物探在隧道工程中的綜合運(yùn)用及其互補(bǔ)性分析

常帥斌

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，物探技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，而且物探技術(shù)方法門類眾多，其原理和使用的儀器設(shè)備也各有不同。將物探技術(shù)應(yīng)用于隧道工程，可使其在工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)不同階段、不同空間、不同目的實(shí)現(xiàn)提前預(yù)測(cè)、過(guò)程精測(cè)及工后監(jiān)測(cè)之作用，保證結(jié)構(gòu)物施工安全和運(yùn)營(yíng)安全。

1 隧道工程中物探手段的選擇

在隧道工程中物探技術(shù)常用探測(cè)方法有以下幾種:1)電法勘探;2)地震勘探;3)彈性波測(cè)試;4)物探測(cè)井;5)地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)等。綜合物探就是以這些物探方法為基礎(chǔ)，把兩種或兩種以上的物探方法有效地組合起來(lái)，達(dá)到共同完成或解決某一地質(zhì)或工程問(wèn)題的目的。本文重點(diǎn)對(duì)隧道常用的綜合物探手段，如基礎(chǔ)地質(zhì)法、電法、高精度磁法、可控源音頻大地電磁法、TSP、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水等原理、儀器及應(yīng)用范圍分析，以期取得最佳的地質(zhì)效果和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，滿足工程建設(shè)的需要。

2 物探手段的特點(diǎn)及其互補(bǔ)性分析

2.1 基礎(chǔ)地質(zhì)法

1)收集整理工程區(qū)域地質(zhì)資料，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查進(jìn)行資料分析，研究區(qū)域地質(zhì)背景，從而判斷本段軟弱帶的優(yōu)勢(shì)斷裂發(fā)育方向、規(guī)模及可能的地質(zhì)災(zāi)害;

2)仔細(xì)分析前期地質(zhì)資料，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核和勘察，在地表準(zhǔn)確鑒別不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置、巖體質(zhì)量，精確調(diào)查和測(cè)量不良地質(zhì)體空間展布參數(shù);

3)洞內(nèi)地質(zhì)素描工作，根據(jù)隧道掌子面開(kāi)挖進(jìn)度隨時(shí)開(kāi)展基礎(chǔ)地質(zhì)工作，地質(zhì)素描資料通過(guò)整理后以地質(zhì)展示圖、剖面圖的形式，為地質(zhì)超前預(yù)報(bào)物探測(cè)試及分析提供基礎(chǔ)資料或預(yù)報(bào)警報(bào)。

2.2 衛(wèi)星遙感影像

收集衛(wèi)星遙感影像，根據(jù)近期衛(wèi)星遙感影像可以相對(duì)清晰解釋圈定主要線性構(gòu)造或隱伏斷裂的地表位置。

2.3 高精度磁法

基本原理是利用巖石的不同磁性特征解決地質(zhì)問(wèn)題的地球物理勘查方法。不同的巖石其磁性存在差異，同一巖性受構(gòu)造作用后其磁性與完整巖石也會(huì)出現(xiàn)一定的變化，這是高精度磁測(cè)用于圈定基性巖脈和構(gòu)造破碎帶的地球物理基礎(chǔ)。具體工作模式即在地面使用高精度磁力儀對(duì)工作剖面逐點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)原始讀數(shù)進(jìn)行改正、濾波等處理后，分析、研究磁場(chǎng)異常，進(jìn)而推斷解釋巖性的分界線或斷裂破碎帶。

2.4 可控源音頻大地電磁法(CSAMT)

可控源音頻大地電磁法(簡(jiǎn)稱CSAMT)，其工作原理是:地下巖石在人工場(chǎng)源激發(fā)下，在電流流過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電位差，由于不同頻率的電磁場(chǎng)在地層中的傳播深度不同，頻率越低穿透越深，所反映深度與頻率構(gòu)成一個(gè)數(shù)學(xué)關(guān)系，且不同電導(dǎo)率的巖石在電流流過(guò)時(shí)所產(chǎn)生的電位和磁場(chǎng)不同，通過(guò)地表儀器測(cè)量電場(chǎng)(Ex)與磁場(chǎng)(By)的水平分量求取地下介質(zhì)的卡尼亞電阻率。通過(guò)卡尼亞電阻率值差異即可發(fā)現(xiàn)和解決地質(zhì)問(wèn)題。隧道工程是利用構(gòu)造破碎帶與基巖的電性差異圈定構(gòu)造破碎帶，因?yàn)閹r石破碎后其導(dǎo)電性與完整基巖相比有明顯增大，其電性差異是明顯的，另構(gòu)造破碎帶中若充水則電性差異將更明顯。

