綜合物探探測在中馬友誼大橋的應用

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摘要:針對中馬友誼大橋所處珊瑚礁灰巖區，存在欠缺礁灰巖的工程分類參考資料問題，單一勘探方法很難取得好的勘察效果。結合勘察實例，采用側掃聲納、淺層地震反射和地震映像相結合的綜合物探技術，配合地質鉆探，多種方法優勢互補，互相印證，綜合解譯，對橋位區地質分層、基巖變化情況和海底障礙物探測取得了良好的勘探效果。應用結果表明:對于復雜多變的海底勘探，充分發揮物探探測的優勢，可快速準確達到探測目的，將現在以勘探點為主的勘察模式，發展到點、線、面相結合的水平，大大提高了勘察成果的準確性和可靠性，本文勘察方案可為今后同類工程的勘察提供技術借鑒。

關鍵詞:綜合物探;側掃聲納;地震映象;淺層地震反射

隨著“一路一帶”基礎設施的不斷建設，越來越多國家的項目勘察需要在水域進行作業，傳統勘察主要以鉆探點為基礎，查明勘區地質情況。而工程物探作為水下勘探的主要手段，不僅在勘察前期提供線索，還可在勘察的各個階段發揮不可或缺的作用［1～7］，物探探測發展為點、線、面相結合的綜合勘察。工程物探技術具有范圍廣、速度快、效率高、經濟可靠的優點，對于查明工程區區域地質概況，與傳統地質鉆探相比，具有較大優勢［3～8］。在復雜的海域建設大型重點工程，綜合物探技術發揮了越來越重要的作用，配合地質鉆探，多種方法優勢互補，互相印證，綜合解譯，在工程區地質分層、基巖變化情況勘察、海底地貌及海底障礙物探測方面取得了良好勘探效果［1，2］。本文結合援馬爾代夫某跨海大橋工程實踐，對橋址區域采用側掃聲納、淺層地震反射和地震映像綜合物探技術與鉆探相結合進行勘察，大大提高了勘察成果的準確性和可靠性，為橋址選擇、基礎設計和施工提供了更詳細的地質依據，可為類似項目的工程勘察提供參考。

1方法技術簡介

(1)側掃聲納勘探:側掃聲納左右各安裝一條換能器線陣，首先發射一個短促的聲脈沖，聲波按球面波方式向外傳播，遇到海底或水中物體會產生散射，其中的反向回波會按原傳播線返回換能器被換能器接收，經換能器轉換成一系列電脈沖［1］。反射信號連續地記錄在記錄圖中，這些信號代表來自海床上的礫石、巖石露頭及管道等目標的反射。根據目標反射信號的強度和對記錄圖像的研究，就可對聲納反射信號做出地質解釋，并估計海床上各種目標的大小和高度。工作原理如圖1所示。圖1聲納系統工作示意圖Fig.1Workingschematicdiagramofsonarsystem本次工作采用英國C-MAX公司生產的CM2型數字聲納系統。配置MAXView實時采集軟件，拖魚的掃測頻率為325kHz，最大作業水深2000m，分辨率＜0.1m，掃描寬度(單側)25～150m(可調)。(2)淺層地震反射勘探:是一種根據地下介質的物性不同和人工激發地震波在介質中傳播速度不同來探測地下目標物的一種物探方法，在不同點激發、不同點接收來自地下界面相同反射點的多個地震記錄道進行動校正后疊加。反射信號經處理、成圖，反映地下各種地質體的分布情況［4］。采用多次覆蓋地震反射勘探方法可有效地壓制多次波和衰減各種隨機干擾，因此該技術已在勘探中被廣泛采用。本次淺層地震反射勘探采用SWS-6型24通道工程地震儀。外業工作時采用的排列如圖2所示。圖2淺層地震反射波法工作示意圖Fig.2Schematicdiagramofshallowseismicreflectionmethod(3)地震映像勘探:又稱地震多波勘探，是基于反射波法中的最佳偏移距技術發展起來的一種常見的淺地層勘探方法［9］。利用了水中無面波干擾的特點，采用小偏移距或等偏移距，單道接收或多道接收，經過實時數據處理，以大屏幕密集顯示波阻抗界面的方法形成彩色數字剖面，再現地下結構形態，其工作原理見圖3。圖3地震映像工作原理示意圖Fig.3Schematicdiagramofworkingprincipleofseismicimage本次外業采用了SWS-6型工程地震儀、電火花震源、12道水上漂浮電纜、走航式地震共偏移距縱波反射技術，高通100Hz頻率1濾波檔采集，結果證明，對噪音干擾波的抑制效果較好。

