西成客運(yùn)專線長(zhǎng)大隧道涌水特征與物探資料的對(duì)比分析

羅文藝

（1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司地質(zhì)路基設(shè)計(jì)處，陜西西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710043）

長(zhǎng)大隧道水文地質(zhì)勘察主要借助于遙感、地面調(diào)查、鉆探及物探等手段。遙感和地面調(diào)查只能基于平面及淺地表調(diào)查推斷隧道地質(zhì)特征。鉆探能直觀揭露隧道水文地質(zhì)特征，然而其勘探成本高、周期長(zhǎng)、并且以點(diǎn)概面，有其局限性。物探手段經(jīng)濟(jì)，直觀，高效，目前已成為長(zhǎng)大隧道圍巖劃分、富水性分區(qū)、涌水量預(yù)測(cè)計(jì)算的重要手段。

多年的勘察實(shí)踐表明，怎樣將物探解譯成果應(yīng)用到水文地質(zhì)勘察中還是一個(gè)十分復(fù)雜的技術(shù)難題。徐則民等［1］通過地球化學(xué)、深部物探及常規(guī)物探等手段，對(duì)渝懷鐵路隧道涌水量及隧道疏干影響范圍進(jìn)行了評(píng)估。李堅(jiān)等［2］根據(jù)電阻率值，將異常分為Ⅴ，Ⅳ，Ⅲ類，對(duì)應(yīng)隧道Ⅴ，Ⅳ，Ⅲ級(jí)圍巖?？v觀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，基于物探結(jié)果反演隧道涌水水文地質(zhì)特征的研究較少［3-9］。西成客運(yùn)專線長(zhǎng)大隧道采用了音頻大地電磁法及高密度電法進(jìn)行勘探，目前所有隧道均已施工貫通。

本文選取秦嶺及大巴山區(qū)10座長(zhǎng)大隧道，開展施工涌水水文地質(zhì)特征與物探資料的對(duì)比分析，其成果有助于指導(dǎo)隧道水文地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)及提高隧道涌水量預(yù)測(cè)精度。

1 地質(zhì)概況

西成客運(yùn)專線西安北至陜川界為秦嶺山區(qū)第一條客運(yùn)專線鐵路，全線長(zhǎng)約344 km。隧道群橫穿秦嶺和大巴山區(qū)，該線既穿越了巖性和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的秦嶺山區(qū)，又穿越了巖溶發(fā)育的大巴山區(qū)，長(zhǎng)大隧道水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，施工風(fēng)險(xiǎn)巨大。

秦嶺山區(qū)地層巖性以變質(zhì)巖、巖漿巖及構(gòu)造巖為主。變質(zhì)巖系包括泥盆系（D）、志留系（S）、奧陶系（Ο）、寒武系（∈）、震旦系（Z）、元古界（Pt）、太元古界（Ar）地層，巖性為片巖、云母石英片巖、變質(zhì)砂巖、千枚巖、片麻巖、混合片麻巖、大理巖、角閃巖等。巖漿巖主要為印支-燕山期及海西期的巖漿巖，巖性為花崗巖、閃長(zhǎng)巖和輝長(zhǎng)巖等。構(gòu)造巖為碎裂巖、糜棱巖、構(gòu)造角礫巖、斷層角礫、斷層泥等。大巴山區(qū)主要分布一套沉積巖及構(gòu)造巖地層，包括侏羅系（J）、三疊系（T）、二疊系（P）、志留系（S）、奧陶系（Ο）、寒武系（∈）、震旦系（Z）地層，巖性為砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、頁(yè)巖、煤層（線）、礫巖、灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、生物灰?guī)r等。線路所經(jīng)千佛崖組和沙溪廟組部分地段分布油砂巖，勘探發(fā)現(xiàn)局部含原油、天然氣；構(gòu)造巖為碎裂巖、糜棱巖、構(gòu)造角礫巖、斷層角礫、斷層泥等。沿線共穿越3 個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元，5 個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元，詳見表1。

沿線地下水受氣象、水文、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性等多種因素控制和影響，不同地貌、不同構(gòu)造單元呈現(xiàn)不同的水文地質(zhì)特征。地下水主要類型為第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水。

