綜合物探在婁邵鐵路張家灣隧道巖溶病害整治勘察中的應(yīng)用

卿 志

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

綜合物探在婁邵鐵路張家灣隧道巖溶病害整治勘察中的應(yīng)用

卿 志

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

巖溶作為一種不良地質(zhì)病害，對隧道施工造成了嚴(yán)重的威脅。受隧道場地條件及物探方法自身應(yīng)用條件的限制，常規(guī)物探方法的勘察效果不理想。根據(jù)張家灣隧道的特點，嘗試地面與洞內(nèi)勘察相結(jié)合的方法，采用高頻大地電磁法與地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行綜合物理勘探，取得了理想的效果，論證了兩種方法在隧道巖溶病害整治中的有效性及互補性。

巖溶隧道;綜合物探;高頻大地電磁法;地質(zhì)雷達(dá)法

0 引言

巖溶的存在使得隧道的圍巖力學(xué)狀態(tài)更為復(fù)雜，客易造成圍巖中應(yīng)力過度集中，隧道周邊變形量增加，從而引起施工中局部圍巖的坍塌、掉塊;若溶洞中存在巖溶水或充填物，施工過程中容易發(fā)生突水、突泥等工程災(zāi)害，直接危及施工人員和機械設(shè)備的安全，并造成隧道建成后運營環(huán)境及地表生態(tài)環(huán)境的惡化。

隧道的巖溶病害勘察主要以物探方法為主，受隧道場地條件及物探方法自身應(yīng)用條件的限制，常規(guī)直流電法、地震反射、高密度電法、瞬變電磁法等在復(fù)雜地形條件下的隧道巖溶病害勘察中應(yīng)用效果均不理想。在前人研究的基礎(chǔ)上，此次張家灣隧道巖溶病害勘察工作，筆者嘗試采用地表與洞內(nèi)相結(jié)合的綜合物探方法展開工作，取得了理想的勘察效果。

1 工程概況

新建婁邵鐵路張家灣隧道位于湖南省婁底市附近中山丘陵地區(qū)，隧道埋深約50～120 m，隧道圍巖以灰?guī)r為主。任務(wù)段穿越附近山地匯水區(qū)域，山高谷深，巖溶地貌發(fā)育，地表滲流嚴(yán)重。隧道施工以來先后遇到三處較大溶洞，并發(fā)生了涌水險情，涌水量最大達(dá)710 m3/h;地表形成了直徑約4.5 m、深約5 m的圓形陷坑。根據(jù)對涌水情況及抽水后現(xiàn)場情況觀察，多處已施工完成的隧道二襯出水孔水量很大，且?guī)в写罅磕嗌?二襯多處開裂、滲水，隧道結(jié)構(gòu)受到破壞，給今后隧道的運營留下極大的隱患。需要查明隧道周邊巖溶空間位置及規(guī)模，周邊巖溶與隧頂巖溶洼地及地表塌陷的關(guān)系，以備確定施工整治方案。

2 物探方法選擇［1－7］

常規(guī)的物探勘察方法有常規(guī)直流電法、地震反射、高密度電法、瞬變電磁等。其中常規(guī)直流電法與高密度電法受地形條件限制，不適合做越嶺隧道巖溶勘察;地震反射法受民爆物質(zhì)管理的限制，在工程勘察中應(yīng)用難度逐年增加;瞬變電磁法勘探深度與線圈面積直接相關(guān)，復(fù)雜地形下外業(yè)工作特別困難，同時受關(guān)斷效應(yīng)影響，早期視電阻率沒有利用價值，無法提供從地表到隧道洞身的連續(xù)地電信息，因此，該方法也不適用于復(fù)雜地形條件下的隧道巖溶勘察。

近年來鐵四院及中南大學(xué)的專家學(xué)者通過對鄂西、湘中、滇北、晉東以及內(nèi)蒙古中部地區(qū)大量實測的10 Hz～100 kHz大地電磁信號特征的研究，將大地電磁法的頻帶上限擴展到100 kHz的，從而提出了高頻大地電磁測深的概念，并在宜萬、貴廣、向莆等多條復(fù)雜山區(qū)鐵路針對埋深在50～1 000 m的隧道開展了大量勘察實踐工作，在深部隧道巖溶、斷層、巖性接觸帶查找等方面取得了突破。

洞內(nèi)勘察方法中地質(zhì)雷達(dá)法以其非破壞性探測、抗干擾性強、分辨率高、可連續(xù)測量等優(yōu)勢，在隧道圍巖巖溶勘察方面得到了廣泛應(yīng)用。

