综合物探探测在中马友谊大桥的应用

摘要:针对中马友谊大桥所处珊瑚礁灰岩区，存在欠缺礁灰岩的工程分类参考资料问题，单一勘探方法很难取得好的勘察效果。结合勘察实例，采用侧扫声纳、浅层地震反射和地震映像相结合的综合物探技术，配合地质钻探，多种方法优势互补，互相印证，综合解译，对桥位区地质分层、基岩变化情况和海底障碍物探测取得了良好的勘探效果。应用结果表明:对于复杂多变的海底勘探，充分发挥物探探测的优势，可快速准确达到探测目的，将现在以勘探点为主的勘察模式，发展到点、线、面相结合的水平，大大提高了勘察成果的准确性和可靠性，本文勘察方案可为今后同类工程的勘察提供技术借鉴。

关键词:综合物探;侧扫声纳;地震映象;浅层地震反射

随着“一路一带”基础设施的不断建设，越来越多国家的项目勘察需要在水域进行作业，传统勘察主要以钻探点为基础，查明勘区地质情况。而工程物探作为水下勘探的主要手段，不仅在勘察前期提供线索，还可在勘察的各个阶段发挥不可或缺的作用［1～7］，物探探测发展为点、线、面相结合的综合勘察。工程物探技术具有范围广、速度快、效率高、经济可靠的优点，对于查明工程区区域地质概况，与传统地质钻探相比，具有较大优势［3～8］。在复杂的海域建设大型重点工程，综合物探技术发挥了越来越重要的作用，配合地质钻探，多种方法优势互补，互相印证，综合解译，在工程区地质分层、基岩变化情况勘察、海底地貌及海底障碍物探测方面取得了良好勘探效果［1，2］。本文结合援马尔代夫某跨海大桥工程实践，对桥址区域采用侧扫声纳、浅层地震反射和地震映像综合物探技术与钻探相结合进行勘察，大大提高了勘察成果的准确性和可靠性，为桥址选择、基础设计和施工提供了更详细的地质依据，可为类似项目的工程勘察提供参考。

1方法技术简介

(1)侧扫声纳勘探:侧扫声纳左右各安装一条换能器线阵，首先发射一个短促的声脉冲，声波按球面波方式向外传播，遇到海底或水中物体会产生散射，其中的反向回波会按原传播线返回换能器被换能器接收，经换能器转换成一系列电脉冲［1］。反射信号连续地记录在记录图中，这些信号代表来自海床上的砾石、岩石露头及管道等目标的反射。根据目标反射信号的强度和对记录图像的研究，就可对声纳反射信号做出地质解释，并估计海床上各种目标的大小和高度。工作原理如图1所示。图1声纳系统工作示意图Fig.1Workingschematicdiagramofsonarsystem本次工作采用英国C-MAX公司生产的CM2型数字声纳系统。配置MAXView实时采集软件，拖鱼的扫测频率为325kHz，最大作业水深2000m，分辨率＜0.1m，扫描宽度(单侧)25～150m(可调)。(2)浅层地震反射勘探:是一种根据地下介质的物性不同和人工激发地震波在介质中传播速度不同来探测地下目标物的一种物探方法，在不同点激发、不同点接收来自地下界面相同反射点的多个地震记录道进行动校正后叠加。反射信号经处理、成图，反映地下各种地质体的分布情况［4］。采用多次覆盖地震反射勘探方法可有效地压制多次波和衰减各种随机干扰，因此该技术已在勘探中被广泛采用。本次浅层地震反射勘探采用SWS-6型24通道工程地震仪。外业工作时采用的排列如图2所示。图2浅层地震反射波法工作示意图Fig.2Schematicdiagramofshallowseismicreflectionmethod(3)地震映像勘探:又称地震多波勘探，是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的一种常见的浅地层勘探方法［9］。利用了水中无面波干扰的特点，采用小偏移距或等偏移距，单道接收或多道接收，经过实时数据处理，以大屏幕密集显示波阻抗界面的方法形成彩色数字剖面，再现地下结构形态，其工作原理见图3。图3地震映像工作原理示意图Fig.3Schematicdiagramofworkingprincipleofseismicimage本次外业采用了SWS-6型工程地震仪、电火花震源、12道水上漂浮电缆、走航式地震共偏移距纵波反射技术，高通100Hz频率1滤波档采集，结果证明，对噪音干扰波的抑制效果较好。