表1 西成客專西安北至陜川界區(qū)域地質(zhì)區(qū)劃

2 物探方法及工程應(yīng)用

物探具有工效高、成本低、應(yīng)用廣、透視性強(qiáng)、連續(xù)可追蹤等優(yōu)點(diǎn)，已在鐵路工程及水文地質(zhì)勘察中得到了廣泛的應(yīng)用：探查構(gòu)造破碎帶、地層巖性、某些不良地質(zhì)體的分布，探查儲(chǔ)水構(gòu)造和含水體，測(cè)定巖土物理力學(xué)參數(shù)，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，指導(dǎo)合理布置鉆孔等。鐵路水文地質(zhì)勘察常用的物探方法從大類上可分為電法、磁法、彈性波法和綜合測(cè)井。各種物探方法都有其適用條件，根據(jù)西成客運(yùn)專線10座長(zhǎng)大隧道的地質(zhì)特征，勘察階段有針對(duì)性地采用了音頻大地電磁法及高密度電法進(jìn)行隧道綜合勘探。

2.1 音頻大地電磁法（AMT）

音頻大地電磁法［10-12］是指觀測(cè)頻率范圍（1～20 000 Hz）大致屬于音頻范圍內(nèi)的大地電磁法。大地電磁法首先是由法國(guó)地球物理學(xué)家卡尼亞于1953年提出，從理論上研究并定義了水平層狀大地的電阻率與地表電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的水平分量的比值平方成正比。均勻大地的電阻率為

式中：ρ為均勻大地的電阻率，Ω·m；f為電磁波頻率，Hz；E為地表電場(chǎng)強(qiáng)度，mv/km；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度的水平分量，nT。

大地電磁法的理論基礎(chǔ)是電磁場(chǎng)在介質(zhì)傳播中的趨膚效應(yīng)，也就是說電磁波的頻率越高穿透深度越淺，頻率越低則穿透深度越深。因此，大地電磁法也稱為大地電磁測(cè)深法。電磁波由地表向地層深部傳播時(shí)，因?yàn)槟芰繐p失而逐漸衰減。當(dāng)電磁波的振幅衰減為地表振幅的e-1（e為常數(shù)）倍深度稱為電磁波的趨膚深度。其表達(dá)式為

式中：δ為電磁波的趨膚深度；ω為角頻率；μ為磁導(dǎo)率。

由式（2）可以看出，勘探深度δ與地下介質(zhì)的電阻率的平方根成正比，與頻率的平方根成反比。目前，野外數(shù)據(jù)采集儀器常用的有加拿大鳳凰公司的V8 多功能電磁系統(tǒng)（或MTU5A）或美國(guó)喬美特利公司的EH4 系統(tǒng)。就 AMT 而言，V8 的觀測(cè)頻率范圍為 1～100 00 Hz，而 EH4 的觀測(cè)頻率范圍為 10～20 000 Hz。因此，V8勘探深度比EH4更深，但淺部信息V8的盲區(qū)比EH4更大。

2.2 高密度電法

高密度電法［13-15］是根據(jù)直流電源形成的電場(chǎng)分布，測(cè)出其不同深度的供電電流強(qiáng)度和地表測(cè)量極距間的電位差，求出不同深度地層（或地質(zhì)體）的視電阻率。再通過二維反演獲得地層電阻率的空間分布，進(jìn)而分析推斷各具有電性差異的地層（或地質(zhì)體）地質(zhì)情況。高密度電法與常規(guī)直流電測(cè)深法原理一樣，兩者不同之處在于高密度電法數(shù)據(jù)采集量更大，所反映的地質(zhì)信息更豐富，其缺點(diǎn)是因淺部（0～10 m 深度）數(shù)據(jù)采集量相對(duì)沒有直流電測(cè)深法多，對(duì)淺部地層的劃分不如直流電測(cè)深法。

3 長(zhǎng)大隧道施工涌水特征與物探資料的對(duì)比

西成客運(yùn)專線為秦嶺山區(qū)的第一條高速鐵路，全線隧道共34 座，其中大于10 km 的特長(zhǎng)隧道有7 座，3～10 km 的隧道有10 座。選取其中7 座高風(fēng)險(xiǎn)隧道及3座水文地質(zhì)條件復(fù)雜的隧道作為研究對(duì)象。10座隧道特征信息見表2。