根據(jù)任務(wù)的具體要求及隧道場地條件，此次任務(wù)嘗試采用地面與洞內(nèi)勘察相結(jié)合的方法，地面采用高頻大地電磁法作為勘測手段，主要探查從地表到隧道洞身附近的巖溶發(fā)育情況及巖溶與地表塌陷、地下水滲流通道的關(guān)系;洞內(nèi)選用地質(zhì)雷達(dá)法，主要了解隧道圍巖內(nèi)巖溶發(fā)育帶的準(zhǔn)確空間位置及與隧道病害的關(guān)系。

3 數(shù)據(jù)采集及資料解釋

3.1 高頻大地電磁法

高頻大地電磁法測線沿隧道中線布置，穿越DK17+260—+265地表塌陷處，采用連續(xù)剖面測深方式，矢量觀測，點距15 m(見圖1)。因測線穿越山頂村落，為改進(jìn)數(shù)據(jù)質(zhì)量、提高信噪比，本次勘測加設(shè)人工場源。

根據(jù)以往大量的工程實例所反映的一個普遍規(guī)律:只要不是與外界連通的無充填溶洞，巖溶在高頻大地電磁法地電斷面上呈現(xiàn)的都是低電阻率異常。由于高頻大地電磁的高頻端達(dá)到100 kHz，對于埋深數(shù)十米的巖溶隧道具有獨特的縱橫向高分辨率，其異常特征主要表現(xiàn)為與巖溶形態(tài)的相似性，反映了巖溶向下發(fā)育的管道狀特征;對水平發(fā)育帶中的巖溶，當(dāng)規(guī)模較大且有水平延伸時，會形成封閉的低阻異常，其中一個最普遍、最重要的異?，F(xiàn)象是高阻中出現(xiàn)相對低阻異常區(qū)［1－2］。

圖2是張家灣隧道高頻大地電磁法數(shù)據(jù)通過非線性共軛梯度反演(NLCG)得到的地電斷面圖。如圖所示，淺部低電阻率主要對應(yīng)地表第四系覆蓋層，部分向深部延伸的低阻凹槽為灰?guī)r溶槽、地下水滲流通道的反映;中深部以灰?guī)r高阻背景為主，隧道洞身附近共發(fā)現(xiàn)較明顯的相對低電阻率異常帶7處，推測為溶蝕異常。其中Ⅲ號、Ⅳ號異常分別對應(yīng)DK17+258—+273和DK17+352處發(fā)生大規(guī)模涌水險情的突水溶腔，且與地表+260—+265地表塌陷處及地表巖溶洼地的低阻溶槽異常存在連通關(guān)系，為附近地下水的主要滲流通道。

圖1 張家灣隧道高頻大地電磁法平面布置圖Fig.1 Layout plan of high frequency magnetotellurics method of Zhangjiawan tunnel

圖2 張家灣隧道高頻大地電磁法地電斷面圖Fig.2 Geoelectric section of high frequency magnetotellurics method of Zhangjiawan tunnel

3.2 地質(zhì)雷達(dá)法

洞內(nèi)地質(zhì)雷達(dá)法共布置測線9條(見圖3)。選用100 MHz、400 MHz組合天線，連續(xù)測量方式。

地質(zhì)雷達(dá)法溶洞異常判識標(biāo)準(zhǔn)［4－5］:界面反射波振幅強、時程較大后仍有后續(xù)反射信號，局部有繞射形態(tài)強反射信號區(qū)段，可判定為溶洞異常［4－7］。

洞內(nèi)9條雷達(dá)測線共發(fā)現(xiàn)8個巖溶區(qū)，具體位置如圖6所示。其中Ⅰ號、Ⅲ號、Ⅳ號分別對應(yīng)DK17+010、+258—+273、+352處發(fā)生突水險情的溶腔位置。三處異常帶范圍較寬，橫向貫穿整個隧道洞身，縱向延伸到襯砌背后15 m附近仍能見到明顯的巖溶異常反映，異常帶附近出水孔水量大，帶泥，隧道襯砌面多處開裂，雨季滲水嚴(yán)重，為測區(qū)內(nèi)主要溶蝕帶。

圖3 張家灣隧道洞內(nèi)物探測線布置示意圖Fig.3 Layout diagram of geophysical survey line of Zhangjiawan tunnel

