地震反射波CDP叠加技术在台山核电海域花岗岩孤石探测中的应用

刘宏岳，梁奎生，段建庄

(1.福建省建筑设计研究院，福州 350001;2.中铁隧道股份有限公司，郑州 450000)

0 引言

拟建的台山核电站位于台山市赤溪镇腰古村的腰古咀，核电站1号和2号机组取水隧洞位于陆域腰古咀至大襟岛之间的海域中，隧洞全长4 330.6 m，其两端有陆域侧工作井及大襟岛侧工作井各1座。取水隧洞为双洞取水方式，开挖洞径为9.03 m，隧洞埋深为11～29 m，两洞中线间距29.2 m，隧洞两端部分岩石段采用钻爆法施工，其余段落(海底取水隧洞的主体)拟盾构法施工。

隧洞工程勘察中发现隧洞沿线有风化残留体发育、多条断层穿过，可能影响或严重影响盾构法施工。为了有的放矢地解决这一问题，减少施工过程中的不可预见因素，需对取水隧洞沿线，特别是海域区段进行风化残留体及基岩顶面、断层探测，尤其以风化残留体探测为重点，以确定其沿线的发育情况及存在状态，为盾构法施工规划和适当施工措施的确定提供依据。

取水隧洞洞身范围若存在直径大于1 m的球状风化物时，将对盾构掘进的安全施工及工期控制产生极大的风险，如不能很好地解决孤石问题，将可能严重影响海底盾构隧洞工程的施工。在盾构掘进前，应尽可能地探查清楚掘进区域的大直径球状风化物的赋存情况，以便尽早采取措施进行清除或制定穿越该处的方案。本次物探勘查方案以勘查隧洞洞身范围内是否存在孤石和球状风化物为主，并对基岩面(中风化顶面)进行判识，提出对盾构施工的不利地段［1－3］。

物探方法有重力法、磁法、电法、地震法、核磁共振法、地质雷达法和地球物理测井法等。要解决这项难度大、要求高的地质问题，物探方法的选择和施工工艺的确定尤为重要。只有选择行之有效的物探方法并恰当地确定施工方法和工艺，才能确保取得客观反映地质情况的信息，获取真实有效的原始资料，也才能为后续的数据处理及综合解释奠定牢固的基础。

根据上述特点及要解决问题的实际情况，在海域，由于海水具有良好的导电性(电阻率≤0.2 Ω·m)，电、磁信号在传播过程中被海水吸收而衰减极快，重力法适合于探测深部构造，相对而言地震波法要优于其他方法，并且便于实施，是一种有效的方法。

另外，由于本工程拟探测的目标体相对较小，这就需要高频、高密度地震波作为探测的主要方法和手段。从以上讨论可知，水上高频、高密度多次覆盖地震反射波勘探法是本项工程海域物探方法的最优选择。

1 地震反射波多次覆盖CDP叠加技术介绍

多次覆盖技术又称之为水平多次叠加，也称为共反射点(CDP)叠加。在地震反射波勘探技术中，多次覆盖技术的地位和作用是其他技术所不能比拟的。多次覆盖即是将不同激震点、不同接收点上接收的来自相同反射点的地震反射信号，经过动校正后叠加起来，得到同一个反射点的叠加值。图1为1个共深度点(CDP)道集产生的叠加记录。CDP道集是由不同偏移距的若干炮检对在不同共深度点产生的记录共同组成的(见图1(a));在时间与偏移距坐标系中显示收集的所有记录(见图1(b))，其中水平反射层的反射波形状为1条双曲线;利用叠加速度或偏移距与时间的关系，将反射波校正到水平同相轴，并通过叠加(见图1(c))或累计产生1个单独的记录，其信噪比要高于所有原始记录。多道多次覆盖CDP叠加技术在地震反射波勘探技术中具有里程碑的意义［4－5］。

覆盖次数取决于每次激震时接收点的数量和激震点间距，对于单边激震而言，覆盖次数n=N/2d(N为采集记录地震道数，d为激发炮点间距)。多道多次覆盖CDP叠加技术水域地震反射波勘探是本工程的关键方法技术。与单道地震对比，多次CDP覆盖具有如下显著特点(优势)［6－7］。

