王冬
（山东省鲁南地质工程勘察院，山东济宁 272100）
地球物理勘探是海底隧道工程勘探的一个重要手段，具有快速、准确、无损等特点［1-3］,由于其是针对地质体物理场的探测，在一定程度上弥补了传统地质钻探对勘探区地质宏观揭露的不足［4-6］。一些大型海域项目的工程预可行性、可行性研究阶段，都需要初步了解海底地层分布情况，在现代大型重点工程的设计和施工中，工程物探技术开始广泛应用。本文以大连湾海底隧道为背景，采用物探技术对海底隧道海域进行了多道地震探测、勘察，并对物探资料进行了分析，以便顺利完成隧道施工工程。
辽宁大连湾海底隧道项目被称为大连市的“超级工程”，该工程明挖暗埋隧道长为1 389.93 m。设计速度为60 km/h，双向六车道规模，沉管法施工。沉管横断面尺寸为33.5 m×10.1 m，顶部覆盖厚度为2 m 的块石保护层。海域沉管基槽底宽约为37.5 m，深度在海床面以下为7~20 m，两侧边坡范围根据岩土性质确定。为保证工程设计推荐纵断面方案的可行性，为海底隧道设计埋深提供参数和依据，需要在海域开展物探工作。
大连湾大地构造单元属中朝准地台内胶辽台隆的大连-复州台凹区。前期的工作表明，隧道工程海域段海底之下有零至十几米厚以黏土为主的第四纪松散沉积物，沉积物下的基岩岩性为中生代辉绿岩及震旦纪板岩、灰岩及白云岩。新构造运动主要表现为区域断块差异抬升，据有关资料，南关岭平面上升速率为0.054 mm/a，长岭子上升速率为0.050 mm/a，老铁山上升速率为0.052 mm/a等，表明该湾周围属于缓慢上升区。该湾之北金州七里村灰岩的断裂溶洞中发现有后期充填的含砾棕红色黏土，断裂面或挤压面擦痕发育，并见有微断裂穿切，从而表明金州盆地第四纪仍有一定的新构造活动。该湾处于大连至金州北西向地震活动带内，长为40 km，宽为15 km，近年一些弱小地震亦在该带内发生，该带地震活动水平无论是地震强度或是地震频率皆是相对较低的，属于弱地震活动带。根据地质构造，尤其是新构造运动宏观显示，该区将来仍具备发生中强地震潜在震源区的条件。
2.1 导航定位
海上定位与导航是物探信息位置正确的重要保证。此次导航定位采用美国Trimble公司的SPS351卫星/信标差分全球定位系统（Global Positioning System，GPS）（图1），信标频率为283.5～325.0 kHz，其静态差分平面定位精度优于1 m，差分速度精度为5.6 cm/s。
图1 Trimble SPS351 DGPSFigure 1.Trimble SPS351 DGPS
2.2 海上多道地震探测方法
RIOE 数字多道地震仪（图2）是国家“十一五”国家高技术研究发展计划（863 计划）科研成果，采用双CPU 主机系统，硬件平台采用CPCI 总线。软件平台采用Windows、环形缓存、256 道容量，采样间隔为0.1~2.0 ms，记录长度为0～8 m，动态范围为110 dB。文件记录格式：SEG_Y、SEG_D、SEG_2。
图2 RIOEme数字多道地震仪Figure 2.RIOEme digital multichannel seismograph
数字多道地震仪拖缆道间距为3.125 m，每段电缆长度为25 m，每道3个压电陶瓷检波器，每8道配有一个数字包，动态范围大于110 dB，工作频率为10～3 000 Hz，甲板段采用光纤传输。海上多道地震探测为走航式测量，测量过程中接收电缆拖曳于船只后方一侧，电火花震源发射阵拖曳于船只后方的另一侧。如图2 所示，由多道电缆接收，再由采集系统进行采样、记录。工作过程中，控制系统利用GPS 定位数据进行定距触发震源，同时将炮点定位信息写入记录文件中。多道地震勘探中的施工参数见表1。
表1 多道地震施工参数Table 1.Multi-channel seismic operation parameters
2.3 海上浅地层探测
浅地层探测的原理与多道地震探测类似，不同的是在一个接收点上只有一次地震信号覆盖。浅地层探测震源采用荷兰GEO-RESOURCE 公司生产的GEO-SPARK1000J 电火花震源，采集控制器为DEL‐PHWIN 系统，接收电缆采用GEO-RESOURCE 公司生产的GEOSENSE 系列8 个压电陶瓷单元小型拖缆（图3）。
图3 浅地层探测系统Figure 3.Shallow detection system
海上浅地层探测为走航式测量，测量过程中接收电缆拖曳于船只后方一侧，电火花震源发射阵拖曳于船只后方的另一侧。测量船以4～5 节的速度沿测线航行，工作过程中，控制系统将GPS 定位信息写入数据文件中。浅地层剖面探测施工参数见表2。
表2 浅地层剖面探测施工参数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岩石、矿物或分布于海底的人工设施（如管线、光缆等）磁性差异引起的磁异常，通过分析异常可以了解海底构造及人工设施的分布等。海上磁法勘探使用MarineMagnetic 公司生产的SeaSPY 高精度海洋磁力仪和Sealink 数据采集系统，系统的绝对精度为0.2 nT，灵敏度为0.01 nT，最高采样频率为4 Hz，无航向误差，无测量死角，无温度漂移。海上磁法勘探采用走航式测量，测量中，SeaSPY磁力仪的探头拖放在离船尾70 m处，约为船长（23 m）的3 倍，船速为4～7 节。信号采集系统实时接收导航系统发送的定位信号，采样频率为1 Hz。测量过程中值班人员记录纸质班报。
