浅层地震反射波法在水底隧道勘察中的应用

沈磊

摘要：浅层地震反射波法是一种常用的勘探方法，它的应用范围非常广，如地质勘查、滑坡勘察、墩身检测等。采用地震反射波法进行水底隧道的勘探渐多，说明该方法水上勘探的有效性。笔者应用此项技术结合厦门湾海底隧道水上地震的实际操作对发射波法在水底隧道的地质勘查进行了研究。

关键词：浅层地震反射波法；水底隧道勘察；水上勘探

1.前言

浅层地震反射波法是一种常用的勘探方法，它的应用范围非常广，如地质勘查、滑坡勘查、墩身检测等。在陆地上浅层地震反射波法的应用技术已日趋完善，可以较好地解决地下几十米以内的工程地质问题，提供直观连续的地质剖面图，较明显的显示地质结构，确定基岩上覆盖层的厚度及起伏情况。采用地震反射波法进行水底隧道的勘探渐多，说明该方法水上勘探的有效性。笔者应用此项技术结合厦门湾海底隧道水上地震的实际操作对发射波法在水底隧道的地质勘查进行了研究。

2.反射波法的特点

地震波反射波法研究的是地震波在不同弹性介质分界面上按一定规律产生反射的原理。反射波法不受地层速度逆转的影响，受施工场地影响也较小，适应性较强，获得的地质信息比较丰富，时间剖面能够直观的反应地下的地质情况。浅层反射波法在松散沉积地层中，对地层层序的划分有很好的效果，对地基勘察和新构造运动迹象的调查都具有明显的成效。在我国大型坝址勘测、海底隧道的勘查、水文地质调查以及城市活动断层的调查中都有广泛的应用。

3.应用实例

厦门湾海底隧道是贯通厦门本岛和漳州开发区厦漳泉城际轨道交通3号线的海上通道，于漳州开发区南炮台公园附近进入厦门湾海域，下穿厦门港10万吨级航道及厦门一鼓浪屿旅游航道后于演武大桥接环市南路处进入厦门岛，设计为双线双洞隧道，左、右线间距约30m。为查明海底隧道段地层、构造及不良地质体发育情况，采用地震波发射法对海底隧道进行地质勘查。

3.1场地地质概况与地球物理条件

区内覆盖层由第四系全新统长乐组海积相（Q₄^m）与残积土构成，前者为淤泥、淤泥质黏土、砾砂，后者为花岗岩全风化产物。基岩主要为早白垩世玛坑超单元梅山单元（K₁M）及晚侏罗世永兴超单元瓜洋单元（J₃G）花岗岩。

海水与淤泥、淤泥与砾砂、全、强、弱风化基岩之间纵波波阻抗存在明显差异，断裂构造引起地层的垂向错动或岩体破碎，会在地震时间剖面图出现反射波组同相轴的错动、不连续或能量减弱、绕射波出现等异常特征。因此本区具有开展地震反射法的地球物理条件。

3.2水上地震反射法工作方法

水上生产性数据采集工作开始前，进行了现场试验。试验内容包括震源能量、激发问隔时间、滤波通带、采样间隔、记录长度、偏移距、炮间隔、航速等。通过试验结果选择最佳的采集参数。

水上地震勘探震源采用英国Applied Acousitics Engi-neefing公司生产的CSP-D2400J可调电磁脉冲震源，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。浅层地震采集时，物探测线采用GPS导航定位，探测船只沿布设测线呈匀速航行。为保证完全覆盖设计测线，提前上线，推迟下线。

工作期间开启浅层地震仪的噪声监测模式，并实时监测漂浮电缆。保证电缆成直线或近似直线。在发现干扰较大、航迹偏离设计测线过大、船姿不正、漂浮电缆偏离测线过大时，停止采集数据，及时进行重测。

4.资料处理与解释

4.1资料的处理方法

资料的处理主要流程如下：

预处理→CMP道集选排→叠前滤波→干扰切除→道问平衡→预测反褶积→速度分析→高精度τ-P变换→动校正→静校正→保幅叠加→叠后偏移→叠后滤波→水域CDP坐标设置和潮位改正→水域CDP剖面桩号投影→成果时间剖面输出。

