綜合物探技術(shù)在城市山嶺隧道勘察中的應(yīng)用研究

閆強(qiáng)剛，何壽迎，何松

(1.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島巖土工程技術(shù)中心，山東 青島 266032)

1 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)城市軌道交通工程建設(shè)的步伐不斷加快，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前已有40余個(gè)城市開(kāi)展了城市軌道交通工程的建設(shè)工作。由于城市軌道交通工程向近郊延伸，城市山嶺隧道逐漸增多。巖土工程勘察作為城市軌道交通工程提供基礎(chǔ)資料的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，越來(lái)越受到高度重視?，F(xiàn)行的國(guó)家、行業(yè)規(guī)范、規(guī)程均強(qiáng)調(diào)在勘察過(guò)程中要采用綜合勘探的方法，以確保勘察成果資料的可靠性[1～3]。在地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜尤其是地形起伏劇烈、隧道埋深大，造成巖土工程勘察工作受到局限的情況下，在隧道掘進(jìn)施工過(guò)程中，有必要在開(kāi)挖面進(jìn)行多手段聯(lián)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，提供詳細(xì)的地質(zhì)特征來(lái)指導(dǎo)施工建設(shè)[2，4]。綜合勘察方法就是根據(jù)地形、地質(zhì)條件、勘察階段、工程類型等，采用多種勘察手段密切配合，使取得的地址資料相互驗(yàn)證、取長(zhǎng)補(bǔ)短[5]。在山嶺隧道中，大多以遙感結(jié)果為指導(dǎo)，大面積地質(zhì)調(diào)繪、水文地質(zhì)調(diào)查等為基礎(chǔ)，利用綜合物探解譯成果結(jié)合必要的地質(zhì)鉆探，綜合測(cè)試，并通過(guò)綜合分析、研究，以達(dá)到提高巖土工程精度的要求。黃勇[6]在蘭渝鐵路木寨嶺特長(zhǎng)隧道工程中，采用多種勘察手段，發(fā)揮遙感的宏觀控制作用，以地質(zhì)調(diào)繪為基礎(chǔ)，利用綜合物探的解譯，輔以鉆孔加以驗(yàn)證，在實(shí)際工作中收到了很好的效果。鄭國(guó)棟[7]在某工程中采用多種物探技術(shù)結(jié)合鉆探手段揭示場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)及其分布變化規(guī)律，尤其是碎卵石層的埋藏分布情況取得成功的案例。祁曉燕[8]以風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)工程勘察為例，介紹了綜合勘察技術(shù)在不同的地形地貌、地層和水文地質(zhì)條件中的應(yīng)用。李軍等[9]利用高密度電法與高頻大地電磁法對(duì)湘桂鐵路石山嶺隧道進(jìn)行探測(cè)研究，很好地查明了斷層構(gòu)造的發(fā)育情況。李慎崗[10]在蘭渝鐵路長(zhǎng)壽山隧道勘察中采用了遙感、大面積地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆探、綜合試驗(yàn)、測(cè)試等綜合勘察技術(shù)。

當(dāng)然，綜合勘察技術(shù)也不是手段越多越好，而應(yīng)具體問(wèn)題具體分析，各種技術(shù)手段密切配合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，綜合研究，以最優(yōu)的技術(shù)組合、最少的工作量布置，取得最好的勘察效果。本文以青島藍(lán)色硅谷城際鐵路隧道工程為例，介紹綜合勘察技術(shù)的應(yīng)用研究情況。

2 藍(lán)色硅谷城際鐵路隧道工程的特點(diǎn)

