綜合物探方法在廈蓉高速擴建龍巖段邦山隧道塌陷病害勘察中的應用

■傅慶凱

(福建省交通規(guī)劃設計院，福州 450004)

1 引言

隨著我國國民經濟的飛速發(fā)展，鐵路、公路也得到了進一步的發(fā)展，而巖溶與斷層等不良地質體對鐵路、公路中隧道的施工有著很大的危害，時常發(fā)生塌陷、透水事故，輕則造成國家財產的損失，重則危及他人生命。因此，對于即將施工的隧道進行不良地質體的勘察具有十分重要的意義。

我國對隧道的探測目前仍以鉆探方法為主，但近幾年發(fā)展起來的地球物理方法發(fā)揮的作用越來越大。常用的物探方法有：地震反射波法、電磁測深法、彈性波CT法、高密度電法、瞬變電磁場法等等[1-7]。其中，EH4法和高密度電阻率法是一種高效的工程地球物理方法，具有檢測速度快、采集密度大、信息量豐富、檢測結果準確可靠等優(yōu)點，已被廣泛地應用于各類工程檢測中。李軍等(2010)在對水庫大壩塌陷勘測中，選擇高密度電法進行塌陷勘查，取得了良好的效果，查明了塌陷區(qū)的范圍[8]。王燁等(2009)使用EH4電導率成像系統(tǒng)對宜(昌)萬(州)線大支坪隧道工程進行了勘察，結果證明該方法在灰?guī)r地區(qū)巖溶洞穴及斷裂構造探測方面具有較好效果[9]。孫英勛等(2008)使用高頻大地電磁對南貢山隧道的軟弱層、巖溶洞穴及斷層的賦存情況進行了超前的宏觀預測，避免了施工風險和預防了施工過程中可能出現(xiàn)的地質災害[10]。

2 綜合物探方法的基本原理

2.1 EH4法的基本原理

高頻大地電磁法的原理與傳統(tǒng)的MT法一樣，它是利用宇宙中的太陽風、雷電等入射到地球上的天然電磁場信號和人文活動產生的電磁場信號作為激發(fā)場源，又稱一次場，所不同的是高頻大地電磁法主要利用一次場的高頻部分(10Hz～100kHz)，作為激勵場源，人文活動產生的電磁場信號為其主體。由電磁場理論可知，當該一次場是平面電磁波時，垂直入射到介質中，大地介質中將會產生感應電磁場，此感應電磁場與一次場是同頻率的，引入波阻抗Z。在均勻大地和水平層狀大地情況下，波阻抗是電場E和磁場H的水平分量的比值。

2.2 高密度電法的基本原理

高密度電法屬直流電阻率法，其基本工作原理與常規(guī)電阻率法大體相同。所不同的是在觀測中布設了高密度的觀測點，實際上是一種陣列式電阻率測量方式[11]。它是一種以巖(礦)石的導電性差異為基礎[12]的電探方法。通過供電電極A、B向地下供電流I，然后在測量電極M、N間測量電位差ΔV，從而可求得該點(MN中點)的視電阻率值。

通過對地表不同部位人工電場的測量，得到視電阻率ρs的分布情況(見圖3)，根據(jù)巖土介質視電阻率的分布推斷解釋地下地質結構。高密度電法兼具電剖面法與電測深法的優(yōu)點，采集信息豐富，分辨率較高，且野外場地要求不高，外業(yè)數(shù)據(jù)采集可操作性強。

圖1 EH4電磁成像系統(tǒng)工作裝置布置圖

3 綜合物探方法的野外工作方法及數(shù)據(jù)處理

3.1 EH4法的野外工作方法及數(shù)據(jù)處理

野外實測時，以測線方向為x軸，我們就是以線路為測線，垂直測線方向為y軸，在測點上沿x方向和y方向布置兩組相互垂直的電極和磁探頭，采用“十”字形方式布極。根據(jù)地物、地形條件，各個測點的電極距為20m，點距20m，布極方向分別平行和垂直于測線(見圖1)。

EH4通過接收地面電磁波來實現(xiàn)電阻率的測深。連續(xù)的測深點可以組成地下二維電阻率剖面。這一過程是這樣的：首先采集野外電磁場信號，然后將之傳到主機進行進一步的數(shù)據(jù)處理，生成四個文件：測量文件、時間序列文件、功率譜文件和阻抗文件。

