地震散射技术在珠海横琴隧道海底孤石勘探中的应用

珠海横琴隧道为横琴岛的第三条交通通道，穿越马骝洲水道，水深6m。隧道长约600m，直径约15m，最大埋深34m，双线盾构法施工。前期工程地质勘探结果表明，隧址区浅部为海相沉积，下部基岩为花岗岩，埋深在38-40m左右。工程勘察中发现隧道埋深范围内存在孤石，隐伏于强风化层中，影响盾构法施工。需要查清直径2m以上的孤石与基岩突起的分布。

水上震源 水听器

于是，利用同度物探的地震散射技术，地震散射采用小排列，每次激发都可得到炮点的垂直速度剖面。只要有GPS定位，就可以进行反复航行采集，直至炮点密度达到设计要求。联合所有炮点数据，即可组成测区的三维数据结构。同度物探本次勘探区沿隧道轴向长400m，横向60m。炮点间距轴向1m，横向2m，测点网格状布置。使用24道水听器，间距0.5m，偏移据1m。使用3万焦耳电火花震源，共采集10400炮记录。有效勘探深度超过80m。采集方式如图2所示。

图1 海上孤石勘探区位置

图2 水上地震散射数据采集方式

海底孤石的勘探

经过数据处理，生成勘探区三维波速分布与地质界面分布的数据结构。数据在隧道轴线方向点距1m，横向方向点距2m，垂直方向点距0.5m。该三维数据结构支持水平、纵向、横向切片分析。

1、测区基岩与孤石高程的分布

根据勘探得到的300m×60m×60m三维速度结构，取出波速达到2400m/s的最浅埋深数据，绘制成基岩高程图（图3）。其中红色埋深最浅，不到30m，其次为黄色，蓝色、深蓝色埋深大。图中多数地域基岩埋深在38-40m。红黄色的基岩突起与孤石只是零星分布，主要集中在测区内的左侧隧道。

图3 测区基岩与孤石高程分布图

2、隧道纵断面地质界面与波速分布图

从三维波速结构与偏移数据中，沿隧道轴向做垂向切片，获得地质界面和波速分布图纵断面图（图4a，4b），长300m，深60m。图4a为偏移图像，反映地层、基岩的界面形态，埋深30m以内，界面近水平层状，反应海相沉积特点；30m以下界面起伏较大，反应基岩的形态特征；

图4a 隧道轴向偏移成像剖面

图4b为波速分布图像，红色为高波速，波速高于2400m/s, 对应中风化基岩与孤石；蓝色为低波速, 1450m/s，海水和淤泥；浅部30m内基本为波速低于1800m/s的海相沉积；30-40m深度为中等波速（1800-2400m/s）的全风化与强风化层。40m以下为红色的、波速高于2400m/s的中等风化岩。在强风化岩中存在波速高于2400m/s的异常体，为孤石与基岩突起。

图4b 隧道轴向波速分布剖面

3、水平切片与孤石位置

水平切片能直观地反映孤石的平面位置，这里选择埋深33m的水平切片（图5）。图中红色表示的波速高于2400m/s的孤石与基岩突起；棕褐色表示波速为2000-2400m/s，强风化岩；黄色为波速1800-2000m/s的全风化与黏土。图中黑色椭圆曲线表示隧道的交线，由此可直观地发现与隧道有关的孤石的位置，并进行了编号统计，发现多数孤石分布在左侧隧道位置。

图5 埋深33m的波速水平切片与孤石位置

4、横切片中隧道与孤石的关系

沿隧道里程每米得到1幅波速横切片，其中用黑色标示出了隧道的截面位置。红色为波速高于2400m/s的岩体，包括基岩突起与孤石。这里选择3幅基岩突起与隧道相交截面，展示隧道与孤石的关系（图6）。图中的形态说明大部分所谓的孤石，其实是基岩突起，是有根的，并不是传统意义上的飘石。

图6 波速横切片中的隧道与孤石

勘探发现与隧道有关的孤石与基岩突起26处，其中直径大于3m的9处。这些结果指导了孤石处理工作。对孤石进行爆破处理，共完成钻孔2426个。证实物探与钻探的吻合率达到90%，平均深度误差在1m以内。