu)施工前清除孤石,需要補(bǔ)充精細(xì)勘查,查清孤石的具體位置。孤石的探測是勘查領(lǐng)域中的難點。深圳與廣州地鐵孤石勘探技術(shù)的專題研究珠海橫琴隧道位于馬騮洲水道,特點是從水面上探測海底地層中分布的孤石,工程在無法鉆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(shù)。地震散射理論最早是由K.Aki(1980年)提出來的本文將介紹地震散射技術(shù)孤石探測的采集方式、數(shù)據(jù)處理核心技術(shù)以及勘探結(jié)果,以便類似工程借鑒與應(yīng)用。1炮點周邊地質(zhì)界面及速度結(jié)構(gòu)的集的特點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(yīng)小于目標(biāo)深度的1/2。這樣采集的數(shù)據(jù)才能反映炮點附近的地質(zhì)界面和速度結(jié)構(gòu)特征。地震散射數(shù)據(jù)處理有2個中心環(huán)節(jié)。首先,從單炮記錄生成垂直速度結(jié)構(gòu),再聯(lián)合各炮點的速度結(jié)構(gòu)組建二維、三維速度結(jié)構(gòu);然后,依據(jù)速度結(jié)構(gòu)和炮點記錄,重建地質(zhì)界面形態(tài)。從單炮記錄生成垂直速度結(jié)構(gòu)包括3個步驟,分別為濾除水底多次波、速度掃描和偏移成像。1.1濾波方向的確定多次波是水域勘探中最主要的干擾波,特別是在淺水勘探情況下,嚴(yán)重影響對地層界面的識別。多次波的特點是能量強(qiáng),具有反射波走時形態(tài),用F-K方向濾波技術(shù)很難濾除。本次勘探采用雙曲濾波技術(shù)。水底多次波具有出現(xiàn)的時間晚、平均速度低的特點,雙曲濾波可以在時間-速度域?qū)⑵錇V除。雙曲濾波前、后的記錄比較如圖1所示,從中可以看出多次波已基本上濾除。1.2換到時間-波速域速度掃描是構(gòu)建垂直速度結(jié)構(gòu)最關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié),是通過Radon變換實現(xiàn)的。根據(jù)散射波的走時規(guī)律,將空間-時間域的地震數(shù)據(jù)變換到時間-波速域中。波速掃描圖像中的每個能量極值點都代表一個散射界面。極值點的縱坐標(biāo)為界面的雙程時,橫坐標(biāo)為界面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(yīng)的界面深度和層速度曲線(見圖1(d)),這就實現(xiàn)了由炮點記錄到垂直波速曲線的轉(zhuǎn)變,曲線中顯示了各界面的深度與地層的波速分布。將多個炮點的速度結(jié)構(gòu)按空間位置進(jìn)行組合,可形成二維或三維的速度分布。1.3地質(zhì)界面形態(tài)分布在獲得了波速分布的基礎(chǔ)上,使用濾波后的地震記錄,通過偏移成像獲得地質(zhì)界面的形態(tài)分布。因為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范圍內(nèi)地震記錄的延時疊加,因而具有較高的橫向分辨率。2恒恒坑海床上的孤石勘探2.1培育雙線盾構(gòu)法施工直徑橫琴隧道為橫琴島的第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(gòu)法施工。前期工程地質(zhì)勘探查明,隧址內(nèi)淺部為海相沉積,下部基巖為花崗巖,埋深為38～40m。孤石隱伏于全風(fēng)化與強(qiáng)風(fēng)化層中,影響盾構(gòu)法施工,需要查清直徑2m以上的孤石與基巖突起的分布。2.2地震數(shù)據(jù)處理海底孤石勘探要求分辨出2m以上的孤石,需要在水上進(jìn)行密集的數(shù)據(jù)采集。由于水流、風(fēng)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?；诘卣鹕⑸鋽?shù)據(jù)采集具有靈活性的特點,可以在GPS的引導(dǎo)下通過多次的走航進(jìn)行反復(fù)采集,來實現(xiàn)炮點間距1～2m高密度采集的目的。本次勘探區(qū)沿隧道軸向長300m,橫向?qū)?0m。軸向上炮點間距1m,橫向上間距2m,實現(xiàn)了炮點按1m×2m網(wǎng)格布置的目標(biāo)。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(fā)1次/min,共采集10000余炮記錄。有效勘探深度超過80m,為三維速度結(jié)構(gòu)的獲取奠定了可靠基礎(chǔ)。測區(qū)位置及采集方式分別如圖2和圖3所示。