综合物探技术在越江隧道工程中的应用

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　　摘要：本文介绍了综合物探技术在越江隧道工程发挥着重要作用，采用磁测、浅层剖面、浅层地震、侧扫声纳、双频测深等物探方法，可以探测出江底地形特征，划分江底地层，并探测出江底的构筑物、不良地质体等障碍物，取得了较为满意的结果，为越江隧道的设计及施工提供了指导性的基础资料。探测结果表明综合物探方法具有方便、经济、快捷等特点。
　　关键词：综合物探，浅层剖面，侧扫声纳，浅层地震
　　1引言
　　为适应上海经济建设的高速发展，进一步缓解和改善浦东、浦西交通状况，上海市兴建或拟建了大量的越江隧道，为保证隧道施工的顺利进行，需在施工前对江底的地下障碍物进行调查，查明江底存在的沉船、炸弹、废弃构筑物及不良地质滑坡隐患。综合物探方法技术具有方便、经济、快捷等特点，是障碍物调查的首选。
　　物探工作一般采用以下几种方法：水上磁测、浅层剖面、浅层地震、侧扫声纳、双频测深。在上述几种方法中，每种方法都具有针对性地解决某一方面问题的能力。水上磁测是根据所勘查的江底磁场的分布情况确定出地下有无沉船、炸弹、铁锚、桩基存在及其位置、埋深等。浅层剖面则是勘查距江底30.0m以内部分地层及地下障碍物的平面分布情况及其在江底的埋深等。浅层地震则是解决江底50.0m以内的沉积地层及地下障碍物的平面位置、埋深等。它与浅层剖面可以相互补充，使勘查工作更加准确。侧扫声纳，则是用于测量江底的地貌形态和寻找江底表面存在的物体，如沉船、旧构筑物等。双频测深，主要是了解沿测线走向的水的深度，从而确定出江底的标高，以便验证浅层地震和浅层剖面勘查反映的地层标高。
　　(1)磁测
　　自然界各种物体在天然磁场的作用下，都显示出一定的磁性，它们在周围空间又产生出磁场，这种磁场相对于天然磁场分布而言，称之为磁异常。由于各种物体的磁性不同，那么它产生的磁场强度也不同。同时，物体空间分布的不同(包括埋深、倾向、大小等)，使其在空间磁场的分布特征亦不同。由于探测范围内磁场的分布特征由该区内的物体分布情况及空间位置来决定，通过用专门的仪器来测量、记录测区内磁场分布，根据所测得的磁场分布特征就可以推断出地下各种地质体的形状、位置和产状。
　　(2)浅层剖面
　　浅层剖面是利用声波在水中和水下地层中的传播和反射特性来探测水底地层构造。发射机给声发射换能器一强功率电脉冲，从而在水中产生一个短促的声脉冲，当此探测脉冲在向下传播途中遇到海底和各地层界面时，由于界面两侧声阻抗的不同，而有一部分能量被反射回来，并被接收换能器所接收，反射声信号在换能器中被转换成电信号，传入主机，经信号处理、成图，反映出地下各种地质体的分布情况。
　　(3)浅层地震
　　利用电火花或空气枪作为震源，在水中激发产生地震波，当地震波遇到不同的物体或界面(密度和波速发生变化)时，便产生反射和透射波，并由固定在船侧或拖曳在船尾的水听器接收反射回波，并经电缆将反射信号传递给仪器进行录制，经过处理，根据反射波的走时，利用波速进行时－深转换，求得不同反射波深度范围，从而达到确定异常体或地层界面的目的。
　　(4)侧扫声呐
　　侧扫声呐是利用专用的探头发射声呐信号。声呐探头发出的信号呈扇形向下传播，扇形在水平角方向为0.6°～1.9°，而在垂直角方向为32°，当声呐信号到达江底时，就会产生反射和散射。接收器接收来自江底的返回声呐，仪器设备根据接收到的声呐信号的时间及角度，经过计算机处理就可以描绘出该扇形区域江底的相对深度变化，从而得到江底的地貌起伏情况和存在江底（海底）的沉船及其它近表面人工物体等的具体位置、形态和尺寸。
