高頻大地電磁法在戴云山隧道圍巖分級(jí)中的應(yīng)用

段圣龍

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

0 引言

向莆鐵路全線有隧道116座，總長290.08 km，占線路全長的52.4%，其中：6km20 km的特長隧道有3座，合計(jì)長70.823 km，工程十分艱巨。有14 km以上長大隧道6座，合計(jì)長116 km。這些隧道在勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營階段均會(huì)遇到一系列施工難題，諸如巖溶、涌水、涌泥等不良地質(zhì)災(zāi)害突發(fā)事件，均會(huì)對(duì)隧道施工及運(yùn)營帶來安全隱患，嚴(yán)重威脅施工人員及國家財(cái)產(chǎn)安全。因此長大深埋隧道的圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)在隧道設(shè)計(jì)、施工中起著至關(guān)重要的作用，針對(duì)該類隧道進(jìn)行準(zhǔn)確地質(zhì)宏觀預(yù)測是目前工程界亟待解決的研究課題。目前在隧道勘察設(shè)計(jì)階段，長大深埋隧道的圍巖質(zhì)量主要采用地質(zhì)調(diào)查法、鉆探測試法、地球物理方法進(jìn)行定綜合性判識(shí)[1-2]，地球物理方法(地震折射波勘探法)，通過獲取近地表基巖彈性波速度，建立彈性波速度與巖體完整性的關(guān)系，從而推斷隧道的圍巖完整性。但由于地震折射波勘探法基于地下巖石均一分布假設(shè)，且很難獲得實(shí)際洞深處圍巖彈性波速度，當(dāng)?shù)叵麓嬖诙鄬拥貙踊虻叵碌貙釉诖瓜蛏献兓^大的情況下，該方法不能準(zhǔn)確反映隧道洞身附近巖體質(zhì)量，因此該方法局限適用于巖性單一的淺埋隧道。

近年來高頻大地電磁法在深埋隧道勘察中被廣泛應(yīng)用，該方法通過觀測1 Hz～100 kHz頻帶內(nèi)電磁場信號(hào)，計(jì)算獲得不同深度地下介質(zhì)電阻率，有效獲得地下1 000 m以內(nèi)地下介質(zhì)的電性參數(shù)，通過分析電阻率等值線的分布形態(tài)，可以有效推斷地質(zhì)構(gòu)造、劃分地層巖性、推測巖石節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)及其賦水狀態(tài)[3-6]?；Ｈ鸬萚7-8]通過分析巖體電性參數(shù)與完整性相關(guān)關(guān)系，提出了一種新的表征巖體完整性的參數(shù)-巖體完整性系數(shù)Kr，通過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了利用Kr系數(shù)劃分隧道圍巖級(jí)別的有效性，并與地震折射波勘探法進(jìn)行對(duì)比，表明了Kr系數(shù)對(duì)長大深埋隧道的圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)的可行性，同時(shí)獲得了更符合實(shí)際的圍巖分級(jí)效果。

1 向莆鐵路深埋隧道概況

戴云山隧道穿越尤溪和永泰兩縣交界的戴云山山脈，為雙洞單線隧道，隧道設(shè)計(jì)范圍：DK422+799～DK438+446，全長為15 647 m。隧道洞身距離地表最大埋深為638 m。

1.1 地形地貌特征

戴云山隧道穿越區(qū)地形起伏大、植被茂密、進(jìn)出口交通不便，該隧道橫穿戴云山山脈，隧道穿越區(qū)內(nèi)以構(gòu)造剝蝕中低山為主，地形切割厲害，溝深谷幽。覆蓋植被十分茂盛。