3.1 多道地震原始炮集记录特征
对原始炮集初步分析，认为具有以下特点：①总体上原始资料的信噪比较高；
②测线两端受航行限制以及堤坝的存在，噪声相对比较大；
③部分海底受人工改造的影响，海底崎岖不平，对地震反射波有较大影响；
④总体上基岩埋深较浅，除个别区域外，多次波影响不明显。处理的难点表现在：目标深度较浅，对偏移处理有一定影响。
3.2 磁法资料处理的关键点及应对措施
磁法资料处理的关键点主要在于：①日变的改正；
②数据的平差。对于①，我们在勘探过程中在调查区附近设置了海底日变站；
对于②，我们采用了最小二乘法进行数据的平差。日变处理时将每1 min记录间隔插值改为每10 s 记录间隔，使其进行日变改正时更趋合理。日变基准值取航次执行期间所有磁平静日23时的平均值，从观测的地磁日变值中减去基值即得到该时刻的日变改正值。经过交点调差后，有效交点133个，交点均方误差为1.874 3 nT。
利用调查获得的多道地震资料、浅地层剖面、磁法资料，结合测区的水深和钻孔资料，并参考调查海域相关的区域地质、钻孔等，对探测区内沉积物分层及厚度特征、基岩面起伏特征、基岩强风化层、不良地质构造和海底障碍物等进行分析。
4.1 第四纪沉积物厚度及分层特征
调查区沉积层厚度变化较大，为0~21 m。E7（K2+040）到E12（K2+940）的轴线通道区内，沉积层厚度较大（大于15 m）；
在防浪堤的北部，为沉积层厚度最大处；
在轴线通道区的两端沉积物厚度整体变化趋势是靠近陆地，厚度变小；
在轴线北端，基岩裸露出海底，应该是人工开挖的结果；
海底整体起伏不大，较为平滑。
4.2 沉积物分层特征
（1）T0、T1 反射界面。T0 反射界面：起伏变化不大，大部分较平滑，防浪堤以北较以南区域起伏小，起伏明显处可能与人工作业有关；
局部基岩出露，分析应为人工开挖结果。T1 反射界面：较强反射界面，绝大部分地区有分布，较连续，起伏变化不大，埋深为0~9 m。
（2）层Ⅰ、层Ⅱ。层Ⅰ为反射界面T0和T1之间的地层。测区内大部分地区有分布，局部缺失（在测区的东北部，应该是人工开挖的原因），厚度为0~9 m。根据反射特征并结合测区内钻孔资料推测分析，层Ⅱ为淤泥质粉质黏土，流塑状态，含生物贝壳。在该层靠近防浪堤的位置，顶层可见强反射层序，能量强，规则反射，根据钻孔资料确定非人工抛弃物，结合多波束海底地形，确定该反射应该是该位置海底面较为粗糙的缘故。介于T1 和基岩面之间的层Ⅱ，反射特征近似层Ⅰ，反射能量较弱，亚平行反射结构，测区内大部分地区有分布，局部缺失（缺失存在两个原因：一是原本区域缺失；
二是人工开挖），厚度为0~8 m。
4.3 基岩面埋深变化
利用地震资料拾取了基岩顶面的反射时间，取沉积物平均纵波波速Vp为1 600 m/s，并利用实测水深资料进行校正，获得轴线通道区内基岩顶面标高。在轴线的东北区域，基岩出露，起伏变化并出现杂乱反射，推测是人工挖掘的结果。
4.4 不良地质现象
4.4.1 断层
金州断裂（F5 断裂）延伸至海陆交界。开展多道地震和浅地层剖面勘察，主要目的之一是查明区域断裂构造，以期为隧道工程设计提供翔实可靠的地质资料。前人在该海域做过相关的构造研究极少，根据《活动断层勘测方法》（DB/T 15—2009）中断点的识别方法，在所得的所有剖面中基岩面（Tg）以上地层中均未发现明显断点。
4.4.2 风化层
强风化层是基岩岩体受风化作用影响较强的部分，岩体破碎且完整性差，与中风化—未风化岩石相比具有较低的纵波波速（Vp=1 000～2 500 m/s），因此其底界也是一个波阻抗界面，但由于基岩顶面已反射了大部分地震波的能量，因此强风化层的底界并不像基岩顶面那样清晰。总体上强风化层表现为杂乱反射，横向上厚度变化较大，其下部通常为不规则强反射。中风化层较强风化层受风化作用稍弱，纵波波速稍高。然而，当现代海底受人为扰动时（如人工挖掘），崎岖的海底对地震反射波有较强的散射作用，造成基岩面和风化层不易识别。
4.4.3 岩溶（溶洞）
根据地震剖面并结合钻孔分析得到：该区域基岩岩溶较为发育，结合以前的研究，也证实了这一点。在施工过程中可能会造成一系列的质量安全事故，因此在施工开展之前和施工过程中都应加以重视，设计适合的施工方法及技术。
综上所述，海域物探可进一步了解海域工程范围内松散沉积物厚度、基岩埋深、不良地质构造及海底障碍物等工程地质条件，为海底隧道设计埋深提供参数和依据。物探结果表明：海底整体较为平滑，基岩面能量强、连续性较好、起伏较大，风化程度存在差异，区域分布较大范围的石灰岩，岩溶分布较为普遍。综合应用物探方法，在第四系覆盖层划分以及基岩面判定方面将更加准确、科学。
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