1)使有效信号得到增强。理论上在保持完全同相叠加时，信噪比可提高倍。

2)能提高横向分辨率。在单道地震剖面中，地层反射点的间距与炮点激发的间距相同，取决于船速与震源激发时间间隔。本工程要求探测直径≥1 m的异常孤石，技术上要求0.5 m范围内至少要有1个反射点。例如:如果激发间隔为1 s，船速按3节来计算，即以0.5×3=1.5 m的间隔扫描，则＜1.5 m的目标体会漏掉;如果激发间隔＞1 s，如4 s时其扫描间隔为6 m，则＜6 m的目标体则会漏掉，由此可以判定单道地震无法达到本工程的探测要求。若采用24道小道间距(0.5 m)观测系统装置，以船行速度1.5 m/s计算，对同一点则有8次的扫描即8次CDP覆盖;同时，由于孤石大小不一，埋深不一，最佳的偏移距离也不一，所以可以根据信号的明显程度组成剖面，而且这种扫描构成多次重复，有利于孤石探查。

图1 1个共深度点(CDP)道集产生的叠加记录Fig.1 Stacked trace from a single CDP gather

3)能同时反映不同深度的地层信息。从地震反射波在界面处的反射能量分配看，偏移距不同则反射系数存在差异［8］，较浅地层要用较小的偏移距，较深的地层要用相对大的偏移距。单道地震采用同一偏移距不能清楚地同时反映从上到下不同深度的地层信息。多道采集则很好地克服了此问题。

4)能对多次波和噪声信号抑制或有效消除。多道采集有比较完整成熟的消除随机噪音和规则干扰噪音的理论和算法程序。此外，多道采集信号的时间序列中隐含着地震波传播速度这一参数的信息，可提取速度谱，用于水平叠加、偏移归位等。

水域走航式地震反射波方法由于工作船的航速受发动机马力、海水流速、涨落潮、风向、驾驶技术等影响，不可能保持恒定的速度，实际作业中速度基本上为1.2～1.5 m/s;震源激发点距取决于船速和震源船冲击间隔时间，震源船冲击间隔时间保持1 s，炮点距为1.2～1.5 m，不同测线或同一测线不同里程段炮点距有所不同。因此，本工程采用准CDP叠加方法，即抽取小面元的来自不同激震点、不同接收点上接收的反射地震信号进行叠加。实际工作中按1 m/0.5 m面元叠加，普查阶段(道间距1 m)CDP覆盖次数为16～20次，详查阶段(道间距0.5 m)覆盖次数为20～24次。

2 关键技术因素分析

2.1 震源频率及分辨率

2.1.1 纵向分辨率

纵向分辨率取决于地震波的波长。实际工作中，地震波的最大分辨率为λ/4(λ为波长)，要探测1 m以上的隐伏地质体，需λ≤4 m;但考虑到地质体的不规则性和异常体的上、下界面的有效揭露，选λ/4≤0.5m，即 λ≤2.0 m。

隧洞穿越的岩土层纵波平均速度为1 500～1 800 m/s，地震反射波探测地质体的能力(分辨率)取决于地震波的波长。波长与震源的频率及岩土层的纵波速度关系为

如果取v=1 600 m/s，以震源的主频f=800 Hz计算(选择的震源频率应满足探测1m以上隐伏地质异常体的要求)，则由(1)式可求得地震波的波长λ=2.0m，肉眼可见分辨率为λ/2。

需要说明的是，不同频率的震源对地层的穿透能力是不同的。低频穿透能力强，但分辨率低;高频分辨率高，但穿透能力差。因此，地震波的震源必须有一定合理的频率范围，满足本工程既要有一定的穿透土层能力，又要保证较高的分辨率的要求。

2.1.2 横向分辨率

地震波的传播规律和几何光学极为相似，波在传播过程中，当遇到弹性分界面或者岩性突变点时会产生反射、绕射、折射和透射，接收并处理不同的波就构成了不同的地震勘探方法。弹性波在传播过程中，当遇到地层尖断点(如尖灭、断层)或者异常体(如夹杂物、孔洞和裂隙等)尺寸小于菲涅尔半径时，就会像光学中的衍射一样，这些介质性质突变点将产生波的绕射。根据惠更斯原理，地震中地面上检波点收到的信号应视为反射面上各二次震源发出的振动之和，这说明反射波并不是来自反射面上的某一点，而是一个面积上的贡献。当入射波前与反射面相交形成反射时，波前面相位差在λ/4以内的那些点所发出的二次振动将在接收点形成相长干涉，使接收的能量加强，而在该区之外各点发出的二次振动则互相抵消，所以该区是产生反射的有效面积，被称为“第一菲涅尔带”，同时也是确定反射波横向分辨率的标准。设界面深度为h，地层为各向同性弹性介质波波速为v，地震波主频为fc，采用自激自收方式其双程走时为t，当地震波波长远小于界面深度时，通过推导可以得出“第一菲涅尔带”半径