1.2 地層巖性特征

戴云山隧道地形起伏大、穿越地層多，巖性十分復(fù)雜，其中沉積巖主要有二疊系下統(tǒng)童子巖組下段和上段(P1t1、P1t3)粉砂巖夾泥巖和煤層，屬于煤系地層，上統(tǒng)翠屏山組(P2cp)巖屑石英砂巖、粉砂巖夾薄層粉砂質(zhì)泥巖，侏羅系上統(tǒng)長林組(J3c)以砂巖、含礫砂巖為主，夾粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，南園組第二段(J3n2)和第三段(J3n3)火山巖及火山碎屑巖；變質(zhì)巖主要為震旦系稻香組上段(Zdx2)變質(zhì)粉砂巖、千枚巖，局部夾大理巖；洞身局部地段有侵入巖分布，規(guī)模較大的主要有早白堊世上坂巖體(K1K)、早白堊世龍塔巖體(K1L)花崗巖，除此之外，還有少量晚侏羅世(潛)流紋斑巖脈(λJ3)零星分布。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造特征

根據(jù)前期區(qū)域地質(zhì)資料，該隧道處于閩東火山斷坳帶中的福安-平和北東向火山噴發(fā)帶中段。地質(zhì)單元從中元古代至今，經(jīng)多期次的構(gòu)造變動(dòng)、巖漿活動(dòng)及變質(zhì)作用，形成了北東、北西及南北向?yàn)橹鞯幕緲?gòu)造格局。測區(qū)內(nèi)主要斷裂構(gòu)造分布方向?yàn)楸睎|、北北東、北西，少數(shù)近南北向分布。隧道洞身共穿過17條斷裂構(gòu)造、8處巖性接觸帶、3條節(jié)理密集帶、1處背斜，部分?jǐn)鄬有〗嵌扰c隧道斜交，對(duì)隧道施工造成較大的影響。

1.4 水文地質(zhì)條件

戴云山隧道地表水系屬于閩江流域。該流域水系縱坡降大，水流湍急，排水通暢。河流量受季節(jié)性氣候影響明顯，旱季河流量小，雨季流量明顯增大。地下水類型主要包括巖層間裂隙水、孔隙水、構(gòu)造裂隙水等，補(bǔ)給來源主要為大氣自然降水。地下水補(bǔ)給強(qiáng)度受降水強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、匯水面積和地表節(jié)理裂隙的發(fā)育程度共同控制。由于隧道所處地區(qū)高山峻嶺，山坡和沖溝坡度均較陡，多處可見巖石出露地表，地表的殘坡積層較薄，不利于大氣降水的滲入補(bǔ)給。

2 基于電性參數(shù)劃分深埋隧道圍巖級(jí)別的理論基礎(chǔ)

如圖1所示，假設(shè)實(shí)際巖體是由完整巖石和軟弱巖石交錯(cuò)相疊加膠結(jié)而成的六面體，其中完整巖石的電阻率為ρr，厚度為Δh1；軟弱夾層的電阻率為ρw，厚度為Δh2。

圖1 層狀巖體模型Fig.1 Layered rock mass model

設(shè)六面體巖體的底面積為1 m2，高度為H。垂直巖體層理方向的電阻率設(shè)為ρn，沿層理方向的電阻率設(shè)為ρt，實(shí)測的視電阻率則為巖體的平均電阻率ρmass，ρr為完整水飽和巖樣的電阻率，ρw是完整水飽和巖樣受壓至破壞后的巖石電阻率，計(jì)算公式為式(1)[7]。

(1)

由式(1)可以推導(dǎo)出式(2)。

(2)

根據(jù)式(2)可以推導(dǎo)出式(3)。

(3)

于是有：

(4)

根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]，計(jì)算完整巖石在單位巖體中所占的比例可以用巖體完整性系數(shù)Kr來表達(dá)：

(5)

由式(4)和(5)可以推導(dǎo)出巖體完整性系數(shù)Kr與各電阻率之間的關(guān)系式：

(6)

其中:ρmass可以通過電阻率測井或地面電法勘探獲取，通過在地表進(jìn)行高頻大地電磁法觀測獲??；ρr、ρw可以通過室內(nèi)巖樣電阻率測試獲取。根據(jù)式(6)可知，Kr值越大表示巖體越完整。

