上海隧道工程有限公司 上海 200032
摘要：本文针对海底盾构隧道工程施工作业中的孤石问题，首先介绍了我国第一条海底盾构隧道的工程背景和孤石对于盾构法施工作业的影响，进而阐述了孤石探测技术原理与设备，以及孤石探测地震数据处理技术。依托马骝洲隧道为横琴岛的第三条交通通道，对其海域孤石进行了成功探测，给出了孤石存在的位置和大小，并提出了合理的处理方案，可为类似工程提供技术参考。
关键词：超大直径盾构隧道；孤石探测；盾构掘进；海域环境
近年来，在复杂地层中盾构隧道的施工遇到的困难越来越大，经常会遇到球状风化体，即所谓的孤石，这是岩体风化过程中所特有的地质特征。由于孤石的存在，且其形状、大小和强度 较大，盾构机一般难以将孤石破碎，在施工推进过程中，这不仅会造成掘进的困难，而且会产生盾构机刀盘、刀具的严重磨损，同时对盾构机穿越的地层造成的扰动极大，严重地影响了盾构隧道工程施工的安全和施工进度。因此，目前较为有效的办法就是对盾构隧道工程中可能的孤石进行超前探测，进而采取合理的处理措施，以确保盾构施工推进的安全。
1 工程背景
马骝洲隧道为横琴岛的第三条交通通道，穿越马骝洲水道。隧道长约600m，直径约15m，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。隧道埋深范围内存在孤石，影响盾构法施工。为查清隧道通过地段的地层、基岩及孤石的分布，采用地震散射勘探技术进行水上地震勘探，为隧道安全施工提供科学依据。
隧道穿越马骝洲水道的长度为400m，里程EK2+440至EK2+840。水道内有停泊有输沙船，实际勘探范围为300m，里程为EK2+520至EK2+820，以隧道为中心宽度60m，覆盖面积300m×60m。勘探区北侧水深最浅为1.3m，南侧水深3.5m，中部最深6.8m。水道内运输繁忙，来往船只不断，海水流速较快，超过1m/s。勘探区位置与工况如图1所示。
（a）探测位置 （b）位置航拍图
图1 探测区位置图
盾构推进过程中，孤石对其影响极大，必须对其进行超前探测，马骝洲隧道海上勘探采用SSP地震散射技术进行孤石探测。
2 孤石探测技术原理与设备
2.1地震散射勘探技术原理
前已述及，马骝洲隧道海上勘探采用SSP地震散射技术，它是在地震反射基础上发展起来的新技术。它建立在非均匀地质模型基础上，综合利用反射与散射地震数据，对地质结构进行精细成像，比较适合任何复杂的地质条件。地震散射技术最突出优点就是能同时提供地质界面图像和岩土波速分布图像。后者可反映介质的力学性状，并可作为对判断岩土介质属性和工程类别的可靠依据。根据波速图像中的高速异常解释孤石、注浆体，低速异常解释岩溶、空洞的分布。水上地震散射勘探使用电火花震源激发地震波，地震波向地下传播遇到地层界面与孤石等波速异常体时，产生反射与散射波。通过在水面布置的检波器电缆接收反射与散射波，经处理确定地质结构、孤石的位置与形态。
图2 地震散射技术原理示意
地震散射勘探采用小排列接收系统，排列的长度为勘探深度的1/3-1/2，目的是提高对地质结构横向变化的分辨率。该技术的特点是分辨率高，适用性广，包括均匀地层与变化剧烈的复杂地质结构与孤立体。同时提供地质界面与岩土波速两类物理量的分布图像，便于综合解释。波速可作为判断岩土介质力学特性的依据，对岩溶、孤石、注浆体、采空区等疑难地质对象的识别提供依据。本研究的探测中是通过高速异常识别孤石的位置。数据采集方式如图2所示。
2.2地震散射勘探仪器设备
地震散射勘探采用北京同度工程物探技术有限公司生产的32道地震仪、32通道检波电缆、2.5万焦耳的电火花震源和中海达的GPS定位系统。
1）地震仪主要技术指标：
通道数：32道；采样动态：24位A/D；采样频率：156kHz/ch；
2）检波电缆技术指标：
通道数：32道；频带：20Hz-16KHz，变间距：0.5m（前16道）、1.0m（后16道）
c） 电火花震源及技术指标：