上述部分步骤可不按顺序或重复使用，直至输出合格的结果为止。

其中主要节点的功能及参数如下：

①预处理为不正常道充零；②抽道集則按多次覆盖观测系统抽取其中心点道集；③叠前滤波主要为频率带通滤波，滤波的截止频率由原始记录中的频谱分析结果决定，低截频率范围为40Hz-100Hz，高截频率为250Hz-500Hz。④干扰切除主要切除电缆波干扰及直达波干扰；⑤道间平衡将各道的总能量调整为同一水平；⑥预测反褶积主要用于压制全程多次波；⑦速度分析主要应用超级速度谱，速度分析区间为1000m/s～4000m/s（步长25m/s），从速度谱中根据叠加能量最强的原则拾取叠加速度，最终采用二维速度模型进行动校；⑧高精度τ-P变换主要用于压制屈微多次波及层间多次波。由于高精度τ-P变换的应用，有效压制了由于水深较浅而发育的多次波，消除了多次波对分层解释的影响。

动校正应用速度分析确定的二维速度模型对CMP道集进行动校正。

叠后滤波主要滤除动校时拉伸畸变的波组，一般为低切滤波，截止频率比叠前滤波的低切频率稍低；叠后偏移采用二维F-X域有限差分法偏移。偏移速度在叠加速度的基础上确定，最终选择叠加速度的98%作为本次处理的偏移速度，局部地方稍作调整，以适应局部的构造和地质情况变化。

水域CDP坐标设置和潮位改正为根据导航记录和潮位观测资料设置每个CDP的坐标。并进行漂浮电缆沉放深度、震源沉放深度、潮位改正，将测点校正到位于国家2000高程系统的0m高程。改正波速为海水波速1500m/s；水域CDP剖面桩号投影为根据水域浅层地震的特点，按每个CDP的实际位置投影到设计测线上，但又保持其准确位置。

4.2资料分析与解释

结合钻孔资料和波速测试资料，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。

在本次工程物探获得的地震时间剖面上分析识别出4个地震波强反射波组：T1、T2、T3和T4（图1）。解释过程对全部交点进行闭合，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反射波组以水平层状连续反射为主，推测T1～T2时间界面之间为淤泥、淤泥质土等，纵波波速一般在1400m/s～1700m/s；T3推测为全强风化基岩顶界，T2～T3时间界面之间为砾砂等，纵波波速一般在1700m/s～2000m/s；T4部分反射能力强、连续性较好、起伏强烈，部分测段存在较多绕射波、回转波等，推测T3～T4时间界面之间为全、强风化基岩等，纵波波速一般在2200m/s～2600m/s；T4波组之下推断为弱～微风化基岩层，纵波速度大于3000m/s。

断层解释主要识别标志：

（1）地层反射波组错断；

（2）地层反射波组明显突变、绕射波发育；

（3）地震反射波组同相轴扭曲；

（4）时间剖面上出现波形杂乱或能量缺失。

4.3资料的综合分析与地质解释

在本次物理勘探获得的多道地震时间剖面上分析识别出4个地震波强反射界面，并由此将地层划分为4个地震层位各分层与地层之间对应关系如下：①淤泥层（T1、112之间）；②砾砂层（T2、T3之间）；③全强风化基岩层（T3、T4之间）；④弱微风化层（T4以下）。

（1）本次水上地震勘察发现了1条断裂构造，断层附近基岩岩体较为破碎。

（2）F1断层上盘有多个风化凹槽，凹槽处基岩风化强烈，岩体裂隙发育。

5.结语

通过水上浅层地震反射波法勘探，比较准确地查明了工区的水底地形、海底地层层位、隐伏断层以及断层影响范围等，为工程施工设计提供了可靠的资料。实践表明，浅层地震反射波法在水底隧道的勘查中具有良好的效果。