2.1 工程概況

青島市藍(lán)色硅谷城際鐵路工程是位于東岸城區(qū)東部的一條南北向軌道交通快線，線路全長(zhǎng) 58.44 km。嶗山隧道位于北九水站～王哥莊站區(qū)間中部，現(xiàn)狀濱海公路仰口隧道西側(cè)，隧道兩端與路基段相接，兩端車站為高架車站，嶗山隧道為藍(lán)色硅谷城際鐵路工程的關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)。隧道起點(diǎn)K31+735位于大嶗村，終點(diǎn)K36+315位于黃泥崖村，全長(zhǎng) 4 580 m，屬山嶺長(zhǎng)隧道。隧道擬采用單洞雙線，斷面寬約 12 m、高約 9 m，擬采用鉆爆法施工。藍(lán)色硅谷線全線路布展情況如圖1所示。

圖1 藍(lán)色硅谷線布展圖

2.2 地質(zhì)特點(diǎn)

(1)地形地貌復(fù)雜

隧道場(chǎng)區(qū)地貌單元為中低山，地形起伏較大，地面標(biāo)高 30 m～500 m，局部為山間溝谷地貌單元。場(chǎng)區(qū)山體受構(gòu)造抬升而隆起，侵蝕剝蝕作用強(qiáng)烈，山峰尖峭，多呈尖脊?fàn)?，沿北西向?gòu)造侵蝕谷地十分發(fā)育，植被密集，多懸崖峭壁。隧道根據(jù)埋深可分為兩段：隧道中部K31+940～K35+630為深埋段，埋深 35 m～290 m；隧道起點(diǎn)K31+735～K31+940、K35+630～隧道終點(diǎn)K36+315為淺埋段，埋深小于 35 m。

圖2 青島市構(gòu)造綱要圖

(2)地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)

場(chǎng)區(qū)巖性主要為中生代燕山晚期侵入巖。場(chǎng)區(qū)構(gòu)造屬區(qū)域華夏式構(gòu)造體系低級(jí)別、低序次、伴生與派生的構(gòu)造成分。對(duì)本工程影響最大的為劈石口斷裂，該斷裂位于隧道東南側(cè)約 300 m。該斷裂自三標(biāo)山南經(jīng)嶗山張村至浮山所，全長(zhǎng)約 28 km，斷裂帶走向40°～45°，傾向北西，傾角約80°。結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)以壓性～壓扭性為主。上下盤均為燕山晚期花崗巖，沿?cái)嗔褞Оl(fā)育煌斑巖及正長(zhǎng)巖巖脈。斷裂寬幾米～幾十米，以碎裂巖為主，可見(jiàn)糜棱巖。青島市構(gòu)造發(fā)育情況如圖2所示。

(3)地層巖性

隧道場(chǎng)區(qū)結(jié)晶巖系為元古代侵入巖，缺失古生代地層，分布中生代燕山晚期侵入巖。新生代地層主要發(fā)育有第四系山前組、泰安組及人工填土。

3 綜合物探技術(shù)在藍(lán)色硅谷城際鐵路隧道工程的應(yīng)用

針對(duì)藍(lán)色硅谷城際鐵路隧道工程位于山區(qū)，線路長(zhǎng)、深埋大且地形、地質(zhì)復(fù)雜的特點(diǎn)，結(jié)合前人的研究成果和應(yīng)用效果分析，確定勘探方法的原則是采用多種勘探手段密切配合，在廣泛收集資料、認(rèn)真研究場(chǎng)區(qū)遙感影響的基礎(chǔ)上，深化工程地質(zhì)調(diào)繪工作，根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪的結(jié)果修正后續(xù)工作布置，以物探測(cè)試為主與鉆探驗(yàn)證相結(jié)合，以最少的勘察工作量達(dá)到最佳的勘察效果。

3.1 遙感技術(shù)

遙感技術(shù)在山嶺隧道的勘察中具有很重要的作用。利用遙感影像的宏觀性、穿透性、全面性，可以迅速查清區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感影像的分辨率越來(lái)越高，場(chǎng)區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特征既直觀又清晰。在本工程中，我們調(diào)用青島市勘察測(cè)繪研究院不同時(shí)期的衛(wèi)星影像和航空影像圖進(jìn)行了分析研究，最后以高分辨率的衛(wèi)片和航片判譯成果指導(dǎo)了地面地質(zhì)調(diào)繪工作，大大提高了勘察效率，取得了很好的效果。

