工程物探在隧道勘查中的應(yīng)用

宋 安

（廣東省核工業(yè)地質(zhì)局二九三大隊(duì)，廣東廣州510800）

1 目的任務(wù)

勘察的目的是通過(guò)物探方法，初步查明所勘測(cè)區(qū)第四系地層大致厚度，基巖頂界面（強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖）的大致埋深，初步查明勘察范圍內(nèi)的異常情況，如地層突變、不良工程地質(zhì)層、不良地質(zhì)構(gòu)造、軟弱地層等。具體任務(wù)為：

（1）在收集、分析、整理已有地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)工程物探和現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查、測(cè)繪，查明隧道區(qū)工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，對(duì)隧道進(jìn)行分段工程地質(zhì)說(shuō)明，確定各隧道分段圍巖類別和主要物理力學(xué)參數(shù)。

（2）查明隧道所處部位地質(zhì)構(gòu)造、斷層的產(chǎn)狀、性質(zhì)、類型、寬度和影響范圍，對(duì)隧道的可穿越性及應(yīng)采取的主要施工措施進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（3）綜合分析評(píng)價(jià)隧道圍巖和洞口邊坡的穩(wěn)定性，提出處理措施及施工方案的相關(guān)建議。

2 自然地理概況

項(xiàng)目區(qū)域處于粵西隆起帶，北部高南部低，中間高，東西兩端低。以中低山和丘陵地形為主，地表水系發(fā)育，地形復(fù)雜，路線經(jīng)過(guò)處海拔標(biāo)高介于15～945m之間。經(jīng)河流的長(zhǎng)期侵蝕，西段形成盆地和低矮丘陵，西中部的石灰?guī)r均被第四系覆蓋。路線走廊帶內(nèi)地形地貌條件較復(fù)雜，按地貌成因和形態(tài)特征，路線走廊帶可劃分為低山丘陵地貌、丘陵山區(qū)和丘間谷地、微丘崗嶺、河谷平原等4個(gè)地貌單元。

3 區(qū)域地質(zhì)概況

3.1 地質(zhì)構(gòu)造

測(cè)區(qū)大地構(gòu)造位置屬于粵中坳褶束，經(jīng)歷了加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)旋回，火山巖及次火山巖，印支構(gòu)造運(yùn)動(dòng)旋回花崗閃長(zhǎng)巖，燕山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)旋回花崗巖，及喜山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)旋回花崗斑巖。恩蒼大斷裂，為測(cè)區(qū)主要區(qū)域性大斷裂橫貫測(cè)區(qū)中部，從陽(yáng)江縣那墟西鄰入境，往北北—東經(jīng)那龍墟至恩平城，其北為沖洪積掩蓋，長(zhǎng)90km，其性質(zhì)為復(fù)活大斷裂西側(cè)上盤(pán)∈bca，產(chǎn)狀120°∠85°，東側(cè)下盤(pán)則由D2砂頁(yè)巖和石英巖組成，產(chǎn)狀310°∠30°。根據(jù)野外調(diào)查，路線范圍內(nèi)未見(jiàn)其露頭，建議下階段結(jié)合鉆探進(jìn)行查驗(yàn)其是否穿過(guò)路線區(qū)。

3.2 區(qū)域地層

項(xiàng)目區(qū)主要通過(guò)段地層有：主要分布于A9K36+597.948～A9K43+220，其主要巖性有燕山期細(xì)?；◢弾r、細(xì)粒黑云母花崗巖、細(xì)粒鈉長(zhǎng)石化花崗巖及不等粒中細(xì)粒黑云母花崗巖等灰白色、灰色、肉紅色不等粒細(xì)?；◢弾r及中細(xì)粒黑云母花崗巖,燕山期花崗閃長(zhǎng)巖。

3.3 水文地質(zhì)

（1）松散巖類孔隙水。第四系含水層直接裸露地表，主要分布于坡殘積層。山間溝谷沖積區(qū)含水巖組主要為砂卵礫石層，透水性相對(duì)較強(qiáng)，與地表水關(guān)系密切，主要受大氣降水補(bǔ)給，地下水位受季節(jié)影響明顯；同時(shí)還有少量的基巖裂隙水補(bǔ)給，含粘性土碎石分布于山麓部，由于其厚度較薄，相對(duì)富水性較差，主要接受大氣降水補(bǔ)給，同時(shí)還有少量的基巖裂隙水補(bǔ)給，總體上水量較小，因其含水層透水性極差，基本為滯水帶，地下水以垂直運(yùn)動(dòng)為主，蒸發(fā)是其主要的排泄方式。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料表明地下水對(duì)砼無(wú)侵蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具中等侵蝕性。

（2）基巖裂隙水。基巖裂隙水由大氣降水直接沿構(gòu)造裂隙和風(fēng)化裂隙滲透補(bǔ)給，降雨是其主要補(bǔ)給來(lái)源，勘察區(qū)主要巖性為粗?；◢弾r，其節(jié)理裂隙較發(fā)育，基巖裂隙和風(fēng)化裂隙帶在接受大氣降水后，多變?yōu)榈叵聫搅?，潛入基巖裂隙中。

