某山嶺鐵路隧道富水段綜合勘探

盧春東

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300308)

隧道水文地質(zhì)勘察一般采用大規(guī)模地質(zhì)調(diào)查結(jié)合物探、鉆探和綜合試驗等方法。 由于隧址區(qū)地質(zhì)儲水構(gòu)造的多樣性、復雜性以及探測手段的局限性，現(xiàn)有的勘探方法存在諸多不足[1-2]。 已有許多學者進行了相關(guān)研究:陳德靖[3]認為視電阻率異常一般為巖溶、裂隙、破碎等引起;曹俊秀等[4]將音頻大地電磁法應用到隧道圍巖分級中，利用電阻率在斷層帶、巖石破碎帶、風化帶、接觸帶及富水帶等不良地質(zhì)體中呈低阻的特征進行圍巖分級;張林等[5]認為采用地球物理方法尋找地熱有較高的準確度;高鑫[8]以某隧道為例進行音頻大地電磁法極化特征分析，發(fā)現(xiàn)大地電磁極化特征可以有效揭示隧道工程地質(zhì)特征和隧道維度特征。以往研究多為單純的物探手段，無鉆探驗證;或雖有鉆探驗證，但未對驗證結(jié)論進行深層次分析，對梯度變化的解譯往往被忽略。

以下結(jié)合工程實例，采用地質(zhì)調(diào)查法、高密度電法、音頻大地電磁法、鉆探驗證、綜合測井和抽水試驗，對某隧道水文地質(zhì)進行綜合勘探。

1 工程概況

某新建隧道進口里程為DK46+285，出口里程為 DK51+060，全長4 775 m，最大埋深為452.27 m。 隧道地貌單元屬中低山區(qū)，整體地形呈中間高，兩側(cè)低，地面高程為1 491.38 ～1 990.53 m，相對高差較大;進口及中部山勢陡峭，縱向自然坡度一般為10°～25°，橫向自然坡度一般為5°～45°，局部呈陡崖狀;出口地勢較緩，縱向自然坡度一般為5°～15°，橫向自然坡度一般為5°～10°。 山體植被發(fā)育，主要為果樹及灌木等，植被覆蓋率為50%～70%。

1.1 地層巖性

隧址區(qū)上覆第四系上更新統(tǒng)坡洪積粗圓礫土、粗角礫土，下伏侏羅系上統(tǒng)噴出巖、燕山早期花崗巖、二長花崗巖等。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域地質(zhì)資料和區(qū)域地質(zhì)調(diào)查顯示，隧址區(qū)位于燕山-太行山裂陷槽西側(cè)，侵入構(gòu)造發(fā)育。 地質(zhì)調(diào)查未發(fā)現(xiàn)斷層構(gòu)造。

(1)侵入構(gòu)造

隧道進、出口燕山早期侵入及火山噴發(fā)構(gòu)造發(fā)育，巖性上主要為燕山早期花崗巖、二長花崗巖以及侏羅系上統(tǒng)噴出巖，侵入帶巖體極破碎-破碎，呈碎塊狀。

(2)結(jié)構(gòu)面

采用地質(zhì)調(diào)查法，查明了隧址區(qū)噴出巖層理、侵入巖節(jié)理等構(gòu)造面。 隧道穿越的巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，一般為密閉-張開節(jié)理，泥質(zhì)或鈣質(zhì)填充，主要發(fā)育3～4 組節(jié)理，巖體一般較完整-較破碎;局部處于節(jié)理密集帶，巖體破碎。

2 隧道綜合勘探

2.1 地質(zhì)調(diào)查法

地質(zhì)調(diào)查法是隧道勘察過程中應用比較普遍的方法，可得出隧道經(jīng)過區(qū)域的地層巖性、構(gòu)造，以及泉點、地表水等水文要素，以便有針對性地布置物探測線和勘探孔。 地質(zhì)調(diào)查是隧道綜合勘探的基礎(chǔ)性工作。