3.2 大面積地質(zhì)調(diào)繪

在全面收集、研究區(qū)域地質(zhì)、第四紀(jì)地質(zhì)、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、地震以及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)資料的基礎(chǔ)上，充分利用遙感影像判譯成果，對(duì)線路開(kāi)展 1∶1 000工程地質(zhì)調(diào)繪工作，調(diào)繪范圍為線路兩側(cè) 100 m。對(duì)進(jìn)出洞口部 100 m～200 m范圍內(nèi)進(jìn)行 1∶500工程地質(zhì)調(diào)繪工作。對(duì)于對(duì)工程設(shè)計(jì)、施工有影響的工程地質(zhì)現(xiàn)象，結(jié)合素描圖、照片、節(jié)理玫瑰花圖、赤平投影圖等進(jìn)行重點(diǎn)記錄分析。查明了進(jìn)出洞口部的地形地貌、地層、巖體、構(gòu)造及地下水的基本特征和分布規(guī)律，查明了不良地質(zhì)作用的分布范圍和對(duì)工程的影響。在此基礎(chǔ)上，對(duì)物探、鉆探和測(cè)試等工作進(jìn)行了優(yōu)化布置。

3.3 物探技術(shù)

根據(jù)擬建隧道特征和工程需要，以查清場(chǎng)區(qū)構(gòu)造特征，尤其是斷裂及破碎帶的分布位置、延展特征等地質(zhì)信息為主要任務(wù)，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試的基礎(chǔ)上，選擇了可控源電磁方法(CSAMT)、淺層折射波法、高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)4種物探手段，以達(dá)到相互補(bǔ)充，突出重點(diǎn)的目的。在深埋段(K31+940～K35+630)工作區(qū)地形起伏較大，局部通行條件不佳，如高分辨率的地震勘探等受地形影響較大，難以取得分辨率可觀的數(shù)據(jù)，應(yīng)用受到限制，采用CSAMT方法；在淺埋段(K31+735～K31+940、K35+630～K36+315)隧道口位置，埋深相對(duì)較淺且工程施工風(fēng)險(xiǎn)較大，所以選用探測(cè)精度較高的方法厘清構(gòu)造發(fā)育情況，布設(shè)了電阻率剖面及淺震方法；在隧道出口附近的新近堆積塊石土位置，由于鉆探的局限性較大，布置了地質(zhì)雷達(dá)對(duì)其厚度進(jìn)行了探測(cè)。

(1)CSAMT法

可控源音頻大地電磁測(cè)深法CSAMT法最早由加拿大多倫多大學(xué)的D.W.Strangway教授和他的研究生Myron Goldtein于1971年提出[11]，最大探測(cè)深度接近 2 km，遠(yuǎn)超其他物探方法是該方法的突出優(yōu)點(diǎn)。本次勘察，在深埋段(K31+940～K35+630)布置CSAMT法測(cè)線2條。CSAMT測(cè)線電阻率橫向變化較大，呈現(xiàn)高低阻相間的格局；縱向電阻率變化不大。電阻率值介于 200 Ω·m～2 000 Ω·m之間，其中，低電阻率區(qū)域主要分布于溝谷地區(qū)及構(gòu)造節(jié)理發(fā)育部位，反映了地層巖性及構(gòu)造特征。高電阻率區(qū)域分布較廣，反映了地層巖性主要為較完整的花崗巖等。揭露的隧道沿線視電阻率普遍表現(xiàn)為低阻特征明顯，推測(cè)其由于斷裂或者節(jié)理發(fā)育，導(dǎo)致地層充水，造成電阻率減低，形成電阻率凹區(qū)。圖3為測(cè)量反演視電阻率斷面圖。通過(guò)該方法揭露斷裂13條(F1～F13斷裂)，對(duì)于工程施工而言，應(yīng)對(duì)13條斷層區(qū)別對(duì)待。其中，F(xiàn)1、F3、F4、F5及F11等5條較為重要的斷裂，存在透水崩塌的可能性較大，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，保證施工安全。