2.5 TSP

TSP主要采用回聲測(cè)量原理。地震波在指定的震源點(diǎn)(在隧道的右/左邊墻，大約24個(gè)炮點(diǎn)布成一條直線)用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生。地震波在巖石中以球面波形式傳播。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石物性界面(即波阻抗差異界面，例如斷層、巖石破碎帶和巖性變化等)時(shí)，一部分地震信號(hào)反射回來(lái)，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射的地震信號(hào)將被高靈敏度的三分量傳感器接收。反射信號(hào)的強(qiáng)弱與反射界面兩側(cè)的巖性有很大關(guān)系，反射界面兩側(cè)的巖性差異越大，反射回來(lái)的信號(hào)越強(qiáng)，預(yù)報(bào)的范圍也就更大，一般根據(jù)圍巖情況可預(yù)測(cè)掌子面前方100 m～150 m的范圍。

2.6 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)

地質(zhì)雷達(dá)(GPR)其工作原理為電磁波以寬頻帶脈沖形式通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射信號(hào)，經(jīng)目標(biāo)體反射或透射，被接收天線接收HJ。根據(jù)精度的不同，其預(yù)測(cè)范圍為掌子面前方5 m～30 m。

2.7 紅外探水

巖層由于分子振動(dòng)和晶體格振動(dòng)，每時(shí)每刻都在向外輻射電磁波，并形成紅外輻射場(chǎng)。紅外探測(cè)技術(shù)就是通過(guò)紅外探測(cè)前方一定范圍內(nèi)的紅外輻射場(chǎng)的變化，即通過(guò)探測(cè)儀顯示出紅外輻射溫度的變化。當(dāng)探測(cè)前方不存在隱伏的地質(zhì)異常體時(shí)，紅外輻射場(chǎng)就是一常值。當(dāng)探測(cè)前方一定范圍內(nèi)存在隱伏的地質(zhì)異常體時(shí)，地質(zhì)異常體產(chǎn)生的輻射場(chǎng)就要疊加在正常輻射場(chǎng)上，從而使得正常輻射場(chǎng)發(fā)生畸變。因此根據(jù)紅外輻射場(chǎng)曲線的變化規(guī)律，就可以全空間、全方位探查地質(zhì)異常體。在隧道掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)掌子面前方存在含水構(gòu)造時(shí)，含水構(gòu)造產(chǎn)生的異常紅外輻射場(chǎng)會(huì)疊加到圍巖的正常輻射場(chǎng)上，儀器顯示屏上的曲線出現(xiàn)數(shù)據(jù)突變。而當(dāng)掌子面前方?jīng)]有含水構(gòu)造時(shí)，所測(cè)定的紅外輻射場(chǎng)為正常場(chǎng)值，數(shù)據(jù)曲線近似為一條直線。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況及物探手段的選擇

某隧道在實(shí)際施工過(guò)程中，隧道多次出現(xiàn)小型軟弱或斷層帶，在一號(hào)斷層連續(xù)兩次出現(xiàn)涌泥現(xiàn)象，每次涌泥量達(dá)2萬(wàn)m3;二號(hào)斷層出現(xiàn)較大突水，突水量達(dá)12 000 m3/d，持續(xù)時(shí)間約20 d。針對(duì)本隧道特點(diǎn)及出現(xiàn)的地質(zhì)問(wèn)題，對(duì)該隧道進(jìn)行了補(bǔ)充綜合地質(zhì)物探勘查，重點(diǎn)對(duì)涌泥和突水勘查其形成原因及一、二號(hào)斷層間未貫通地段進(jìn)行預(yù)測(cè)。在該工程中，補(bǔ)充進(jìn)行了地面綜合地質(zhì)物探工作，并通過(guò)洞內(nèi)綜合物探手段進(jìn)行驗(yàn)證，地面主要選擇采用了地面水文地質(zhì)、工程地質(zhì)專項(xiàng)調(diào)查，高精度磁法剖面測(cè)量、可控源音頻大地電磁法等綜合地質(zhì)物探方法進(jìn)行勘測(cè)。洞內(nèi)采用TSP、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水等物探手段和水平鉆孔物理手段進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 實(shí)際應(yīng)用

3.2.1 收集資料分析

通過(guò)對(duì)已有地質(zhì)資料(1∶200 000幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告;1∶50 000幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告)、衛(wèi)星遙感影像圖及地質(zhì)調(diào)查，得出基本結(jié)論:本區(qū)規(guī)模較大的線性影像主要為NEE向(60°～70°)、NNW向(330°～340°)兩組，其次有近S-N向、近E-W向兩組。區(qū)內(nèi)主體巖性為早白堊世淺肉紅色晶洞中(細(xì))粒堿長(zhǎng)花崗巖，地表基巖露頭表現(xiàn)的斷裂構(gòu)造形跡主要為節(jié)理裂隙和沿裂隙充填的巖脈。