2.2 高密度電法

基本原理:當從地表供電，電流流經(jīng)不同的巖層和地質(zhì)構(gòu)造時，在地表觀測到的電流場將會發(fā)生變化，從而獲得各地層的視電阻率。

高密度電法的優(yōu)勢:相較于常規(guī)的視電阻率法，高密度電法獨有的組合裝置形式具有多樣化的特點，可以大量采集信息，所得信息更精準。 另外，采用該方法采集信息極為迅速，所測結(jié)果也較為直觀[9-10]。 高密度電法一般用于埋深小于200 m 的隧道段落。

2.3 音頻大地電磁法

音頻大地電磁測深法是一種研究地球電性結(jié)構(gòu)的地球物理方法[11-12]，其主要手段是利用自然界客觀存在的天然交變電磁場信號作為激發(fā)場源，計算公式為

式中:Z 定義為波阻抗/Hz，ρ 是視電阻率/Ω·m，E 是電場強度/(mV/km)，H 是磁場強度/nT，φE是電場相位/mrad，φH是磁場相位/mrad。 需要說明的是，此時的E 與H，應理解為天然電磁場與感應電磁場疊加的綜合場。 由電磁學理論，有

將δ 定義為趨膚深度，由式(4)可知，趨膚深度(δ)與視電阻率(ρ)和頻率(f)具有相關(guān)性。 一般來說，頻率較高的數(shù)據(jù)反映淺部的電性特征，頻率較低的數(shù)據(jù)反映深部的電性特征。

大地電磁測深法具有不受低阻屏蔽、勘探深度大、橫向分辨率高、對低阻體和低阻層反應靈敏等獨特技術(shù)優(yōu)勢，一般用于隧道埋深200～600 m 的段落[13-16]。

2.4 鉆探驗證

在物探確定的隧道富水段落，布置鉆孔進行驗證，以消除物探多解性。

2.5 綜合測井及抽水試驗

鉆探完成后，應進行綜合測井，確定不同深度的巖石完整程度、地下水發(fā)育情況等;同時還應進行抽水試驗，評價巖體的富水程度。

3 物探數(shù)據(jù)采集及分析

3.1 高密度電法探測

(1)視電阻率剖面

在隧道進出口段落內(nèi)采用高密度電法進行探測。共布設(shè)2 條測線，進口測線長200 m，出口測線長900 m。 數(shù)據(jù)采集使用WDA-1 溫納裝置，電極距為10 m。 高密度電法數(shù)據(jù)采集結(jié)果見圖1、圖2。

圖1 隧道進口段視電阻率(單位：Ω·m)

圖2 隧道出口段視電阻率(單位：Ω·m)

(2)地質(zhì)解譯

①物探地質(zhì)解譯確定隧道進口富水段(如圖1)

DK46+000 ～DK46+500 里程段落內(nèi)，第一層視電阻率在50～500 Ω·m 之間，視電阻率變化范圍較大，推斷為第四系洪積層粉質(zhì)黏土和粗角礫土，厚度范圍10～25 m。 下伏為強風化二長花崗巖，巖體破碎。

DK46+600～DK46+720 里程段落內(nèi)表層覆蓋主要為強風化二長花崗巖，破碎。

DK46+268～DK46+410 段隧道進口段巖性為粉質(zhì)黏土和粗角礫土，視電阻率值在50 ～500 Ω·m 之間，巖體破碎，中等富水，易發(fā)生涌水、塌方等地質(zhì)災害。

DK46+410～DK46+430 段隧道洞身附近巖性為二長花崗巖，視電阻率值在500 ～1 400 Ω·m 之間，強風化基巖，巖體破碎，弱富水。

DK46+430～DK46+720 段隧道洞身附近巖性為二長花崗巖，視電阻率值在1 400 ～3 000 Ω·m 之間，弱風化基巖，較完整，弱-中等富水。

我說，我那二畝地的玉米咋辦，沒了地，可怎么生活呢。小伙子說，你那二畝地一年也就收入一千塊錢吧，那三萬塊錢，頂?shù)蒙夏惴N三十年。再說了，光利息就抵得上你那二畝地了，你還白賺三萬塊。你說，你是不是得了便宜？再說，成了市民，就是城里人了，城里的錢多的是，只要彎一彎腰就能撿到錢。彎腰你會不會？小伙子把我給說樂了，我知道小伙子剛分配工作就趕上了拆遷這種硬任務?？吹叫』镒?，我就想起了我的孫子小本，心一下子軟了。說實話，誰愿意拆遷呢，故土難離呀，莊戶人就是舍不得那兩間平房，那二畝薄地。