由式(2)可以看出，反射波横向分辨率的高低取决于深度、速度和信号频率，速度愈小、深度愈浅(或双程时愈短)、频率愈高则分辨率越高，反之则越低。

理论上在均匀介质中的一个异常地质体，地震反射波剖面中会出现绕射或散射现象［9］。图2为均匀介质中异常地质体绕射现象正、反演模型。模型反映了不考虑噪音情况下均匀介质中异常地质体的绕射现象。上部介质纵波速度v=1 500 m/s，界面深度为50 m。在剖面中部有一绕射体，截面积为1 m×1 m，其中心坐标位置为(60，30)，在地表观测时可近视为一个绕射点。选用24道多次覆盖接收方式观测系统进行模拟，道间距2m，信号记录设置采样周期为200 μs，记录样点数为1 024。信号接收只考虑直达波、反射波和散射波。

图2 均匀介质中异常地质体绕射现象正、反演模型Fig.2 Forward and inversive models of diffraction of small geologic body in homogeneous medium

2.2 震源选择

目前国内常见的水域浅层地震勘探震源主要有电火花震源和浅剖仪震源。电火花震源是利用电容中储存的高压电能通过在水中电极间隙进行瞬时放电而激发地震波装置;但受电容容量的限制，小容量的电火花震源放电时间间隔较长，而浅剖仪震源的发射频率较高，穿透深度有限。本工程要求震源有一定的穿透深度、较高的分辨率、激发间隔短，以保证有较多的覆盖次数。因此，震源采用气动机械声波水域高分辨率浅层地震勘探连续冲击震源［10］(获国家发明专利，专利号ZL 2008 1 0071271.0)。本震源主频为300～2 000 Hz，频带宽，各频率成分的能量分布较均匀，余震衰减快，能量适中，脉冲特性好，激发频率相当于40in3气枪或1 000 J电火花震源，不受水深影响，对海洋生态及环境保护有利，特别适合各类浅海和滩海过渡带浅地层剖面探测。震源激发时间可调，最小可达1.0 s，递增时间间隔为0.1 s，冲击时间间隔的调整灵活方便。

2.3 观测系统

在本次水域物探工作中，采用水域走航式地震反射波方法。接收采用24道水上漂浮电缆，普查阶段道间距1 m，详查阶段道间距0.5 m。地震仪采用SWS－6地震勘探系统。导航定位仪器采用双频RTKGPS，RTK－GPS接收机载波相位差分能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。实际工作中电缆会有一定的漂移，与水流、航向有关，作业时选择海况好的时间段进行测试，同时增加测线密度，在洞身范围内有足够的测线覆盖，弥补电缆漂移造成的不足。

3 数据处理与成果解释

3.1 数据处理

水域地震反射波地震数据处理按标准流程进行［8，11］，主要数据处理流程如下。

1)数据处理。解编—动平衡记录时间补偿—坏道剔除—频谱分析—滤波—速度分析—抽道集—噪音处理—反褶积—滤波—动校正—CDP叠加—多次波消除—偏移—深度衰减补偿—长PCX文件制作—绘制彩色反射波时间剖面图。

2)计算各地震道坐标、距离。航迹归一—地震道号与坐标对应点输入—计算各道坐标、各道坐标投影到隧洞轴线或设计线上—计算偏离轴线距离—插值计算每个CDP点的里程桩号、偏离距。

3)考虑海水高程变化。按叠加速度计算各CDP道的隧洞洞顶、洞底时间，并在时间剖面图上表示。

3.2 成果资料分析

叠加方式采用准CDP方式按0.5 m和1 m反射面元叠加。图3中①和②2条平行线分别表示隧洞的洞顶和洞底。设计的隧洞直径为9 m，考虑深转换有一定的误差，洞顶和洞底分别向上和向下拓展1 m。由于本工程的物探目的主要是探测风化残留体或孤石(群)，岩土分层对指导施工并不特别重要，解释工作的重点是分析判断洞身一定范围内地震反射波的异常，判定产生异常的可能原因。解释成果以1号隧洞为例，发现的主要问题如下。

1)隧洞洞身范围内的异常主要集中在花岗岩段K0+252～+550，该段有3处风化残留体，同相轴反射能量不等，存在风化程度不均的岩土体。

2)不同里程位置发现多处绕射现象，有比较明显的及相对小的绕射弧。

3)部分区段花岗岩基岩突起。

4)粉砂岩段在K2+930～K3+200存在古地质构造，该段地层连续性差。

通过成果数据分析，取水隧洞花岗岩段洞身位置的风化残留体(孤石或孤石群)集中在核电岸K0+250～+530区段。具体来说，1号隧洞有3处异常:反射能量最强的同相轴为中风化花岗岩顶面;在K0+252～+283延伸到隧洞中，为基岩突起段;K0+312～+352和K0+417～+440存在孤石 (孤石群)，此处的同相轴反射能量相对基岩变小，但比周围地层的反射能量大，且出现绕射现象。

