遼寧大連灣海底隧道工程海域勘察物探分析

王冬

（山東省魯南地質工程勘察院，山東濟寧 272100）

0 引言

地球物理勘探是海底隧道工程勘探的一個重要手段，具有快速、準確、無損等特點［1-3］,由于其是針對地質體物理場的探測，在一定程度上彌補了傳統地質鉆探對勘探區地質宏觀揭露的不足［4-6］。一些大型海域項目的工程預可行性、可行性研究階段，都需要初步了解海底地層分布情況，在現代大型重點工程的設計和施工中，工程物探技術開始廣泛應用。本文以大連灣海底隧道為背景，采用物探技術對海底隧道海域進行了多道地震探測、勘察，并對物探資料進行了分析，以便順利完成隧道施工工程。

1 工程概況

遼寧大連灣海底隧道項目被稱為大連市的“超級工程”，該工程明挖暗埋隧道長為1 389.93 m。設計速度為60 km/h，雙向六車道規模，沉管法施工。沉管橫斷面尺寸為33.5 m×10.1 m，頂部覆蓋厚度為2 m 的塊石保護層。海域沉管基槽底寬約為37.5 m，深度在海床面以下為7~20 m，兩側邊坡范圍根據巖土性質確定。為保證工程設計推薦縱斷面方案的可行性，為海底隧道設計埋深提供參數和依據，需要在海域開展物探工作。

大連灣大地構造單元屬中朝準地臺內膠遼臺隆的大連-復州臺凹區。前期的工作表明，隧道工程海域段海底之下有零至十幾米厚以黏土為主的第四紀松散沉積物，沉積物下的基巖巖性為中生代輝綠巖及震旦紀板巖、灰巖及白云巖。新構造運動主要表現為區域斷塊差異抬升，據有關資料，南關嶺平面上升速率為0.054 mm/a，長嶺子上升速率為0.050 mm/a，老鐵山上升速率為0.052 mm/a等，表明該灣周圍屬于緩慢上升區。該灣之北金州七里村灰巖的斷裂溶洞中發現有后期充填的含礫棕紅色黏土，斷裂面或擠壓面擦痕發育，并見有微斷裂穿切，從而表明金州盆地第四紀仍有一定的新構造活動。該灣處于大連至金州北西向地震活動帶內，長為40 km，寬為15 km，近年一些弱小地震亦在該帶內發生，該帶地震活動水平無論是地震強度或是地震頻率皆是相對較低的，屬于弱地震活動帶。根據地質構造，尤其是新構造運動宏觀顯示，該區將來仍具備發生中強地震潛在震源區的條件。

2 海上調查

2.1 導航定位

海上定位與導航是物探信息位置正確的重要保證。此次導航定位采用美國Trimble公司的SPS351衛星/信標差分全球定位系統（Global Positioning System，GPS）（圖1），信標頻率為283.5～325.0 kHz，其靜態差分平面定位精度優于1 m，差分速度精度為5.6 cm/s。

圖1 Trimble SPS351 DGPSFigure 1.Trimble SPS351 DGPS

2.2 海上多道地震探測方法

RIOE 數字多道地震儀（圖2）是國家“十一五”國家高技術研究發展計劃（863 計劃）科研成果，采用雙CPU 主機系統，硬件平臺采用CPCI 總線。軟件平臺采用Windows、環形緩存、256 道容量，采樣間隔為0.1~2.0 ms，記錄長度為0～8 m，動態范圍為110 dB。文件記錄格式：SEG_Y、SEG_D、SEG_2。

圖2 RIOEme數字多道地震儀Figure 2.RIOEme digital multichannel seismograph

數字多道地震儀拖纜道間距為3.125 m，每段電纜長度為25 m，每道3個壓電陶瓷檢波器，每8道配有一個數字包，動態范圍大于110 dB，工作頻率為10～3 000 Hz，甲板段采用光纖傳輸。海上多道地震探測為走航式測量，測量過程中接收電纜拖曳于船只后方一側，電火花震源發射陣拖曳于船只后方的另一側。如圖2 所示，由多道電纜接收，再由采集系統進行采樣、記錄。工作過程中，控制系統利用GPS 定位數據進行定距觸發震源，同時將炮點定位信息寫入記錄文件中。多道地震勘探中的施工參數見表1。