圖4 張家灣隧道3測線Ⅳ號異常雷達(dá)圖像ig.4 Radar image of Line 3Ⅳgeophysical anomaly of Zhangjiawan tunnel

圖5 張家灣隧道5測線Ⅲ號異常雷達(dá)圖像ig.5 Radar image of Line 5Ⅲgeophysical anomaly of Zhangjiawan tunnel

圖6 洞內(nèi)地質(zhì)雷達(dá)物探平面成果圖Fig.6 The resultant map of ground penetrating radar inside the cave

3.3 洞內(nèi)外方法綜合對比

綜合高頻大地電磁法與地質(zhì)雷達(dá)資料，兩種方法異常位置對應(yīng)性良好(見表1)，其中Ⅰ號、Ⅲ號、Ⅳ號異常段與隧道施工時遇到的突水溶腔位置對應(yīng)。高頻大地電磁資料較好地反映了DK17+258—+273和DK17+352處突水溶腔與地表塌陷位置及地表溶蝕洼地及中淺層灰?guī)r溶槽的連通關(guān)系;地質(zhì)雷達(dá)資料巖溶位置細(xì)化，結(jié)合各測線物探地質(zhì)斷面能較好地反映出巖溶相對于隧道的空間位置。

4 結(jié)論

通過本次工程實踐表明，高頻大地電磁法可以在宏觀上整體把握地質(zhì)情況和巖溶分布，地電斷面上的巖溶異常與地貌特征、地下水滲流通道的關(guān)系都能夠較清楚地得到體現(xiàn)，缺點是異常范圍不夠細(xì)化;地質(zhì)雷達(dá)法可以較好地彌補高頻大地電磁法在這方面的不足，能詳細(xì)地反映出隧道附近圍巖內(nèi)巖溶異常相對于隧道的空間位置，為后續(xù)施工整治提供依據(jù)。

表1 張家灣隧道洞內(nèi)外物探異常位置一覽表Table 1 List of geophysical anomaly location of Zhangjiawan tunnel

根據(jù)綜合物探成果資料有針對性地制定方案并進(jìn)行了整治，經(jīng)過雨季的觀察，隧道滲水、開裂的情況得到了很好的控制，驗證了高頻大地電磁與地質(zhì)雷達(dá)法綜合物探在隧道巖溶病害整治勘察中的有效性。對同類工程中類似情況的處理具有良好的借鑒作用。

［1］ 樸化榮.電磁測深法原理［M］.北京:地質(zhì)出版社，1990.

［2］ 曹哲明.高頻大地電磁測深在隧道工程勘察中的應(yīng)用［J］.工程勘察，2007(5):63－66.

［3］ 王若，等.可控源音頻大地電磁數(shù)據(jù)的反演方法［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2003(2):197－202.

［4］ 李大心.探地雷達(dá)方法與應(yīng)用［M］.北京:地質(zhì)出版社，1994.

［5］ 李大心.地球物理方法綜合應(yīng)用與解釋［M］.武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2003.

［6］ 倪章勇，等.地質(zhì)雷達(dá)解釋隧道襯砌空洞大小的定量研究［J］.鐵道勘察，2010(1):59－62.

［7］ 江玉樂，等.探地雷達(dá)在隧道工程檢測中的應(yīng)用［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，2008(1):58 －61.

(責(zé)任編輯:于繼紅)

The Application of Integrated Geophysical Exploration Method of the Karst Defect Treatment in Lou-Shao Zhangjiawan Railway Tunnel

QING Zhi
(China Railway Siyuan Survey and Design Guoup Co.，LTD.，Wuhan，Hubei430063)

Karst as a bad geological phenomenon，it's a serious threat to the tunnel construction.The effects of conventional geophysical survey methods are not good for tunnel site conditions and the limited of geophysical method application conditions.According to the characteristics of Zhangjiawan tunnel，attempted to combine with the ground and the cave survey methods，used high-frequency magnetotellurics method and ground penetrating radar integrated physical exploration，and achieved the desired results，demonstrated effectiveness and complementarity of two methods about defect treatment in karst tunnel survey.

karst tunnel;integrated geophysical method;high frequency magnetotellurics method;GPR method

P631;U457+.2

A

1671－1211(2014)02－0193－04

2014－02－21;改回日期:2014－02－27

卿志 (1976－)，男，工程師，應(yīng)用地球物理專業(yè)，從事工程物探勘查工作。E－mail:739766256@qq.com

book=196,ebook=273