大直径球形风化物在盾构法隧道中的赋存状态

大直径球形风化物在盾构法隧道中的赋存状态

1岩相德基岩面、风化织物的探测所建台山核计算机一座位于台山市赤溪市腰固村的腰固口。1号和2号机组的取水孔位于海域，位于大善岛之间。洞全长4330.6m，洞两端有农田和大善岛的活井。取水隧洞为双洞取水方式,开挖洞径为9.03m,隧洞埋深11~29m,两洞中线间距为29.2m,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)拟以盾构法施工挖掘成洞。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和存在状态,为盾构法施工的规划和适当的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1m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。因此在盾构掘进前,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状态,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,为盾构施工确定不利地段。物探方法归纳起来有重力法、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(电阻率不大于0.2Ω·m),电、磁信号在传播过程中被良导体—海水吸收而衰减的极快;重力法适合于探测深部构造,而地震波法要优于其它方法,并且相对而言便于实施,是一种有效的方法。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几乎是本项工程海域物探方法的最优选择。2cdp叠加技术水域地震反射波勘探的优势多次覆盖技术又称之为水平多次叠加,又称为共反射点(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它技术所不能比拟的。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为一个共深度点(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图1(a),在时间与偏移距坐标系中显示收集的所有记录图1(b),其中水平反射层的反射波至形状为一条双曲线,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,并通过叠加图1(c)或累计产生一个单独的记录,它的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。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由下式确定:n=N/2d(1)式中,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):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n√n倍。2)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,取决于与船速和震源激发时间间隔,本工程要求探测直径不小于1m的孤石异常,技术上要求0.5m范围内至少要有一个反射点,例如:如果激发间隔1s,船速3节来计算,即1.5m的间隔扫描,不难理解小于1.5m会漏掉,如果激发震源的激发间隔大于1s,如4s则它的扫描间隔为6m,那么小于6m的目的则会漏掉,由此不难看出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(0.5m)观测系统装置,以船行速度1.5m计算,对同一点则有8次的扫描。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,有益于孤石探查。3)从地震反射波在界面处的反射能量分配看,不同偏移距其反射系数存在差异,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的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此问题。4)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,实际作业中基本上为1.2~1.4m/s之间;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1s,炮点距在1.2~1.5m之间,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。3关键因素分析3.1源频率和分辨率3.1.1地震反射波场计算地震地质体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),所以要探测1m以上的隐伏地质体,需λ≤4m,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,所以λ≤2.0m。隧洞穿越的岩土层纵波平均速度大致在1500~1800m/s范围内,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有如下关系:λ=VP/f(2)如果取VP=1600m/s,以震源的主频f=800Hz计算,则地震波的波长λ=2.0m,肉眼可见分辨率λ/2,选择的震源频率满足探测1m以上隐伏地质异常体的要求。必需要说明的是,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,但分辨率降低,高频分辨率好,但穿透能力变差,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好的分辨率的要求。3.1.2反射波的面积和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(如断层、尖灭)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。地震中根据惠更斯原理,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震动则互相抵消,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(r1)表达式:r1=v2tfc−−√(3)r1=v2tfc(3)由上式可以看出,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,反之则变低。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。图2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VP=1500m/s,界面深度50m。在剖面中部有一绕射体,截面积为1m×1m,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,信号记录设置采样周期为200μs,记录样点数为1024。信号接收只考虑直达波、反射波和散射波。3.2浅剖面位置及频率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,电火花震源则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,小重量的电火花震源放电时间间隔较长,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,较好的分辨率,且激发间隔要短,以保证有较多的覆盖次数,因此采用福建省建筑设计研究院研制的气动机械声波水域高分辨率浅层地震勘探连续冲击震源(获国家发明专利,专利号ZL200810071271.0),本震源主频在200~2000Hz,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1000J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1.0s,递增时间间隔0.1s,冲击时间间隔的调整灵活方便。3.3电缆及地震仪设备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,道间距1m。地震仪采用北京水电物探研究所的SWS-6地震勘探系统。导航定位仪器采用国产南方测绘双频RTK-GPS,RTKGPS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。4数据处理和解释成果4.1彩色反射波时间剖面的绘制及计算水域地震反射波地震数据处理按标准流程进行,主要数据处理流程为: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出来。4.2地震反射波的解释叠加方式采用准CDP方式按0.5m、1m反射面元叠加。地震反射波时间剖面图中的二条平行线分别表示隧洞的洞顶和洞底。设计的隧洞直径为9m,考虑到时深转换有一定的误差,洞顶和洞底分别向上和向下拓展1m。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,因此解释工作的重点是洞身一定范围内分析判断地震反射波的异常,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桩号K0+252m~K0+550m,该段有三处风化残留体,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,也有相对小的绕射弧。3)部分区段花岗岩基岩突起。4)粉砂岩段在K2+930m~K3+200m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+250m~K0+530m区段。具体来说,1号隧洞有三处异常,反射能量最强的同相轴为中风化花岗岩顶面,在里程桩号K0+252m~K0+283m延伸到隧洞中,为基岩突起段,里程K0+312m~K0+352m和里程K0+417m~K0+440m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。5隧道围岩孤石发现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、2号隧洞验证孔中9个布置在K0+250m~K0+500m位置,其中有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号隧洞于K0+264.2m在7.9~8.08m处发现孤石,在洞身范围内,发现中等风化岩;K0+321.1m在17.0~17.7m处发现孤石和19.4~22.3m处发现孤石;K0+426.821在14.9~15.15m处发现孤石。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,桩号K0+330.09m处分别在6.5~7.1m、11.3~12.2m和14.3~15.9m处发现孤石(中等风化核)。物探成果验收后,建设单位采用水下钻探、井中定向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K0+310m~K0+360m物探确定的异常范围内按1m方格网布置钻孔,每延米里程布置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+310m~K0+360m区段隧洞标高范围内共53个钻孔发现孤石,孤石大小不等,其中厚度小于1m的孤石35处,大于等于1m的孤石18个;孤石最小0.4m,最大在K0+330m处,有4段孤石叠加,近乎呈直立状。其余地段尚待采用