　　(5)双频测深
　　侧扫声呐得到的是江底地貌的相对变化，而对其它物探方法所得到的只是目的物相对于水面或者江底的埋深，为得到具体的深度，还必须知道江底的确切深度(标高)。双频测深则是通过一个专用的高频声波转换器，这种声呐垂直向下发出，当遇到水、土界面时，声波被返回，当接收机接收到来自江底的声波信号后进行处理，根据水的波速，就可以计算出江底的深度。并通过在岸边设立的基准高程点将江底深度转换为海拔高程，从而可以将其它物探方法确定的地层深度以海拔高程表示，这样才能便于用户将物探成果用于工程设计。
　　2水上工作方法
　　各种物探方法均采用连续测量的工作方式，测点定位采用动态GPS导航系统，测量时，数据采集系统自动将物探仪器与GPS的定位数据对应起来，实现导航与定位的统一。各种方法均采用连续工作方式进行，工作前把设计的航迹坐标输入计算机中，施工时在工作舱和控制室分别设一航迹显示屏，以便测量人员和船只驾驶员随时注视和调整航向，船只的航迹图同时显示在屏幕上，便于测量人员根据航迹与测线的对比，随时调整航向，确保航行测线满足设计要求。定位时，将动态GPS接收探头置于船中心，信标接收机置于工作舱中，为保证工作精度，定位采用差分方法，同时将动态GPS接收机收到的信号经差分计算之后，输入到各测量设备中，实现实时定位目的。同时，为了消除潮位的影响，需要在测区附近进行潮位观测，潮位观测每10分钟一次，早于物探作业开始，晚于物探作业结束。
　　2.1浅层剖面
　　浅层剖面勘查的声波震源为水下拖曳的电火花声源系统，该系统和接收器以固定的间距(0.5m左右)装在同一容器中，习惯上称之为拖鱼。工作时将拖鱼放入水中，通过信号电缆和装在船上的信号采集器相连接。浅层剖面工作采用船侧悬挂式工作方式，发射和接收探头被固定在船侧水下2.0m深处，工作频率为2～7kHz，扫描长度32ms。工作中连续采样、实时显示。由于江面来往船只，实际测线尽可能靠近设计测线或顺江增补测线。
　　2.2、侧扫声纳
　　该方法是将侧扫声纳扫描拖曳探头放入水中，并固定在船侧进行工作，拖缆长度一般小于50.0m。为增加分辨率，工作频率为325kHZ，脉冲长度小于0.01ms。水平声速角为0.6o，垂直声速角为32o。工作过程中，量程一般设置为50.0m。通过处理器将侧扫数据以图像的形式显示在监示器上，同时通过计算机记录在硬盘上并实时打印记录。侧扫声纳工作采用船侧悬挂式工作方式，侧扫声纳探头吊挂在船侧水下3.0m深处，随着船的运动，侧扫探头在尾桨的作用下呈水平状。[!--empirenews.page--]
　　2.3、双频测深
　　双频测深的换能器采用船挂安装。工作频率为24kHz～208kHz，水深图像记录采用现场打印，为增加分辨率，最低速度为8.0cm/min。测深工作前后均要对测深仪进行标定。在进行所有水上物探工作时均要有同步的测深工作确定水底高程以便资料解释。
　　2.4、水上磁测
　　工作时，将磁力仪的探头放入水中，电线和拖缆将探头与数据采集器相接，开始工作后，随着船的移动，数据记录器自动将来自磁探头的数据记录下来。为保证工作精度，数据采样率为1次/秒。在船上的操作员及时记录测线周围的通航及岸边的实际情况。以排除由于过往船只或附近磁性物体的影响。同时记录测线号及本测线的开始工作时间和结束时间。当天工作结束或本测线工作结束后，将数据传入计算机，进行处理。工作船为木船，但在船头和船尾均有铁板镶嵌，为避免其影响采用拖挂工作方式，拖拽电缆的长度为20.0m，即磁力仪探头拖在船尾后20.0m处，为不影响来往船只的航行，探头和船之间采用软连接。现场采用连续采样，采样间隔为1.0s。
　　2.5、浅层地震