2應用實例

本項目位于馬爾代夫北島礁馬累—機場島珊瑚環礁上。橫跨CaadhooKoa海峽，連接機場島—馬累，橋長約1390m，采用預應力混凝土V型墩連續鋼構橋，引橋為預應力T型梁。勘察宗旨為初步查明橋址區水下地形地貌、地層結構、覆蓋層厚度、基巖面起伏情況和沉船、管線等水底障礙物，為橋梁工程建設提供地質依據。勘區地層主要為覆蓋層(礁塊石、礫砂混礫塊、珊瑚混砂或砂混珊瑚)及礁灰巖基巖層組成。2.1側掃聲納應用于海底障礙物探測。在工程區域，往往因為歷史原因，遺留一些沉船、管線等影響工程建設的障礙物，為了施工安全，探明這些障礙物是工程建設必須解決的問題，由于障礙物(比如巖堆)與海水介質之間的物性差異顯著，采用聲納掃側取得了較好效果。海水聲波波速約1400～1500m/s，海底介質聲波波速約1650～2000m/s，巖堆聲波波速約3000～3500m/s，采用聲納掃側，能夠較準確地判別海底障礙物的分布情況。本次工作沿大橋中軸線布設了1條縱測線，在中軸線兩側按75m的間距各布設1條縱測線，各縱測線長約1000m;垂直中軸線按120m間距布設4條橫測線，各橫測線長約800m。在靠近馬累端橋位70m范圍存在巖堆區，見圖4。CS2測線發現一突起物，見圖5，尺寸約為6.3m×16.5m，突起物中心點坐標為E73°31'24.28″，N4°10'22.60″，網格坐標為X=61396.319，Y=6106.484，位于橋位線AK0+878m左52m處。2.2淺層地震反射法應用于橋位區第四紀覆蓋層。探測外業工作采用等偏移距排列滾動12道剖面采圖5突起物Fig.5Protuberance集觀測系統和6次覆蓋水平疊加觀測的工作方法，選擇18m偏移距，2m道間距，12道接收道數，震源為大錘，單邊錘擊，檢波器24個，SWS處理解釋軟件，AutoCAD成圖軟件。測線DZ5實際長度為656m。通過資料分析與處理，發現一個弱反射界面(深度5～7m)及三個強反射界面(深度分別約為10m、15m、20m)，深度5～7m處的弱反射界面推測為上覆地層與較破碎的準礁灰巖之間的界面，由于覆蓋層與破碎的礁灰巖波阻抗差異較小，其反射能量較弱;深度約10m處反射界面為上層破碎的準礁灰巖與下部含礫砂層之間的界面，出現較大波阻抗差異，故產生強反射;深度15m處強反射為上部含礫砂層與下部較完整準礁灰巖之間的界面，界面同相軸連續平穩;深度20m處反射界面相對較弱，推測為上部較完整的準礁灰巖與下部完整的礁灰巖之間的界面，同相軸局部不連續，是由于波阻抗差別不太大所致。DZ5測線探測剖面與解譯結果見圖6～圖8所示。2.3地震映像法探測橋位區基巖起伏情況。地震映像連續測線剖面的探測方法，能較好地探明基巖起伏及變化情況，同時能探明勘察區暗礁及風化破碎帶等不良地質體，配合地質鉆探，會取得良好的勘察效果，其結果對橋址選擇、橋方案比選、基礎選型、工程安全及造價、結構、施工工藝及工期等起到至關重要的作用。勘察區海水及海底介質的波速見表1。本次布置物探線12條，測線總長8.5km，采用走航式地震映象勘探方法。布置測線時，考慮到布置間距調整為15m，縱測線9條;在水下地形陡變的位置，布置了3條橫測線。根據各測線的地震映象剖面圖進行成果解釋，結合鉆孔資料，對應地質層位，形成各測線的地質解釋剖面圖。以橋軸線YX5測線的地震映象圖(圖9)及地質解釋剖面圖(圖10)為例進行分析介紹。(1)海水深度該測線海水底部地震反射面清晰，海水深度7.10～47.60m，標高在－7.66～－46.76m之間，與地形圖上的海床高程有很好的對應關系。(2)含礫中粗砂、含礫塊中粗砂、礁塊石等覆蓋層測線覆蓋層的底部反射波同相軸連續，地震反射特征明顯。層內的時間段有較多斷斷續續的同相軸，顯示層內存在有較多不同物理力學性質的層位;時間剖面中層狀同相軸清晰可見，根據鉆孔資料，這些反射同相軸是由礁塊石、含礫塊中粗砂、含礫中粗砂等不同地層的反射引起的。本次物探測得覆蓋層分布較為連續，厚度起伏較大，其厚度從0.81～20.80m之間。從測線上看，呈中間厚、兩端薄的分布特征。鉆孔BH17孔覆蓋層厚度約為18.1m，該處地震映象測線上對應的覆蓋層厚度為18.65m。綜合說明，地震映象成果資料與地質分層吻合性較好。(3)巖面解釋巖面的反射波組特征明顯，具有連續同相軸，局部存在反射波組弱，原因為覆蓋層對地震波能量吸收較強，引起同相軸斷斷續續。經仔細分析，測線位置巖面起伏較大，巖面標高分布在－10.41～－59.18m之間，高差達48.77m。在馬累島側陡坎的坡上與坡底的地震映象反射波頻率差異較大，經與鉆孔資料對比，對應為礁灰巖。