圖3 CSAMT測(cè)量反演視電阻率斷面圖

(2)淺層折射波法

淺層地震中的折射方法是常規(guī)的地震勘探方法，它是基于人工地震源產(chǎn)生地震波，在速度差異較大的地層界面上產(chǎn)生折射，在外業(yè)地震記錄上拾取折射波初至，進(jìn)行分析，以探測(cè)目標(biāo)體的速度差異為前提進(jìn)行的[12]。該方法采集數(shù)據(jù)信息量大，可以進(jìn)行成像計(jì)算，成圖直觀性強(qiáng)。根據(jù)以往的探查經(jīng)驗(yàn)證明該方法對(duì)速度差異大的地質(zhì)體具有很強(qiáng)的探查能力。

根據(jù)測(cè)量解譯，該測(cè)線區(qū)段基巖面很淺，區(qū)段覆蓋層厚度均小于 1.0 m，測(cè)線尾端 60 m范圍內(nèi)較深，達(dá) 1.5 m。基巖中縱波速度較高，介于 3 200 m/s～4 200 m/s，其波速稍低于隧道南入口波速；在測(cè)線 K35+965 m～K35+970 m及 K36+118 m～K36+122 m范圍內(nèi)，巖體波速較低，約為 2 400 m/s，時(shí)距曲線上地震波走時(shí)增大且出現(xiàn)跳躍，推斷為斷層破碎帶，其他區(qū)段巖體相對(duì)均勻。圖4為隧道北出口測(cè)線DZ2時(shí)距曲線(上)與波速斷面圖(下)。

圖4 隧道北出口測(cè)線DZ2時(shí)距曲線(上)與波速斷面圖(下)

(3)高密度電法

高密度電阻率法是在常規(guī)電法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型物探方法，以巖土介質(zhì)的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)和研究人工建立的地下穩(wěn)定電流場(chǎng)的分布規(guī)律從而來(lái)解決地下地質(zhì)問(wèn)題[13]。其原理與普通電阻率法相同，所不同的是在觀測(cè)中設(shè)置了高密度的觀測(cè)點(diǎn)，增加了空間供電和采樣的密度，提高了縱橫向分辨能力和工作效率。

從成果圖上可以看出，DZ2斷面視電阻率等值線中部具有一處明顯的高阻異常區(qū)，并在相鄰的右側(cè)存在一處形狀較規(guī)則的低阻異常區(qū)，低阻異常極值位于地表以下 22 m處。其他低阻異常區(qū)規(guī)模均較小。其中，DZ2測(cè)線 25 m～30 m區(qū)段深部的高阻區(qū)域推測(cè)為致密巖體，其淺部等值線出現(xiàn)下凹趨勢(shì)，推測(cè)為基巖頂面風(fēng)化層或者節(jié)理所致。42號(hào)點(diǎn)異常區(qū)范圍較大，且低阻極值較明顯，推測(cè)為破碎賦水部位或煌斑巖侵入脈巖。DZ2視電阻率斷面圖如圖5所示。

圖5 DZ2視電阻率斷面圖

結(jié)合電法和地震的勘查資料，淺層折射波法推測(cè)的斷裂與高密度電法所解譯的斷裂對(duì)應(yīng)比較好的為F16、F17和F18，尤其是F16、F17及F18斷裂為重點(diǎn)關(guān)注斷裂或者不良地質(zhì)體發(fā)育部位，在工程施工中存在安全隱患，主要體現(xiàn)在巖體碎裂或者裂隙發(fā)育導(dǎo)水，應(yīng)在施工前進(jìn)行查實(shí)，保證施工順利開(kāi)展。