图3 1号取水隧洞花岗岩段地震反射波时间剖面图(局部)Fig.3 Seismic reflection profile in granite zone of No.1 water intake tunnel(partial)

台山核电取水隧洞海域靠核电岸为花岗岩，靠取水位置的大襟岛岸为粉砂岩。图4为1号取水隧洞粉砂岩段地震反射波时间剖面图。图中淤泥同相轴连续完整，说明无新构造运动;在淤泥下方数条同相轴在1 335～1 460道之间发生错断，同相轴能量弱，连续性明显变差，绕射现象严重，右方同相轴有一定倾斜，说明该处地层经历构造运动，判断该处为古断裂，里程桩号为K2+950～K3+200，宽度约为250 m。详勘钻孔在该处揭露的基岩很破碎，其中一深孔(图4中CDP1 450道附近)钻到121 m深度处岩芯依然很破碎。

4 钻探验证与盾构施工验证说明

4.1 钻探验证情况

根据水域地震反射波的成果，对发现的取水隧洞洞身范围内的分类异常进行钻探验证，1号和2号隧洞验证孔中9个布置在K0+250～+500段，其中:1)有7个孔的异常得到了验证，发现了大小不等的孤石(中等风化核)。其中1号隧洞K0+264.2钻孔在7.9～8.08 m处发现孤石，在洞身范围内，发现中等风化岩;K0+321.1 钻孔在 17.0 ～17.7 m 处和 19.4 ～22.3 m处发现孤石;K0+426.821钻孔在14.9～15.15 m 处发现孤石。2)2号隧洞花岗岩段布置的4个验证孔同样在物探确定的4个异常区域分别发现了基岩突起和孤石，K0+330.09 处钻孔分别在 6.5 ～7.1 m、11.3 ～12.2 m 和14.3 ～15.9 m 处发现孤石(中等风化核)。

图4 台山核电1号取水隧洞粉砂岩段地震反射波时间剖面图(局部)Fig.4 Seismic reflection profile in sandstone zone of No.1 water intake tunnel(partial)

物探成果验收后，采用水下钻探、水下垂直钻孔控制爆破的方式排除花岗岩孤石对盾构掘进的影响，1号隧洞在里程K0+310～+360段物探确定的异常范围内按1m方格网布置钻孔，每延m里程布置10个钻孔。钻探结果表明:花岗岩突起段的边界和埋深与物探结果基本吻合;K0+310～+360 m区段隧洞标高范围内共53个钻孔发现孤石，孤石大小不等，其中厚度＜1 m的孤石35处，≥1m的孤石18个;孤石最小0.4m，最大在K0+330处，有4段孤石叠加，近乎呈直立状。其余地段采用水下垂直钻孔控制爆破方式排除。

4.2 盾构施工验证情况

海底隧洞盾构通过1号隧洞K0+310～+360段、K0+406～+447段物探确定的异常范围段后，分别进行了数次停机作业，组织专业作业人员在0.22～0.3 MPa的压力条件下，进行了多达数百人次的带压进舱作业，共打捞出大小不等的孤石71块，最长的一块孤石达130cm。图5为从盾构机压力舱内打捞出的孤石。

图5 从盾构机压力舱中打捞出的大小不等的孤石Fig.5 Boulders taken from shield chamber

5 结论与讨论

1)采用工程物探方法探查影响海底隧道施工的风化残留体和孤石(群)，在国内尚属首次。本工程针对性地选用水域走航式高频、高密度地震反射波方法，采取密点距多次CDP叠加技术，物探测线完全覆盖取水隧洞洞身范围，采集的地震数据信息量大。通过成果资料分析，发现了地震反射波异常反映，对地层及地质异常体的识别清晰，达到了物探工作的预期目的。通过对异常地段钻孔取芯的验证，证明了解释结果可靠，物探精度满足探测要求，该方法对探测海底地层中的孤石(群)是有效的。查清了花岗岩孤石的位置和分布，为盾构施工提出不利地质地段，为今后类似工程积累经验和技术。

2)测试过程中要精确控制电缆飘移、摆动等带来的误差，工作中除尽量选择海况好的时间测试，主要采取增加测线密度的方式解决，在洞身范围内保证有足够的测线覆盖。

3)按照目前的技术水平，只能探测风化残留体(孤石)的分布范围与埋藏深度，孤石的具体形态尚无法探测清楚。

4)异常地质体的地震波场反演与成像是解决此类工程问题的进一步研究方向。

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