型号：TD-SPARKER 25
储能：25KJ； 频带：10Hz-4000Hz；供电：3相380V发电机，7.5KVA。
d）GPS 定位系统，
生产厂商：中海达；型号：H32 GNSS RTK;
主要技术性能：通道数：220通道；定位精度：水平8mm, 垂直15mm；数据输出率：1-50HZ。
3 孤石探测地震数据处理
地震数据处理技术是地震散射勘探技术的核心。数据处理流程包括滤波、波速分析、合成孔径偏移成像等三个环节，体现了散射地震与反射地震技术的主要区别。
3.1滤波技术与处理
滤波技术分一维滤波与二维滤波技术，他们的差别在于处理的对象不同。本文地震数据的处理主要使用双曲Radon滤波技术。图3即为对地震记录进行双曲Radon滤波的结果。从图中可以看出多次波、水流撞击噪声等干扰都统统被滤除干净。
图3 双曲滤波后的地震记录
3.2波速分析技术与三维速度结构
地震散射的波速分析技术是以小排列共炮点记录为基础的。通过Radon变换将时间-空间域地震记录变换到时间-速度域，直接获取反射层的双程时与平均波速。经反演得到反射层埋深与地层的波速分布。
波速分析的流程如下：
1)对共炮点记录走时进行修正；
2)对修正后时间-空间(t-x)数据进行Radon变换，变换到时间-速度域(τ-v)，其中τ的含义是双程时；
3)拾取（τ-v）平面的能量极值点，构建平均速度曲线；
4)由平均速度曲线反演出界面深度与层速度.
3.3合成孔径偏移成像与三维地质结构
地震散射勘探技术的偏移成像采用合成孔径技术，这不同于反射地震的CDP叠加技术。合成孔径成像的物理量是散射强度，也即反射系数。它是以滤波后的地震记录和波速分布为基础完成的，是空间域的物理图像。本次勘查是采用二维数据采集方式，地震偏移剖面只能以剖面形式实现，完成纵向31条剖面，间距2m。波速为三维数据结构,支持纵向、横向与水平向切片。
4 孤石探测成果
本次勘探区长300m、宽60m，起始里程EK2+520---EK2+820。勘探深度大于120m，数据处理保留深度60m。地震勘探的主要成果是构建了测区的地层剖面和三维波速数据库。在三维数据库的基础上，完成了沿隧道轴向的31条剖面，间距2m；垂直隧道轴向的301个横截面，间距1m； -25m到-40m高程的16个水平切片，间距1m。
从三维速度结构数据中切取纵向、横向和水平切片，从三个不同的方位对孤石的形态进行剖析，对1m以上的孤石进行筛选。水平切片反映不同深度上孤石的平面位置和尺度大小，宏观效果较好。纵、横切片反映孤石的垂向断面形态，特别是横截面对展现孤石与隧道的关系更为直观。三组剖面是从同一数据结构中获得的，结果是一致的，只是视角不同。孤石是强风化层中残留的中风化岩体，在波速切片中表现为高波速异常。由于风化程度的差异，孤石的硬度是不同的，与硬度相关的波速也是不同的。波速2400m/s、2500m/s可以作为判定孤石的标准，它们代表的孤石的硬度是不同的。这里以最低硬度作为统计的基础，硬度越高孤石越少。探测结果如表1所示。
表1 孤石位置参数表
5 结语
在海底盾构隧道掘进工程中，极易遇到孤石等不良地质条件，导致盾构掘进施工无法正常进行。因此，在含孤石等障碍物地层中进行施工时，必须采用超前探测对孤石的位置和大小进行精确探测，进而提出合理的破碎方案，确保盾构施工顺利进行，提高海底盾构隧道施工的安全度和效率，本文成功实现的地震散射勘探SSP技术可为类似工程提供参考。
参考文献：
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[3]祁世亮．隧道孤石处理技术应用研究［J］．隧道建设， 2010， 30( 1)：110－113．
论文作者:程海涛
论文发表刊物:《基层建设》2018年第21期
论文发表时间:2018/8/13
标签：波速论文; 盾构论文; 隧道论文; 技术论文; 地质论文; 工程论文; 剖面论文; 《基层建设》2018年第21期论文;