3物探綜合成果分析

側掃聲納結果顯示，橋位線水域部分海床面起伏較大。近岸淺灘海底分布有較多礁灰巖碎塊、活珊瑚等，形成的地形凹凸不平;深水區海床較平整，主要為砂質海底，礁灰巖及活珊瑚較少。工程區分布有突起物、大小不等的坑洞及海底臺階。通過地震映象及淺層地震反射方法探測地層，橋位線在馬累島陸域覆蓋層厚度3～10m，主要由礁灰巖塊混砂、粗砂礫砂及粉細砂組成;橋位線在機場島陸域覆蓋層厚度5～23m;水上地震映象成果顯示，該部分水域覆蓋層分布較為連續，厚度起伏較大，呈中間厚，兩端(馬累島、機場島)薄的分布特征，覆蓋層厚度0.3～20.1m。基巖為準礁灰巖、礁灰巖層，基巖面變化大，巖面標高約為－59.0～－10.5m，高差達48.5m。

4結論與建議

(1)側掃聲納是利用周圍介質與障礙物的差異性特點，確定障礙物的位置及分布，但對于不同障礙物(沉船、光纜、電纜等)，需要根據不同物性選擇合適的探測方法。(2)淺層地震反射法，能較好地劃分海水、覆蓋層分布及地層層位，能宏觀劃分區域地層。(3)地震映像法能較好地查明水深，劃分水底沉積層，確定基巖界面起伏及埋深。(4)任何單一的物探方法都不是萬能的，只有根據勘察的目的和要求，采用綜合物探技術，并與鉆探等勘察手段相結合，相互印證，互為補充，才能提高勘察精度，縮短作業周期，節約工程成本，提供可靠的基礎地質資料，更好地為工程建設服務。

作者:林劍鋒 袁海龍 張明 趙家明 單位:中交第二航務工程勘察設計院有限公司