2.3隱伏基巖與孤石的構(gòu)造切片經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,生成勘探區(qū)三維波速分布與地質(zhì)界面分布的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)支持水平、縱向、橫向切片分析。測區(qū)基巖的波速大于2400m/s,根據(jù)這個速度值可確定隱伏基巖與孤石的高程平面分布。對三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行縱、橫、水平方向的切片,給出波速與地質(zhì)剖面。從埋深20m到50m給出30幅水平切片,間距1m;按隧道里程給出波速橫切片300幅,間距1m。這些切片直觀、準(zhǔn)確地反應(yīng)了孤石的空間位置與形態(tài)?？碧桨l(fā)現(xiàn)與隧道有關(guān)的孤石與基巖突起26處,其中直徑大于3m的有9處。這些結(jié)果指導(dǎo)了孤石處理工作,保證了隧道于2017年順利完工。2.3.1基巖與孤石高程分布對地震散射數(shù)據(jù)處理后得到測區(qū)300m×60m×60m范圍內(nèi)巖土介質(zhì)波速的三維分布。提取出波速值達(dá)到和超過2400m/s的最淺埋深數(shù)據(jù),繪制成基巖與孤石高程分布平面圖(見圖4)。其中,紅色埋深最淺,不到30m,其次為黃色,藍(lán)色、深藍(lán)色埋深大。圖中多數(shù)地域基巖埋深在38～40m。零星分布的紅、黃色為基巖突起與孤石分布區(qū),主要集中在測區(qū)的左側(cè)隧道。2.3.2基巖形態(tài)特征從三維波速結(jié)構(gòu)與偏移數(shù)據(jù)中,沿隧道軸向做垂向切片,獲得地質(zhì)界面和波速分布圖像(見圖5和圖6),長300m,深60m。圖5示出地質(zhì)偏移圖像,反映地層、基巖的界面形態(tài),埋深30m以內(nèi),界面近水平層狀,反映海相沉積特點;30m以下界面起伏較大,反映基巖的形態(tài)特征。圖6示出波速軸向剖面,紅色為高波速,波速高于2400m/s,對應(yīng)中風(fēng)化基巖與孤石;藍(lán)色為低波速,1450m/s,海水和淤泥;淺部30m內(nèi)為波速低于1800m/s的海相沉積;30～40m深度為中等波速(1800～2400m/s)的全風(fēng)化與強(qiáng)風(fēng)化層;40m以下為紅色的、波速高于2400m/s的中等風(fēng)化巖。在強(qiáng)風(fēng)化巖中存在波速高于2400m/s的異常體,為孤石與基巖突起。2.3.3隧道地質(zhì)特征水平切片能直觀地反映孤石的平面位置,這里選擇埋深33m的水平切片(見圖7)。圖中紅色表示波速高于2400m/s的孤石與基巖突起;褐色表示波速為2000～2400m/s的強(qiáng)風(fēng)化巖;黃色為波速1800～2000m/s的全風(fēng)化與黏土;黑色橢圓曲線表示隧道的交線。由此可直觀地知道與隧道有關(guān)的孤石的位置,然后進(jìn)行編號統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)多數(shù)孤石分布在左側(cè)隧道位置。2.3.4)基巖突變與隧道共聚劑加固關(guān)系沿隧道里程每m得到1幅波速橫切片,其中,用黑色標(biāo)示出了隧道的截面位置。紅色為波速高于2400m/s的巖體,包括基巖突起與孤石。這里選擇3幅基巖突起與隧道相交截面,展示隧道與孤石的關(guān)系(見圖8)。圖中的形態(tài)說明大部分所謂的孤石,其實是基巖突起,是有根的,并不是傳統(tǒng)意義上的飄石。2.4鉆進(jìn)驗證驗證物探工作結(jié)束后,從2016年1月到3月,對物探結(jié)果進(jìn)行了鉆探驗證;2016年5月到7月,對孤石進(jìn)行了爆破處理,共完成鉆孔2426個。證實物探與鉆探的吻合率達(dá)到90%,平均深度誤差在1m以內(nèi)。鉆探驗證與處理的結(jié)果已另文發(fā)表3水上地震勘探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(shù)可達(dá)到2m級的高分辨率,并具有可靠性好、采集靈活的特點,可以作為海底孤石探測的一種新選擇。水上孤石勘探技術(shù)要點可歸結(jié)為以下3點。1)采用小排列、多次的走航,達(dá)到密集采的目的,實現(xiàn)高分辨率勘探。2)數(shù)據(jù)處理以共炮點記錄為基礎(chǔ),建立垂直波速結(jié)構(gòu)和地質(zhì)柱狀。3)對孤石的勘探,重點是建立三維速度結(jié)構(gòu),以波速大于2400m/s為閾值,搜索每一個高速異常體。上述這些技術(shù)路線對