②物探地質(zhì)解譯確定隧道出口富水段(如圖2)

DK49+450～DK50+335 里程段落內(nèi)第一層視電阻率在50～400 Ω·m 之間，視電阻率變化范圍較大，推斷為全風化粗面巖，破碎。

DK49+335～DK50+600 里程段落內(nèi)第一層視電阻率在50～400 Ω·m 之間，視電阻率變化范圍較大，推斷為全風化二長花崗巖。

DK49+450～DK50+335 里程段落內(nèi)第二層視電阻率在400～600 Ω·m 之間，視電阻率較低，推斷為強風化粗面巖，破碎;DK49+335～DK50+600 里程段落內(nèi)第二層視電阻率在400～600 Ω·m 之間，視電阻率較低，推斷為強風化二長花崗巖。

DK49+600～DK49+848 段隧道洞身附近巖性為粗面巖，視電阻率值在600 ～1 000 Ω·m 之間，弱風化基巖，巖體較完整，弱富水。

DK49+848～DK50+265 段隧道洞身附近巖性為粗面巖，視電阻率值在400 ～600 Ω·m 之間，強風化基巖，巖體破碎，富水，易涌水、塌方。

DK50+265～DK50+335 段隧道洞身附近巖性為粗面巖，視電阻率值在300～600 Ω·m 之間，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，富水，易涌水、塌方。

DK50+335～DK50+476 段隧道出口附近巖性為花崗巖，視電阻率值在400 ～1 000 Ω·m 之間，強風化基巖，巖體破碎，強富水，易涌水、塌方。

3.2 音頻大地電磁法探測

采集成果見圖3(圖片中縱向為里程標)。

(2)地質(zhì)解譯

第一層視電阻率值在10～600 Ω·m 之間，視電阻率變化范圍較大，其主要巖性為強風化二長花崗巖和粗面巖，巖體破碎，厚度為15～50 m。

DK46+450～DK46+598 段隧道洞身附近巖性為弱風化花崗巖，視電阻率值在1 000 ～6 000 Ω·m 之間，巖體較完整，弱富水。

DK46+598～DK46+912 段隧道洞身附近巖性為弱風化花崗巖，視電阻率值在1 000 ～3 000 Ω·m 之間，弱風化基巖，巖體較破碎，中等富水，易涌水、塌方。弱風化基巖，巖體較完整，弱富水，施工性質(zhì)一般。 在巖性接觸帶DK47+155 附近，節(jié)理較發(fā)育，巖體破碎，中等富水，易涌水、塌方。

DK47+500～DK47+700 段隧道洞身附近節(jié)理裂隙發(fā)育，視電阻率值在1 000 ～2 000 Ω·m 之間，巖體較破碎，中等富水，易涌水、塌方。

DK47+700～DK47+843 段隧道洞身附近為為粗面巖，視電阻率值在800 ～2 000 Ω·m 之間，結(jié)合地質(zhì)資料推斷為節(jié)理裂隙發(fā)育帶，破碎，富水，易涌水、塌方。

DK47+843～DK48+234 段隧道洞身附近巖性為弱風化粗面巖，視電阻率值在2 000 ～4 000 Ω·m 之間，弱風化基巖，巖體較完整，弱富水。

DK48+234-DK48+615 段隧道洞身附近節(jié)理裂隙發(fā)育，視電阻率值在200 ～2 000 Ω·m 之間，巖體較破碎，中等富水，易涌水、塌方。

DK48+615～DK48+860 段隧道洞身附近巖性為弱風化粗面巖，視電阻率值在2 000 ～4 000 Ω·m 之間，弱風化基巖，巖體較完整，弱富水。

DK48+860～DK48+990 段隧道洞身附近節(jié)理裂隙發(fā)育，視電阻率值在500 ～2 000 Ω·m 之間，巖體較破碎，中等富水，易涌水、塌方。