4 野外地球物理?xiàng)l件

為做好物探工作，應(yīng)對(duì)施測(cè)對(duì)象的性質(zhì)、特征了解清楚，以采取合適的方法、參數(shù)。同時(shí)在解釋時(shí)采取合適的方法，以提高解釋精度。

4.1 第四系松散堆積物

第四系松主要為松散層，組成部分為殘、坡積含碎石粉質(zhì)粘土；整層縱波波速Vp一般為480～870m/s，視電阻率約為50～250Ω·m。

4.2 下伏基巖層

粗?；◢弾r為下伏基巖層的主要巖體，由全、強(qiáng)、中、微風(fēng)化層組成。其中，上部表層呈土狀，為全風(fēng)化層，主要為花崗巖風(fēng)化而成，大部呈堅(jiān)硬狀，縱波波速870～1150m/s，視電阻率值一般在300～500Ω·m。強(qiáng)風(fēng)化巖呈半巖半土狀，遇水易軟化，裂隙極發(fā)育，完整性極差，縱波波速1350～1860m/s，視電阻率值一般在400～800Ω·m。中風(fēng)化巖，巖質(zhì)較硬，裂隙較發(fā)育，完整性稍好，縱波波速一般1800～3000m/s，視電阻率值一般在800～1500Ω·m。微風(fēng)化巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，裂隙不發(fā)育，完整性好，縱波波速2500～4600m/s，視電阻率值一般不小于1300Ω·m。

場(chǎng)區(qū)各個(gè)巖土層之間波阻抗存在顯著差異，地層主要為層狀產(chǎn)出，波阻抗界面和地質(zhì)界面相吻合，波阻抗的變化基本反映地層和地質(zhì)體的變化。工區(qū)位于野外，無(wú)其他較強(qiáng)的震動(dòng)干擾。具備了地震反射波方法工作條件。

根據(jù)以上巖土層之間的物理性質(zhì)及采集樣品的室內(nèi)試驗(yàn)，勘查區(qū)巖土層存在明顯的電性差異，且工區(qū)內(nèi)無(wú)電磁場(chǎng)干擾，適合開(kāi)展高密度電法工作。

綜上所述，在場(chǎng)區(qū)內(nèi)分布的覆蓋層和基巖之間和在巖溶發(fā)育區(qū)域、斷層構(gòu)造發(fā)育區(qū)域、破碎帶等不良地質(zhì)體發(fā)育區(qū)域和圍巖之間都存在較明顯的波阻抗及電性差異，為開(kāi)展地震反射波法及高密度電法提供的前提條件。

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)及物理性質(zhì)分析，第四系覆蓋層與下伏基巖的全風(fēng)化巖層大體一致，從物探解釋角度上可以將其統(tǒng)一歸類為第四系土層中。

中、微風(fēng)化巖層之間層位的變化不明顯，結(jié)合本次目的任務(wù)主要為了解中風(fēng)化巖層頂面縱波波速，故將中、微風(fēng)化2層歸為統(tǒng)一層位解釋。

5 工程物探方法選擇

本段物探勘察的對(duì)象為隧道，主要是探明第四系土層、各風(fēng)化層埋深，為設(shè)計(jì)提供巖土層地球物理參數(shù)，初步查明構(gòu)造等不良地質(zhì)現(xiàn)象，因此，本次采用淺層地震反射波法及高密度電法進(jìn)行勘察，以了解巖土層地球物理參數(shù)，評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性，查明構(gòu)造等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

6 野外工作方法及數(shù)據(jù)處理

6.1 地震反射波法

淺層地震勘察使用參數(shù)要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，一般為：采用12道，3次覆蓋，叩板法錘擊震源，道間距：3m，偏移距：12m，炮點(diǎn)距6m，記錄長(zhǎng)度：512ms，采樣率：125μs。

野外數(shù)據(jù)采集注意以下事項(xiàng)：

首先用RTK測(cè)量設(shè)備確定控制點(diǎn)，并由GPS配合地質(zhì)羅盤(pán)來(lái)控制測(cè)線方向，在數(shù)據(jù)采集前；對(duì)儀器及各種輔助設(shè)備進(jìn)行檢查；現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)時(shí)，保證采集的波形是否滿足要求，并做好野外記錄表；當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)異常情況應(yīng)及時(shí)處理。并做好相關(guān)記錄。

地震反射波法數(shù)據(jù)處理解釋遵循如下原則：

（1）同一連續(xù)完整的巖層的地震波形相似，周期相同，同相軸光滑，連續(xù)性強(qiáng)，總體上反映巖層的起伏變化。

（2）在構(gòu)造破碎帶或巖溶發(fā)育部位，由于地震波受到散射、繞射作用的影響，波形零亂、畸變、不連續(xù)。

根據(jù)以上原則，首先在地震勘探時(shí)間剖面上進(jìn)行層位判讀，選定層位，讀取各拐點(diǎn)時(shí)間，然后根據(jù)下式計(jì)算各層及目標(biāo)地質(zhì)體埋深：