在實(shí)際隧道工程項(xiàng)目實(shí)施中，為了對(duì)圍巖進(jìn)行分級(jí)，首先針對(duì)實(shí)測高頻大地電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理(噪聲壓制、時(shí)間序列篩選、有效頻率抽取、靜態(tài)校正、地形校正、數(shù)據(jù)反演)，得到視電阻率和阻抗相位，然后結(jié)合實(shí)測地表電阻率或測井電阻率等輔助資料計(jì)算相位遞推電阻率[9]，相位遞推視電阻率ρφ公式為式(7)。

(7)

其中:i=1、2、3、…、n；fi+1

圖2 應(yīng)用高頻大地電磁法進(jìn)行隧道圍巖 完整性分級(jí)流程圖Fig.2 The flow chart of the rockmass classification with high frequency magnetotelluric method

由于巖體完整系系數(shù)(Kr)只是評(píng)價(jià)巖體完整性的單一指標(biāo)，直接采用其劃分隧道圍巖級(jí)別是不完善的，圍巖分級(jí)的兩個(gè)主要指標(biāo)是圍巖強(qiáng)度(堅(jiān)硬程度)和圍巖完整性，圍巖的軟硬程度還與圍巖的種類有關(guān)系。巖體完整系系數(shù)(Kr)與巖體質(zhì)量關(guān)系如表1所示。

表1 巖體完整性系數(shù)(Kr)分級(jí)表Tab.1 The parameters of the rockmass integrality

3 實(shí)例分析

戴云山隧道DK427+000～DK429+000段地形起伏大，最大埋深約500 m，下伏基巖主要為南園組第二段(J3n2)和第三段(J3n3)火山巖及火山碎屑巖，同時(shí)采用高頻大地電磁法和淺層地震折射勘探法進(jìn)行勘察，其中高頻大地電磁法點(diǎn)距為25 m，地震折射勘探點(diǎn)距為5 m。采用電測深方法獲得淺地表30 m內(nèi)平均電阻率，供電極距(AB/2)的極距為10 m、14 m、20 m、28 m、40 m、55 m、75 m、100 m，點(diǎn)距為100 m。

圖3為戴云山隧道DK427+000～DK429+000段淺地表平均電阻率曲線，將該曲線以25 m間距離散，離散后的電阻率作為相應(yīng)點(diǎn)位處相位遞推電阻率的初值ρφ(fN)，根據(jù)公式(7)可以計(jì)算得到相位遞推電阻率曲線。為了獲得完整巖石電阻率，通過深孔收集該隧道洞深附近完整巖樣7塊，巖樣巖性為凝灰熔巖，室內(nèi)測得完整水飽和巖樣的平均電阻率為2 100 Ω·m，完整水飽和巖樣受壓至破壞后的巖石電阻率約260 Ω·m，以巖樣平均電阻率作為完整巖石電阻率，即完整巖石的ρr取2 100 Ω·m，軟弱夾層的ρw取260 Ω·m。

圖4為戴云山隧道DK427+000～DK429+000段高頻大地電磁法相位遞推視電阻率斷面圖，依據(jù)電阻率等值線分布趨勢推斷主要有兩處斷裂構(gòu)造。根據(jù)圖4顯示DK427+000～DK429+000段圍巖電阻率在300 Ω·m～2 000 Ω·m范圍內(nèi)，結(jié)合地震折射勘探資料顯示該段圍巖彈性波速度在2.5 km/s～4.5 km/s范圍內(nèi)。

圖3 戴云山隧道近地表30 m內(nèi)平均電阻率曲線圖Fig.3 Average resistivity carve of 30 meters near- surface along Dai-Yunshan tannel

圖4 戴云山隧道高頻大地電磁法綜合電阻率斷面圖Fig.4 The profile of high frequency magnetotelluric method at Dai-Yunshan tunnel