(4)地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于工程地質(zhì)勘察中是利用高頻電磁波(主頻為數(shù)十兆赫至數(shù)百兆赫至上千兆赫)以寬頻帶短脈沖形式，由地面發(fā)射天線T向地下發(fā)射，碰到地下地層或目的體(物性有差異)經(jīng)反射后，利用地面接收天線R接收并經(jīng)數(shù)字化處理，送入計(jì)算機(jī)內(nèi)存貯、顯示。雷達(dá)圖像常以脈沖反射波的波形形式記錄，根據(jù)雷達(dá)圖像可以判斷出地下地層的變化及目標(biāo)體的形狀。

共布置地質(zhì)雷達(dá)布置測(cè)線11條。從地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的結(jié)果看，第四系與基巖界面明顯，結(jié)合鉆探結(jié)果分析：場(chǎng)區(qū)基巖強(qiáng)風(fēng)化帶較薄，在地質(zhì)雷達(dá)剖面中未明顯體現(xiàn)；中風(fēng)化帶與微風(fēng)化帶界限不明顯，由中風(fēng)化帶至微風(fēng)化帶呈漸變走勢(shì)，雷達(dá)剖面中未明顯體現(xiàn)；場(chǎng)區(qū)基巖有花崗巖、片麻巖等多種巖性巖石，相同風(fēng)化程度的不同巖性巖石性質(zhì)較接近，在地質(zhì)雷達(dá)剖面中其界限反應(yīng)不明顯。

4 工程地質(zhì)鉆探

4.1 鉆探驗(yàn)證

鉆探是地質(zhì)勘察中最常用、直接、可靠而有效的手段[14]，可以直接獲取巖芯，從而直觀反映地層巖性、厚度、完整性、破碎程度、含水情況以及穩(wěn)定水位等工程地質(zhì)和水文地質(zhì)參數(shù)。在遙感判譯、野外地質(zhì)調(diào)繪和物探測(cè)試成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合規(guī)范要求，本次鉆探工作布置如下：①隧道淺埋段(K31+735～K31+940、K35+630～K36+315)埋深較淺，在充分利用現(xiàn)有資料的基礎(chǔ)上，左右交錯(cuò)按 30 m間距共布置勘探孔25個(gè)。②隧道深埋段(K31+940～K35+630)洞身整體埋深較大，在充分利用前面成果的基礎(chǔ)上，兼顧區(qū)間風(fēng)井，經(jīng)綜合考慮布置勘探孔6個(gè)。③在斜井洞口處布置勘探孔1個(gè)，在斜井洞身中部推測(cè)的斷裂發(fā)育處布置勘探孔1個(gè)，以查明該斷裂特征、洞身圍巖破碎程度、圍巖透水性等工程地質(zhì)條件。

4.2 綜合試驗(yàn)、測(cè)試

結(jié)合布置的鉆探工作，分別在鉆孔內(nèi)外布置了一系列的試驗(yàn)、測(cè)試工作。孔內(nèi)測(cè)試主要包括原位測(cè)試、水文地質(zhì)測(cè)試、綜合測(cè)井[15]、孔內(nèi)電視等?？淄庵饕獙?duì)巖土(水)樣進(jìn)行了一系列的物理、力學(xué)試驗(yàn)測(cè)定，為設(shè)計(jì)及施工等提供詳細(xì)而可靠的地質(zhì)資料。