Hj=V1·T1/2+V2·（T2-T1）/2+…+Vj·（Tj+Tj-1）/2

式中：Hj——第j層底面埋深；

Vj——波在j層內(nèi)的傳播速度；

Tj——波在j層內(nèi)的傳播時(shí)間。

6.2 高密度電法

高密度電法野外工作參數(shù)：電極數(shù)60個(gè)，電極距為5m，采用改進(jìn)型的溫納—施倫貝爾裝置。

野外數(shù)據(jù)采集注意以下事項(xiàng)：

（1）利用孔位及皮尺布設(shè)電極，電極位置誤差不大于±20cm。

（2）保證電極接地良好，數(shù)據(jù)采集前，檢測(cè)每個(gè)電極的接地電阻，必要時(shí)向電極處灌注鹽水，以保證接地電阻不大于50kΩ·m。

（3）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)做好相應(yīng)的記錄。

（4）當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)異常情況應(yīng)及時(shí)處理。并做好相關(guān)記錄。

數(shù)據(jù)處理及時(shí)將儀器內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸軟件傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，運(yùn)用RES2DINV高密度電法反演軟件進(jìn)行壞點(diǎn)刪除、地形校正、格式轉(zhuǎn)換及反演計(jì)算等步驟，繪制出電阻率色譜圖,依據(jù)等值線圖上的視電阻率值的變化特征結(jié)合地質(zhì)調(diào)查資料做出地質(zhì)解釋。

7 成果分析

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，并結(jié)合地質(zhì)資料，勘查區(qū)可分為3大層，從上到下第一層推斷為第四系覆蓋層，其縱波波速為600～1200m/s；第二層推斷解釋為強(qiáng)風(fēng)化粗粒花崗巖，其縱波波速為1350～1840m/s；第三層為粗?；◢弾r，推斷為中、微風(fēng)化巖層，其縱波波速大于2000m/s，然后根據(jù)各層的計(jì)算深度，繪制物探解釋斷面圖（如圖1～圖3所示）。

7.1 第四系土層和全風(fēng)化層

圖1 淺層地震反射時(shí)間剖面圖（一半里程）

圖2 高密度電法視電阻率成像圖（一半里程）

第四系松散覆蓋層主要為坡殘積粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化層，大部呈硬塑或堅(jiān)硬狀，層厚不均，主要分布在進(jìn)、出洞口端及洞身溝谷地帶，厚度為0.0～12.32m，Vp=670～850m/s，視電阻率值在200～500Ω·m，整層穩(wěn)定性差。

7.2 下伏基巖

下伏基巖主要為粗?；◢弾r，根據(jù)其風(fēng)化程度可分為全、強(qiáng)、中、微風(fēng)化層。

全風(fēng)化層大部呈土狀，大部呈堅(jiān)硬狀，劃入第四系松散覆蓋層中，縱波波速870～1080m/s；

強(qiáng)風(fēng)化巖呈半巖半土狀，遇水易軟化，裂隙極發(fā)育，完整性極差，層厚不均，全場(chǎng)均有分布，厚度為0.20～12.67m，縱波波速1350～1840m/s，視電阻率值在500～800Ω·m；

中風(fēng)化巖，裂隙發(fā)育，片理發(fā)育，巖石破碎，穩(wěn)定性較 差 。 Vp=2280～3180m/s，視 電 阻 率 值 在 800～1500Ω·m；

圖3 物探解釋縱斷面圖（一半里程）

微風(fēng)化巖裂隙稍發(fā)育，巖石整性較好，穩(wěn)定性較好，巖質(zhì)硬，縱波速度Vp=3100～4350m/s，視電阻率值在1500～4000Ω·m。

從物探勘察結(jié)果看，物探勘察范圍內(nèi)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件相對(duì)較簡(jiǎn)單；勘察區(qū)無(wú)明顯構(gòu)造破碎帶等不良地質(zhì)現(xiàn)象，適合隧道工程建設(shè)。

隧址區(qū)A6K29+080～A6K29+300及A6K29+900～A6K30+000段為物探異常，巖石較破碎、裂隙發(fā)育，地下水極為發(fā)育，對(duì)施工安全有一定影響。建議在上述段內(nèi)布置鉆孔驗(yàn)證，通過(guò)觀察地下水水位、地下水相關(guān)測(cè)試、聲波和溫度測(cè)井等手段，進(jìn)一步了解隧道內(nèi)地下水水位、涌水量、圍巖的完整性、井溫變化等相關(guān)參數(shù)。建議在施工過(guò)程中要進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作，以確保施工開(kāi)挖安全。

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