表1 多道地震施工參數Table 1.Multi-channel seismic operation parameters

2.3 海上淺地層探測

淺地層探測的原理與多道地震探測類似，不同的是在一個接收點上只有一次地震信號覆蓋。淺地層探測震源采用荷蘭GEO-RESOURCE 公司生產的GEO-SPARK1000J 電火花震源，采集控制器為DEL‐PHWIN 系統，接收電纜采用GEO-RESOURCE 公司生產的GEOSENSE 系列8 個壓電陶瓷單元小型拖纜（圖3）。

圖3 淺地層探測系統Figure 3.Shallow detection system

海上淺地層探測為走航式測量，測量過程中接收電纜拖曳于船只后方一側，電火花震源發射陣拖曳于船只后方的另一側。測量船以4～5 節的速度沿測線航行，工作過程中，控制系統將GPS 定位信息寫入數據文件中。淺地層剖面探測施工參數見表2。

表2 淺地層剖面探測施工參數Table 2.Operation parameters of shallow profile detection

2.4 海上磁法勘探

海上磁法勘探是基于海底巖石、礦物或分布于海底的人工設施（如管線、光纜等）磁性差異引起的磁異常，通過分析異?？梢粤私夂５讟嬙旒叭斯ぴO施的分布等。海上磁法勘探使用MarineMagnetic 公司生產的SeaSPY 高精度海洋磁力儀和Sealink 數據采集系統，系統的絕對精度為0.2 nT，靈敏度為0.01 nT，最高采樣頻率為4 Hz，無航向誤差，無測量死角，無溫度漂移。海上磁法勘探采用走航式測量，測量中，SeaSPY磁力儀的探頭拖放在離船尾70 m處，約為船長（23 m）的3 倍，船速為4～7 節。信號采集系統實時接收導航系統發送的定位信號，采樣頻率為1 Hz。測量過程中值班人員記錄紙質班報。

3 物探資料綜合分析

3.1 多道地震原始炮集記錄特征

對原始炮集初步分析，認為具有以下特點：①總體上原始資料的信噪比較高；②測線兩端受航行限制以及堤壩的存在，噪聲相對比較大；③部分海底受人工改造的影響，海底崎嶇不平，對地震反射波有較大影響；④總體上基巖埋深較淺，除個別區域外，多次波影響不明顯。處理的難點表現在：目標深度較淺，對偏移處理有一定影響。

3.2 磁法資料處理的關鍵點及應對措施

磁法資料處理的關鍵點主要在于：①日變的改正；②數據的平差。對于①，我們在勘探過程中在調查區附近設置了海底日變站；對于②，我們采用了最小二乘法進行數據的平差。日變處理時將每1 min記錄間隔插值改為每10 s 記錄間隔，使其進行日變改正時更趨合理。日變基準值取航次執行期間所有磁平靜日23時的平均值，從觀測的地磁日變值中減去基值即得到該時刻的日變改正值。經過交點調差后，有效交點133個，交點均方誤差為1.874 3 nT。

4 物探資料綜合解譯

利用調查獲得的多道地震資料、淺地層剖面、磁法資料，結合測區的水深和鉆孔資料，并參考調查海域相關的區域地質、鉆孔等，對探測區內沉積物分層及厚度特征、基巖面起伏特征、基巖強風化層、不良地質構造和海底障礙物等進行分析。