　　浅层地震采用多道工作方式进行，为避免气泡效应，采用水中专用的高压空气枪震源激发，多道水上漂浮电缆接收。工作参数的选择要通过现场试验确定，在工作时，数据采集系统自动记录来自检波器的反射信号，并显示在显示屏上。当工作结束或每条测线工作结束后，操作员把各条测线的数据传输到计算机中，供以后的数据处理用。记录格式为目前国际上通用的SEGY格式。施工时接收电缆和空气枪拖挂于船尾，空气枪入水深度为1.0m，电缆入水深度为0.7m。
　　3应用效果
　　我们可以通过双频测深、浅层剖面等方法确定江底地形起伏情况，通过浅层剖面、浅层地震进行江底地层划分，通过侧扫声纳、双频测深、浅层剖面等方法确定江底表面的障碍物，通过浅层剖面、浅层地震确定江底面以下的障碍物，并依据磁法探测确定障碍物是否含铁磁性物质。
　　3.1浅部异常
　　浅部异常在综合物探所选用的五种方法中均能有所反映。图1、2、3为某工程中不同物探方法对同一异常体的反映。
　　
　　图1双频测深剖面图
　　
　　图2旁侧声纳图
　　
　　图3浅层地震时间剖图
　　图1是异常体在双频测深剖面上的反映，从图中可以看出江底有一凸起物体垂于江底；图2是侧扫声纳剖面，图上清晰可见一深灰度的长方形影象图，走向为东西向；图3是浅层地震时间剖面，图上也反映出江底有一凸起部位。而磁法探测结果表明在该区域无明显磁异常，排除了是金属物体的可能。综合四种物探方法分析，该异常体长约12m，宽约3m，高约3.5m，位于江底表面根据其形态等初步推断该异常体可能为木质沉船。
　　3.2中深部异常
　　磁测、浅层地震、浅层剖面等方法多能探测到这类异常。图4是某异常处的浅层剖面图，该异常体的顶界在浅层剖面上反映的地质体较为完整，并具有一定的长度的亮点。亮点上部呈黑色，中间为白色。图5是该异常在浅层地震剖面上的反映，T3波组上部出现一段强反射波，是顶界面的反映；T4波组在该部位反射时间增大，且呈凹陷状，分析认为是底界面的反映；异常体附近的工勘资料也反映该处的粉质粘土层明显加厚。而该区域在磁法探测结果上无明显异常反映。异常体总体呈北东向展布，推断该异常体的属性为粉质粘士层中的砂层透镜体。
　　
　　图4某异常体处的浅层剖面图
　　
　　图5某异常体处的浅层地震剖面
　　3.3江底的构筑物
　　在某越江隧道工程的综合物探中，在浅层剖面的实测剖面图上，发现的异常中，有不少异常反映的深度基本一致，而且这些异常的分部基本呈一条直线，根据这些异常，我们推测可能是大型的过江管线。根据后来了解到的资料得知，这些异常正是排在一起的两根直径大于2000mm的合流倒虹管的反映。图6为浅层剖面上反映该合流倒虹管的异常点之一。
　　
　　图6合流倒虹管在浅层剖面上的反映
　　4结束语
　　由于水上连续走行及方法探测精度的限制，不能探测出规模较小的障碍物；同时由于隧道处于繁华市区，受江两侧的金属、过往船只的影响，磁测探测效果不佳。但是，总体上讲，综合物探方法能够查明具有一定规模江底沉船、不良地质体及对隧道设计及施工有影响的构筑物，为隧道设计及施工提供了指导性的基础资料。探测结果亦表明综合物探能够获得令人满意的结果，取得了良好的经济和社会效益，并且具有方便、经济、快捷等特点。
　　本成果主要参考上海京海工程技术公司卢秋芽、刘建军、陈军等2004年1月编写的《上海市中环线军工路越江隧道水上物探勘查报告》及马文亮、卢秋芽、刘建军、陈军等2006年4月编写的《上海市耀华支路越江隧道工程水上地球物理勘查报告》，在此向参加这两项目工作的同志表示感谢。
　　
　　参考文献
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