該系統(tǒng)工作的具體流程見圖2。

圖2 系統(tǒng)工作的具體流程

3.2 高密度電法的野外工作方法及數(shù)據(jù)處理

高密度電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[13，14]主要由主機、多路電極轉換器、電極系三部分組成。多路電極轉換器是通過電纜控制電極系中各電極的供電與測量狀態(tài)；主機通過通訊、供電電纜向多路電極轉換器發(fā)出工作指令、向電極供電并接收、存貯測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集結果自動存入主機，主機通過軟件把原始數(shù)據(jù)傳輸給計算機，計算機將數(shù)據(jù)轉換成要求的數(shù)據(jù)格式，經畸變點剔除、地形校正等預處理后，繪制視電阻率等值線圖。結合地質資料做出地質解釋，并繪制出地質解釋斷面圖。其數(shù)據(jù)處理與解釋流程見圖3。

4 工程概況

本文以廈蓉高速擴建龍巖段邦山隧道塌陷病害勘察為例，論述綜合物探方法在高速公路地質病害探查的勘察效果。該隧道位于龍巖市紅坊鎮(zhèn)，穿越近南-北向展布的低山區(qū)，山體最大高程約579.1m，為分離式雙線雙洞隧道。隧道區(qū)屬構造-剝蝕低山地貌，地形起伏較大，山坡較陡，自然坡度 25～35°，局部達 40～45°，山脊(頂)平緩。

圖3 數(shù)據(jù)處理與解釋流程

龍巖地區(qū)屬亞熱帶海洋性季風氣候，場區(qū)上覆坡殘積粘性土、碎石(Qel-dl)，下伏基巖二疊系下統(tǒng)童子巖組(P1t)、棲霞組(P1q)粉砂巖和灰?guī)r、泥盆系上統(tǒng)安砂群桃子坑組(D3tz)石英砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖、千枚狀砂巖及風化層，地層產狀 290°∠25～35°。

從物性特征來看，地表土壤及粘土層電阻率較低，灰?guī)r電阻率很高?；?guī)r中的巖溶一般充水或有粘土充填物，電阻率變低。因此，沿深度方向電阻率在各層介質中分布規(guī)律的差異較明顯，在各介質分界面視電阻率存在明顯的電性差異，為塌陷區(qū)物探勘察提供良好的條件。

5 物探工作布置及異常成果解釋

5.1 物探工作布置

本次任務主要是運用綜合物探與鉆孔驗證相結合，查明邦山隧道塌陷區(qū)巖溶地質特征和構造。在初勘、詳勘設計階段，在原線位上依次布設了EH4法左、右線貫通該隧道，文中只截取塌陷區(qū)范圍內工作量進行分析，測線名稱SW1、SW2；在施工期間，分別在2017年4月6日和2017年4月14日，ZK145+100的位置附近發(fā)生兩次泥突，同時，在地表發(fā)生兩處塌陷，具體位置間圖4所示，施工停止作業(yè)，為查明塌陷區(qū)巖溶地質特征，物探新增布置了兩條平行高密度電法剖面，測線名稱SW3、SW4；測線、地形情況見圖4、表1。

5.2 異常成果解釋

大地電磁測深法(MT)是一種以天然電磁場為場源的地球物理方法，該方法同其他地球物理方法相比具有探測深度大、不受高阻層屏蔽、可探測深層隱伏地質構造、對低阻層反映靈敏等優(yōu)點。下面主要從深層構造方面解釋。

圖4 物探布置平面圖(比例尺1：1000)

表1 物探設計工作量表

縱觀SW1、SW2測線EH-4大地電磁測深地質斷面圖，發(fā)現(xiàn)兩圖中電阻率分布情況基本一致，說明EH4法數(shù)據(jù)的可靠性，見圖5、6。電阻率分布整體呈現(xiàn)上低下高的趨勢，結合區(qū)域地質及鉆孔CK622A、XS90、XS91(鉆孔平面位置，見圖4)，推測上部為砂巖、灰?guī)r等，深部為高阻花崗巖侵入體。根據(jù)電阻率橫向分布并結合地質資料推測，SW1測線測點BS-48到BS-53處及BS-59到BS-67處電阻率異常變化為斷層反映，其中，BS-48到BS-53處斷層 F135產狀為 285°∠80°，BS-59到 BS-67處斷層F135a產狀為 300°∠70°。SW2測線測點 BSY-2到 BSY-6處及BSY-10到BSY-18處電阻率異常變化為斷層反映，其中，BSY-2到 BSY-6處斷層 F135產狀為 285°∠80°，BSY-10到BSY-18處斷層F135a產狀為300°∠70°。另外，值得注意的是測區(qū)內有多條高壓線與測線相交(見圖示位置)，高壓線附近測點數(shù)據(jù)受影響，不是很可靠。