4.1 第四紀沉積物厚度及分層特征

調查區沉積層厚度變化較大，為0~21 m。E7（K2+040）到E12（K2+940）的軸線通道區內，沉積層厚度較大（大于15 m）；在防浪堤的北部，為沉積層厚度最大處；在軸線通道區的兩端沉積物厚度整體變化趨勢是靠近陸地，厚度變??；在軸線北端，基巖裸露出海底，應該是人工開挖的結果；海底整體起伏不大，較為平滑。

4.2 沉積物分層特征

（1）T0、T1 反射界面。T0 反射界面：起伏變化不大，大部分較平滑，防浪堤以北較以南區域起伏小，起伏明顯處可能與人工作業有關；局部基巖出露，分析應為人工開挖結果。T1 反射界面：較強反射界面，絕大部分地區有分布，較連續，起伏變化不大，埋深為0~9 m。

（2）層Ⅰ、層Ⅱ。層Ⅰ為反射界面T0和T1之間的地層。測區內大部分地區有分布，局部缺失（在測區的東北部，應該是人工開挖的原因），厚度為0~9 m。根據反射特征并結合測區內鉆孔資料推測分析，層Ⅱ為淤泥質粉質黏土，流塑狀態，含生物貝殼。在該層靠近防浪堤的位置，頂層可見強反射層序，能量強，規則反射，根據鉆孔資料確定非人工拋棄物，結合多波束海底地形，確定該反射應該是該位置海底面較為粗糙的緣故。介于T1 和基巖面之間的層Ⅱ，反射特征近似層Ⅰ，反射能量較弱，亞平行反射結構，測區內大部分地區有分布，局部缺失（缺失存在兩個原因：一是原本區域缺失；二是人工開挖），厚度為0~8 m。

4.3 基巖面埋深變化

利用地震資料拾取了基巖頂面的反射時間，取沉積物平均縱波波速Vp為1 600 m/s，并利用實測水深資料進行校正，獲得軸線通道區內基巖頂面標高。在軸線的東北區域，基巖出露，起伏變化并出現雜亂反射，推測是人工挖掘的結果。

4.4 不良地質現象

4.4.1 斷層

金州斷裂（F5 斷裂）延伸至海陸交界。開展多道地震和淺地層剖面勘察，主要目的之一是查明區域斷裂構造，以期為隧道工程設計提供翔實可靠的地質資料。前人在該海域做過相關的構造研究極少，根據《活動斷層勘測方法》（DB/T 15—2009）中斷點的識別方法，在所得的所有剖面中基巖面（Tg）以上地層中均未發現明顯斷點。

4.4.2 風化層

強風化層是基巖巖體受風化作用影響較強的部分，巖體破碎且完整性差，與中風化—未風化巖石相比具有較低的縱波波速（Vp=1 000～2 500 m/s），因此其底界也是一個波阻抗界面，但由于基巖頂面已反射了大部分地震波的能量，因此強風化層的底界并不像基巖頂面那樣清晰?？傮w上強風化層表現為雜亂反射，橫向上厚度變化較大，其下部通常為不規則強反射。中風化層較強風化層受風化作用稍弱，縱波波速稍高。然而，當現代海底受人為擾動時（如人工挖掘），崎嶇的海底對地震反射波有較強的散射作用，造成基巖面和風化層不易識別。

4.4.3 巖溶（溶洞）

根據地震剖面并結合鉆孔分析得到：該區域基巖巖溶較為發育，結合以前的研究，也證實了這一點。在施工過程中可能會造成一系列的質量安全事故，因此在施工開展之前和施工過程中都應加以重視，設計適合的施工方法及技術。

5 結束語

綜上所述，海域物探可進一步了解海域工程范圍內松散沉積物厚度、基巖埋深、不良地質構造及海底障礙物等工程地質條件，為海底隧道設計埋深提供參數和依據。物探結果表明：海底整體較為平滑，基巖面能量強、連續性較好、起伏較大，風化程度存在差異，區域分布較大范圍的石灰巖，巖溶分布較為普遍。綜合應用物探方法，在第四系覆蓋層劃分以及基巖面判定方面將更加準確、科學。