3.2.2 高精度磁法

高精度磁測(cè)網(wǎng)布設(shè)除覆蓋隧址中線的測(cè)線之外，其余測(cè)線均大致垂直于主要構(gòu)造線，兩組測(cè)線方位分別為0°和70°。高精度磁測(cè)使用GSM-19T質(zhì)子磁力儀，探頭高度選用1.8 m。觀測(cè)磁場(chǎng)總量，經(jīng)基點(diǎn)、日變改正、高度改正計(jì)算各觀測(cè)點(diǎn)磁異常(ΔT)。

3.2.3 可控源音頻大地電磁法(CSAMT)

CSAMT測(cè)線以隧址中線為主，另在涌泥點(diǎn)、突水點(diǎn)各布1條垂直測(cè)線，在隧址中線與梁山水庫(kù)之間布設(shè)兩條平行測(cè)線。CSAMT數(shù)據(jù)采集使用美國(guó)ZONGE公司生產(chǎn)的GDP-32Ⅱ型多功能電法接收機(jī)和GGT-10發(fā)射機(jī)系統(tǒng)。測(cè)量過(guò)程中采用多次疊加的技術(shù)確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。

3.3 效果驗(yàn)證

3.3.1 綜合地質(zhì)物探成果

1)未開(kāi)挖段不良地質(zhì)段分析。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查—物探勘查成果綜合歸納，節(jié)理(密集帶)裂隙與巖脈組合結(jié)合磁異常與低阻異常配套分析，勘查區(qū)內(nèi)隧址中線共存在12處構(gòu)造薄弱帶。2)涌泥段分析。一號(hào)斷層涌泥段以強(qiáng)風(fēng)化花崗斑巖巖土體為主，主要為灰白色～土黃色砂質(zhì)粘性土、含碎石粘性土間夾部分球狀風(fēng)化殘留體，風(fēng)化殼巨厚，可達(dá)±300 m。區(qū)內(nèi)地表水豐富，地下水含水層發(fā)育，地表水長(zhǎng)期下滲和地下水富集匯聚致使強(qiáng)風(fēng)化巖土體處于水飽和或過(guò)飽和狀態(tài)，隧道工程掘進(jìn)打穿構(gòu)造薄弱帶(強(qiáng)、弱風(fēng)化帶界線)，在上部富水巖土體重力作用和地下水動(dòng)力作用下，形成涌泥突水。3)突水段分析。二號(hào)斷層隧道突水主要來(lái)源于隧址右側(cè)和沿線兩側(cè)的地下水補(bǔ)給，主要導(dǎo)水構(gòu)造可能是與隧址中線交角較大的北西向構(gòu)造裂隙，北東向構(gòu)造與北西向構(gòu)造交切復(fù)合部位及其附近區(qū)域是主要突水隱患所在。

3.3.2 洞內(nèi)物探驗(yàn)證情況

在綜合地質(zhì)物探基礎(chǔ)上，在實(shí)際施工過(guò)程中，通過(guò)TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水、全段超前鉆孔和每開(kāi)挖循環(huán)數(shù)碼相機(jī)拍攝等手段進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果總體吻合，充分說(shuō)明地表綜合地質(zhì)物探索在宏觀掌握隧道地質(zhì)情況與洞內(nèi)微觀實(shí)施綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)的前瞻性和互補(bǔ)性，對(duì)隧道施工過(guò)程中采取科學(xué)的工程措施和應(yīng)急預(yù)案提供了有利的依據(jù)，減少或避免了隧道風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

隧道施工由于其固有復(fù)雜性和特殊性及物探方法的局限性、多解性，因此地質(zhì)超前預(yù)報(bào)不應(yīng)拘泥于一種或幾種預(yù)報(bào)方法，而要根據(jù)物探儀器的不同特點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)分析，避免單一物探手段的多解性，地質(zhì)預(yù)報(bào)的對(duì)象為地質(zhì)體，只有在對(duì)基礎(chǔ)地質(zhì)有深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，根據(jù)隧道整體的工程地質(zhì)特點(diǎn)，采用地表和洞內(nèi)綜合物探相結(jié)合、綜合物探和物理鉆探相驗(yàn)證和對(duì)儀器分析成果進(jìn)行綜合判斷才可以得到比較可靠的結(jié)論。

［1］ GB/T 14158-93，區(qū)域水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)綜合勘查規(guī)范(1∶50 000)［S］.

［2］ DZ/T 0071-1993，地面高精度磁測(cè)技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］ DZ/T 0217-2006，電偶源頻率電磁測(cè)深法技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］ 電法勘探原理與方法［M］.北京:地質(zhì)出版社，2003.

［5］ 邱 懿.綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)在某隧道工程中的應(yīng)用［J］.四川建筑，2009(10):50-51.