針對(duì)施工揭示的隧道涌水特征，將涌水類型分為：裂隙水不發(fā)育（＜10 L/（min·10 m），干燥、濕潤(rùn)）、裂隙水較發(fā)育（10～25 L/（min·10 m），偶有滲水）、裂隙水發(fā)育（25～125 L/（min·10 m），經(jīng)常滲水），集中涌水（＞125 L/（min·10 m），突涌水）。物探常根據(jù)電阻率的大小及其在地下的展布形態(tài)來劃分地質(zhì)體及空間特征。根據(jù)電阻率值、電阻率梯度及異常形態(tài)，對(duì)全線10座長(zhǎng)大隧道物探的電阻率形態(tài)特征綜合分析，總結(jié)得出音頻大地電磁法（V8，EH4）揭示的異常類型有6種：敞開貫通型、敞貫串珠型、串珠狀、敞開尖滅型、界面型、圈閉型。高密度電法揭示的異常類型有5 種：敞開貫通型、串珠狀、敞開尖滅型、界面型、圈閉型。10座隧道除阜川隧道未進(jìn)行物探外，其余隧道物探百分比達(dá)25.5%～98.0%，施工揭示的典型涌水段與物探異常段相關(guān)性為16.7%～77.8%。10 座長(zhǎng)大隧道揭示的典型涌水特征與物探資料的對(duì)比分析結(jié)果見表3及圖1。

表2 西成客運(yùn)專線西安北至陜川界長(zhǎng)大隧道特征信息

表3 典型涌水特征與物探資料的對(duì)比分析結(jié)果

圖1 涌水特征與物探異常的相關(guān)性

4 特征庫(kù)的建立

對(duì)西成客運(yùn)專線10 座長(zhǎng)大隧道施工涌水特征及對(duì)應(yīng)的物探異常形態(tài)特征進(jìn)行正反演綜合分析，建立了11 大類、22 種異常類型對(duì)比特征庫(kù)，見表4。該表較全面地揭示了隧道物探資料與施工涌水特征的相關(guān)性。由表4可見，音頻大地電磁法及高密度電法揭示地表表層出現(xiàn)的大面積低阻區(qū)，敞開貫通型大面積開口低阻區(qū)易受表層覆蓋層、巖體風(fēng)化層、近場(chǎng)效應(yīng)及地表電磁干擾等影響，分析預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)對(duì)此類低阻異常區(qū)予以甄別。敞開尖滅型低阻異常區(qū)受高阻屏蔽的影響，容易出現(xiàn)漏判，對(duì)于低阻區(qū)距離路肩較近（50～100 m）、節(jié)理裂隙較發(fā)育的段落裂隙水可能發(fā)育。音頻大地電磁法及高密度電法揭示的敞開貫通型、敞貫串珠型、串珠狀及部分敞開尖滅型、界面型低阻異常類型與裂隙水發(fā)育及集中涌水具有較好的相關(guān)性。

表4 施工涌水水文地質(zhì)特征與物探資料對(duì)比分析特征庫(kù)

5 結(jié)論及建議

1）選取的10座長(zhǎng)大隧道中大秦嶺隧道、房家灣隧道及漆樹壩隧道物探率大于65%，清涼山隧道、老安山隧道、得利隧道、福仁山隧道及何家梁隧道物探率為40%～50%，天華山隧道物探率僅為25.5%。因此，勘察設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡量采用物探貫通隧道，為隧道涌水特征預(yù)判提供翔實(shí)的物探數(shù)據(jù)，勘探深度應(yīng)達(dá)路肩以下一定深度。

2）10座長(zhǎng)大隧道共揭示物探異常86段，與物探相關(guān)的典型涌水40 段，平均相關(guān)性達(dá)46.5%，其中得利隧道、何家梁隧道2 座隧道物探與涌水的相關(guān)性高達(dá)70%。涌水段物探均存在低阻異常區(qū)，涌水段較低阻異常段偏移約50～100 m。

3）音頻大地電磁法對(duì)宏觀典型物性差異帶如斷層及巖性分界線富水性預(yù)測(cè)分辨率較高，高密度電法對(duì)150 m 范圍內(nèi)低阻異常具有較高的分辨率。勘察設(shè)計(jì)階段應(yīng)根據(jù)不同的區(qū)域特征、地層巖性及隧道埋深選用適宜的物探方法。

4）音頻大地電磁法及高密度電法揭示的敞開貫通型、敞貫串珠型、串珠狀及部分敞開尖滅型、界面型物探低阻異常類型與裂隙水發(fā)育及集中涌水具有較好的相關(guān)性。音頻大地電磁法及高密度電法揭示的圈閉型、界面型及部分敞開尖滅型物探低阻異常類型與裂隙水不發(fā)育具有較好的相關(guān)性。

5）基于秦嶺山區(qū)（以巖漿巖及變質(zhì)巖為主）和大巴山區(qū)（以沉積巖為主）建立了隧道物探特征與涌水的特征庫(kù)，應(yīng)用時(shí)應(yīng)將預(yù)判隧道與特征庫(kù)隧道作類比分析，并結(jié)合隧址區(qū)的水文地質(zhì)條件對(duì)隧道富水特性進(jìn)行綜合預(yù)判。