下面主要從前層塌陷區(qū)巖溶發(fā)育方面解釋。

從SW3、SW4測線高密度等視電阻率圖電性分布情況來看，發(fā)現(xiàn)兩圖中電阻率分布情況基本一致，說明高密度電法數(shù)據(jù)的可靠性，同時與EH4法電性分布具有高度相似性，說明兩種方法在此處的成果是有效的。從高密度成果結合區(qū)域地質、鉆孔XS90、XS91(鉆孔平面位置見圖4)來看，在構造異常方面，結合前期EH4成果分析，測點8到11處及26到33處電阻率異常變化為斷層反映，其中，8到 11處斷層F135產狀為 285°∠80°，26到 33處斷層F135a產狀為300°∠70°，斷層產狀與前期EH4成果一致，具體異常分析見圖7、8。

左線4月6日及4月14日發(fā)生突泥處表現(xiàn)為相對低阻邊緣。經分析推測：4月6日及4月14日突泥處受構造影響，在構造附近經水作用形成溶蝕發(fā)育區(qū)，導致圍巖破碎且含水(含泥)，施工中因擾動而發(fā)生突泥現(xiàn)象，并導致地表塌陷。施工建議：受構造影響，測點26～33段附近裂隙(或斷層)發(fā)育區(qū)，圍巖破碎，強度低，應注意施工安全，防止突泥突水事故。

右線年前突泥處呈現(xiàn)為相對高阻，而4月6日突泥處這表現(xiàn)為低阻。經分析推測：年前發(fā)生突泥處的高阻為擾動土充填塌陷區(qū)域所致、或為灰?guī)r區(qū)內溶槽區(qū)填入砂土狀強風化砂巖，圍巖本身破碎，施工中因爆破擾動而發(fā)生突泥現(xiàn)象，并導致地表塌陷；4月6日突泥處掌子面前上方為低阻區(qū)且位于灰?guī)r區(qū)域內，推測為巖溶，并填流塑至軟塑狀填充物，因施工中破壞溶蝕導致突泥。施工建議：受構造影響，測點24～31段附近裂隙(或斷層)發(fā)育區(qū)，圍巖破碎，應注意施工安全，防止突泥突水事故。

從隧道洞深高程425平面電阻率圖(見圖9)電性分布分析推測：年前發(fā)生突泥處A、4月6日突泥處B、突泥處C、4月14日突泥處D在電性分布上聯(lián)系不強，除B外表現(xiàn)為巖溶異常外，其它區(qū)域推測為因圍巖破碎導致(A、B、C、D的位置見圖9)。圖中從小里程往大里程方向，依次出現(xiàn)4個低阻異常區(qū)(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)，推斷溶蝕發(fā)育區(qū)。測點23-35段因構造F135a經過，圍巖破碎。

圖5 SW1測線EH-4大地電磁測深地質斷面圖

6 結論及建議

本文以廈蓉高速擴建龍巖段邦山隧道塌陷病害勘察為例，運用EH4法和高密度電法等綜合物探方法，結合地質情況對該隧道地下塌陷病害進行了解釋推斷，結果表明塌陷區(qū)巖溶洞穴、斷層的電阻率與圍巖的電阻率有明顯差異，在EH4法與高密度電法率成果剖面圖中表現(xiàn)為低阻異常區(qū)，結合鉆孔，圈定了塌陷區(qū)溶洞的埋深、大小與規(guī)模，取得良好的地質效果。

具體結論及建議如下：

(1)通過多種物探方法的探測，可以相互驗證數(shù)據(jù)、方法的可靠性，多種方法所得電性分布具有高度相似性，說明綜合物探方法的成果是有效的。

(2)通過EH4法的深層構造探測和高密度電法的淺層塌陷區(qū)探測，深淺搭配，能夠很好的解決物探方法分辨率的問題。同時具有較高的勘察效率和較低的勘探成本。

(3)本次探測表明，高密度電法對圍巖的含水情況和溶洞特別敏感，圍巖因斷層破碎含水，其視電阻率明顯降低，完整、堅硬巖土的視電阻率明顯高于斷層帶、破碎帶和富水帶圍巖的視電阻率。結合鉆探及其他物探資料，探測準確度較高，因此，建議在灰?guī)r地區(qū)的地質災害勘察中，首先采用高密度電法并輔以其他物探方法進行普查，必能起到事半功倍的效果。

圖6 邦山隧道SW2測線EH-4大地電磁測深地質斷面圖

圖7 SW3測線高密度電法左線物探成果剖面

圖8 SW4測線高密度電法左線物探成果剖面

圖9 高程425m平切視電阻率等值線物探成果剖面

巖溶塌陷勘察具有時間緊迫，精度要求高，驗證性強等特點，為此，應根據(jù)不同地質條件和地質任務，合理地組合優(yōu)化物探方法，通過綜合物探解釋，提高物探成果的精準程度。邦山隧道塌陷勘察實踐表明，高密度電法、EH4等綜合物探方法能夠勝任勘察要求，探測土洞發(fā)育，灰?guī)r巖溶，斷裂發(fā)育以及確定灰?guī)r的分布情況，取得較好的地質效果，為施工提供合理、有效的建議。