5 綜合分析

通過(guò)在場(chǎng)區(qū)開(kāi)展的地質(zhì)測(cè)繪和工程鉆探等工作對(duì)上述物探成果進(jìn)行了驗(yàn)證和補(bǔ)充，總體分析后得到以下主要結(jié)論：①場(chǎng)區(qū)對(duì)隧道工程有重要影響的不良地質(zhì)作用主要為斷裂發(fā)育，場(chǎng)區(qū)崩塌危巖體對(duì)隧道主體基本無(wú)影響。②場(chǎng)區(qū)北東、北西向斷裂較為發(fā)育，其內(nèi)碎裂巖巖體破碎且易形成富水帶。FY1、FY5、F3～F5、F7、F11、F13、F15～F19斷裂推測(cè)其巖體破碎程度較高，透水、崩塌的可能性大，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，保證施工安全。③場(chǎng)區(qū)特殊性巖土主要為人工填土，尤其是隧道出口附近堆填的塊石堆，對(duì)出洞口部工程影響較大。在基巖中脈巖較為發(fā)育、煌斑巖脈中見(jiàn)有球狀風(fēng)化現(xiàn)象，在隧道開(kāi)挖和超前支護(hù)時(shí)應(yīng)注意基巖可能具有軟硬相間、上硬下軟的特點(diǎn)。④隧道圍巖放射性污染主要是γ射線污染，沿線圍巖的γ射線測(cè)試結(jié)果不超過(guò)ICRP年有效劑量平均值1mSv，可不進(jìn)行輻射防護(hù)。隧道圍巖無(wú)有害氣體。

6 結(jié) 論

已于2015年12月底順利貫通的青島藍(lán)色硅谷城際鐵路隧道工程，勘察成果的現(xiàn)場(chǎng)符合率高、圍巖變更少，施工開(kāi)挖過(guò)程沒(méi)有遇到突發(fā)性的不良地質(zhì)情況。通過(guò)對(duì)勘察及施工過(guò)程情況進(jìn)行總體分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)野外工程地質(zhì)調(diào)繪的詳盡程度在很大程度上決定了物探和鉆探工作量的布置，在山嶺隧道的勘察工作中必須充分深化野外地質(zhì)調(diào)繪工作。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，高分辨率的影像資料的利用可以極大提高野外工程地質(zhì)調(diào)繪的效率。

(2)對(duì)于下伏基巖的塊石土堆積區(qū)域，地質(zhì)雷達(dá)對(duì)于探測(cè)填土厚度具有較好的適應(yīng)性。地下水賦存狀態(tài)在花崗巖地區(qū)基本與斷裂破碎帶的特征相一致，反映在電阻率參數(shù)表現(xiàn)為低阻異常。而波速信息對(duì)于地下水的反映相對(duì)很弱，基本表現(xiàn)為波速降低。

(3)結(jié)合電法和地震的勘查資料，淺層折射波法推測(cè)的斷裂與高密度電法所解譯的斷裂對(duì)應(yīng)比較好的為F16、F17和F18，其中F17、F18為高密度電法探測(cè)破碎程度較發(fā)育的兩條斷裂?？梢?jiàn)，高密度電法對(duì)電阻率變化非常敏感，能夠識(shí)別規(guī)模較小的電性異常體，地震方法對(duì)波阻抗變化較敏感，兩者聯(lián)合可以從不同角度揭示地下介質(zhì)的分布特征。

(4)正式測(cè)定前，各物探手段必須重視現(xiàn)場(chǎng)物性測(cè)量及試驗(yàn)工作，以確定合理的相關(guān)測(cè)試參數(shù)。

(5)物探結(jié)果具有多解性，地形、地貌以及地質(zhì)環(huán)境等因素都影響著物探技術(shù)的應(yīng)用和成果的解譯，在對(duì)物探技術(shù)與場(chǎng)區(qū)特點(diǎn)適應(yīng)性研究的基礎(chǔ)上再布置物探工作，做到多種測(cè)試手段各展所長(zhǎng)、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，才能更好地發(fā)揮物探技術(shù)的作用，提高勘察效率，減少鉆探等工作量。

(6)綜合勘察技術(shù)的運(yùn)用，是復(fù)雜隧道工程巖土工程勘察的必要手段，必須聯(lián)合運(yùn)用，才能保證勘察成果資料的準(zhǔn)確性。