根據(jù)高頻大地電磁法觀測結(jié)果剖面資料，選取在隧道洞身(圖4中的黑線)上下25 m的巖石電阻率值作為平均電阻率 (圖4中紅框范圍，圖中“+”表示有效數(shù)據(jù)點(diǎn))。最后，根據(jù)式(6)計(jì)算出巖體完整性系數(shù)Kr，按照表1對(duì)圍巖進(jìn)行級(jí)別劃分，劃分結(jié)果如表2所示。

由表2分析可知，依據(jù)地震折射波勘探資料該段在DK427+675～+775、DK427+950～Dk428+075段地震波速小于2.8 km/s，推測為斷裂破碎帶，實(shí)際開挖過程中，DK427+675～+775段無明顯斷裂構(gòu)造跡象，但節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體呈較破碎狀態(tài)，基于高頻大地電磁法的Kr系數(shù)的分級(jí)結(jié)果為IV級(jí)圍巖，與實(shí)際情況基本相符。DK427+950～Dk428+075段破碎帶寬約120 m，縱波速度分級(jí)與Kr分級(jí)均為V級(jí)，與實(shí)際開挖對(duì)應(yīng)良好。DK428+275～+500段實(shí)際開挖顯示該段圍巖局部夾薄層泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖。節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水為基巖裂隙水，較富水，彈性波速度圍巖分級(jí)顯示該段整體為II級(jí)圍巖，與實(shí)際情況不符合，表明通過地震折射方法獲得的縱波速度為近地表基巖速度，不能反映隧道實(shí)際洞深處的圍巖完整情況，特別是在隧道深埋大或地下介質(zhì)具有多層地層的情況下，而高頻大地電磁法則獲取隧道洞深附近實(shí)際電性參數(shù)，因此在深埋段高頻大地電磁法成果進(jìn)行圍巖分級(jí)效果較好。該實(shí)例表明，在隧道深埋大或地下介質(zhì)具有多層地層的情況下，相對(duì)于彈性波圍巖分級(jí)結(jié)果，基于高頻大地電磁法的Kr系數(shù)分級(jí)結(jié)果與施工圍巖級(jí)別吻合度較高，更接近于實(shí)際情況。

4 結(jié)論

綜合分析戴云山隧道前期勘探資料和后期開挖資料，對(duì)比該隧道巖體電性參數(shù)Kr、彈性波速度圍巖分級(jí)結(jié)果與施工圍巖分級(jí)，可得出如下結(jié)論：

1)在隧道深埋段(埋深大于100 m)，電性參數(shù)圍巖分級(jí)要優(yōu)于彈性波圍巖分級(jí)結(jié)果，主原因在于彈性波速度主要通過地震折射方法獲得的近地表基巖面速度，該速度不能等價(jià)為實(shí)際洞深處的圍巖速度，因此埋深越大，誤差也可能越大，特別是地下介質(zhì)具有多層地層情況下，不能反映實(shí)際隧道洞身附近巖體質(zhì)量(如DK428+125-DK428+500段)。而高頻大地電磁法可獲得與實(shí)際電性參數(shù)符合較好的隧道洞深標(biāo)高附近電性參數(shù)，因此能較真實(shí)地反映宏觀巖體完整性。

表2 戴云山隧道大地電磁分級(jí)結(jié)果與施工圍巖級(jí)別對(duì)比表Tab.2 Comparison of the rockmass classification results with two kinds of approaches

2)計(jì)算巖體完整性系數(shù)Kr的參數(shù)均為實(shí)際隧道洞深附近巖體電性參數(shù)，該指標(biāo)盡管是通過一個(gè)宏觀的間接性公式得到, 雖然不能與巖石強(qiáng)度直接相關(guān), 但能夠宏觀反映巖體的完整程度, 可作為對(duì)隧道圍巖分級(jí)的輔助方法。

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