2应用实例

本项目位于马尔代夫北岛礁马累—机场岛珊瑚环礁上。横跨CaadhooKoa海峡，连接机场岛—马累，桥长约1390m，采用预应力混凝土V型墩连续钢构桥，引桥为预应力T型梁。勘察宗旨为初步查明桥址区水下地形地貌、地层结构、覆盖层厚度、基岩面起伏情况和沉船、管线等水底障碍物，为桥梁工程建设提供地质依据。勘区地层主要为覆盖层(礁块石、砾砂混砾块、珊瑚混砂或砂混珊瑚)及礁灰岩基岩层组成。2.1侧扫声纳应用于海底障碍物探测。在工程区域，往往因为历史原因，遗留一些沉船、管线等影响工程建设的障碍物，为了施工安全，探明这些障碍物是工程建设必须解决的问题，由于障碍物(比如岩堆)与海水介质之间的物性差异显著，采用声纳扫侧取得了较好效果。海水声波波速约1400～1500m/s，海底介质声波波速约1650～2000m/s，岩堆声波波速约3000～3500m/s，采用声纳扫侧，能够较准确地判别海底障碍物的分布情况。本次工作沿大桥中轴线布设了1条纵测线，在中轴线两侧按75m的间距各布设1条纵测线，各纵测线长约1000m;垂直中轴线按120m间距布设4条横测线，各横测线长约800m。在靠近马累端桥位70m范围存在岩堆区，见图4。CS2测线发现一突起物，见图5，尺寸约为6.3m×16.5m，突起物中心点坐标为E73°31'24.28″，N4°10'22.60″，网格坐标为X=61396.319，Y=6106.484，位于桥位线AK0+878m左52m处。2.2浅层地震反射法应用于桥位区第四纪覆盖层。探测外业工作采用等偏移距排列滚动12道剖面采图5突起物Fig.5Protuberance集观测系统和6次覆盖水平叠加观测的工作方法，选择18m偏移距，2m道间距，12道接收道数，震源为大锤，单边锤击，检波器24个，SWS处理解释软件，AutoCAD成图软件。测线DZ5实际长度为656m。通过资料分析与处理，发现一个弱反射界面(深度5～7m)及三个强反射界面(深度分别约为10m、15m、20m)，深度5～7m处的弱反射界面推测为上覆地层与较破碎的准礁灰岩之间的界面，由于覆盖层与破碎的礁灰岩波阻抗差异较小，其反射能量较弱;深度约10m处反射界面为上层破碎的准礁灰岩与下部含砾砂层之间的界面，出现较大波阻抗差异，故产生强反射;深度15m处强反射为上部含砾砂层与下部较完整准礁灰岩之间的界面，界面同相轴连续平稳;深度20m处反射界面相对较弱，推测为上部较完整的准礁灰岩与下部完整的礁灰岩之间的界面，同相轴局部不连续，是由于波阻抗差别不太大所致。DZ5测线探测剖面与解译结果见图6～图8所示。2.3地震映像法探测桥位区基岩起伏情况。地震映像连续测线剖面的探测方法，能较好地探明基岩起伏及变化情况，同时能探明勘察区暗礁及风化破碎带等不良地质体，配合地质钻探，会取得良好的勘察效果，其结果对桥址选择、桥方案比选、基础选型、工程安全及造价、结构、施工工艺及工期等起到至关重要的作用。勘察区海水及海底介质的波速见表1。本次布置物探线12条，测线总长8.5km，采用走航式地震映象勘探方法。布置测线时，考虑到布置间距调整为15m，纵测线9条;在水下地形陡变的位置，布置了3条横测线。根据各测线的地震映象剖面图进行成果解释，结合钻孔资料，对应地质层位，形成各测线的地质解释剖面图。以桥轴线YX5测线的地震映象图(图9)及地质解释剖面图(图10)为例进行分析介绍。(1)海水深度该测线海水底部地震反射面清晰，海水深度7.10～47.60m，标高在－7.66～－46.76m之间，与地形图上的海床高程有很好的对应关系。(2)含砾中粗砂、含砾块中粗砂、礁块石等覆盖层测线覆盖层的底部反射波同相轴连续，地震反射特征明显。层内的时间段有较多断断续续的同相轴，显示层内存在有较多不同物理力学性质的层位;时间剖面中层状同相轴清晰可见，根据钻孔资料，这些反射同相轴是由礁块石、含砾块中粗砂、含砾中粗砂等不同地层的反射引起的。本次物探测得覆盖层分布较为连续，厚度起伏较大，其厚度从0.81～20.80m之间。从测线上看，呈中间厚、两端薄的分布特征。钻孔BH17孔覆盖层厚度约为18.1m，该处地震映象测线上对应的覆盖层厚度为18.65m。综合说明，地震映象成果资料与地质分层吻合性较好。(3)岩面解释岩面的反射波组特征明显，具有连续同相轴，局部存在反射波组弱，原因为覆盖层对地震波能量吸收较强，引起同相轴断断续续。经仔细分析，测线位置岩面起伏较大，岩面标高分布在－10.41～－59.18m之间，高差达48.77m。在马累岛侧陡坎的坡上与坡底的地震映象反射波频率差异较大，经与钻孔资料对比，对应为礁灰岩。

3物探综合成果分析

侧扫声纳结果显示，桥位线水域部分海床面起伏较大。近岸浅滩海底分布有较多礁灰岩碎块、活珊瑚等，形成的地形凹凸不平;深水区海床较平整，主要为砂质海底，礁灰岩及活珊瑚较少。工程区分布有突起物、大小不等的坑洞及海底台阶。通过地震映象及浅层地震反射方法探测地层，桥位线在马累岛陆域覆盖层厚度3～10m，主要由礁灰岩块混砂、粗砂砾砂及粉细砂组成;桥位线在机场岛陆域覆盖层厚度5～23m;水上地震映象成果显示，该部分水域覆盖层分布较为连续，厚度起伏较大，呈中间厚，两端(马累岛、机场岛)薄的分布特征，覆盖层厚度0.3～20.1m。基岩为准礁灰岩、礁灰岩层，基岩面变化大，岩面标高约为－59.0～－10.5m，高差达48.5m。

4结论与建议

(1)侧扫声纳是利用周围介质与障碍物的差异性特点，确定障碍物的位置及分布，但对于不同障碍物(沉船、光缆、电缆等)，需要根据不同物性选择合适的探测方法。(2)浅层地震反射法，能较好地划分海水、覆盖层分布及地层层位，能宏观划分区域地层。(3)地震映像法能较好地查明水深，划分水底沉积层，确定基岩界面起伏及埋深。(4)任何单一的物探方法都不是万能的，只有根据勘察的目的和要求，采用综合物探技术，并与钻探等勘察手段相结合，相互印证，互为补充，才能提高勘察精度，缩短作业周期，节约工程成本，提供可靠的基础地质资料，更好地为工程建设服务。

作者:林剑锋 袁海龙 张明 赵家明 单位:中交第二航务工程勘察设计院有限公司