DK48+990～DK49+230 段隧道洞身附近巖性為弱風化粗面巖，視電阻率值在2 000 ～4 000 Ω·m 之間，弱風化基巖，巖體較完整，弱富水。

DK49+230～DK49+500 段隧道洞身附近節(jié)理裂隙發(fā)育，視電阻率值在200 ～2 000 Ω·m 之間，巖體較破碎，中等富水，易涌水、塌方。

DK49+500～DK49+600 段隧道洞身附近巖性為弱風化粗面巖，視電阻率值在2 000 ～4 000 Ω·m 之間，弱風化基巖，巖體較完整，弱富水。

圖3 隧道洞身視電阻率(單位：Ω·m)

DK46+912～DK47+155 段隧道洞身附近巖性為弱風化花崗巖，視電阻率值在2 000 ～4 000 Ω·m 之間，弱風化基巖，巖體較完整，弱富水。

DK47+155～DK47+500 段隧道洞身附近巖性為弱風化粗面巖，視電阻率值在2 000 ～4 000 Ω·m 之間，

(3)物探地質(zhì)解譯確定隧道富水段

DK47+500 ～DK47+700、DK47+700 ～DK47+843、DK48+234 ～DK48+615、DK48+860 ～DK48+990、DK49+230～DK49+500 段隧道洞身附近視電阻率值相對較低，巖體破碎，富水，設(shè)計與施工時應注意防止涌水、塌方等地質(zhì)災害的發(fā)生。

3.3 地質(zhì)鉆孔驗證

(1)根據(jù)高密度電法成果，推斷DK49+450 ～DK50+335 里程段落內(nèi)為強風化粗面巖，破碎。 在DK49+545 布置1 個鉆孔，鉆探揭露圍巖為花崗巖，巖質(zhì)堅硬，巖體較完整，含鐵質(zhì)。 鉆探揭露顯示，物探解譯與實際地質(zhì)不符(見圖4)。

圖4 鉆探巖芯

(2)根據(jù)音頻大地電磁法物探成果，DK49+230 ～DK49+500 段隧道洞身位于視電阻率值低阻異常帶和梯度變化段，物探推斷該處巖體破碎且富水。 在DK49+400 處布置1 個地質(zhì)勘探孔，鉆探揭露顯示30～40 m 為花崗巖強風化，巖體破碎呈碎塊狀。 綜合測井結(jié)果顯示為低阻，聲速均值為3 086 m/s，孔徑基本正常，推斷該段巖體較破碎，裂隙較發(fā)育。 抽水試驗也顯示該處地下水較豐富，每天單井涌水量為128 m3。綜上所述，鉆探揭露的圍巖情況和地下水情況與物探解譯結(jié)果相吻合(見圖5 和圖6)。

圖5 30～35 m 巖芯樣品

圖6 35～40 m 巖芯樣品

4 結(jié)論及建議

(1)在隧道進口段，高密度電法探測的低阻異常帶，鉆探結(jié)果顯示為花崗巖侵入，由于鐵質(zhì)含量高，表現(xiàn)為低阻異常，且?guī)r體較完整，弱富水。 隧道出口段，鉆探結(jié)果顯示的低阻異常帶內(nèi)為花崗巖差異風化帶，巖體破碎、富水，也表現(xiàn)為低阻異常。 因此，高密度探測的低阻異常不能與富水段直接對應，需要詳細分析地層差異，尤其注意地層含鐵時也會造成低阻異常這一特殊情況。

(2)音頻大地電磁法一般適用于洞身埋深較大段落的探測，由于采樣間距較大，分辨率低于高密度電法，若其等值曲線表現(xiàn)為向下凹時，則可能為巖體破碎的富水段，此視電阻率特性往往在解譯時容易被忽視。

(3)隧道勘察前要做好策劃工作，應根據(jù)不同埋深選擇不同物探方法，以提高探測分辨率。 數(shù)據(jù)解譯時，應結(jié)合區(qū)域地質(zhì)及相關(guān)經(jīng)驗，并輔以必要的鉆探驗證。