CSAMT在巖溶地區(qū)隧道勘察中的應(yīng)用研究

張 鑫

（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營 257026）

在巖溶地區(qū)修建隧道，通常里程長、埋深大、巖溶和破碎帶發(fā)育，如何獲知隧道洞身附近的地質(zhì)構(gòu)造、破碎及富水程度，一直是巖溶發(fā)育區(qū)隧道勘察的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

可控源音頻大地電磁法（CSAMT）利用破碎帶卡尼亞視電阻率的變化進(jìn)行判譯，具有可靠、高效、直觀的特點(diǎn)，且該技術(shù)能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)鉆探以點(diǎn)帶面的局限，對(duì)隧道工程設(shè)計(jì)及施工安全具有積極的意義。應(yīng)用CSAMT在梯排嶺隧道勘察進(jìn)行圍巖分級(jí)，為查明隧道洞身附近巖溶發(fā)育及斷層破碎帶分布、劃分隧道圍巖等級(jí)具有一定的意義。

1 勘察區(qū)域地理及地質(zhì)概況

（1）地理概況。梯排嶺隧道位于廣東省韶關(guān)市，隧道水平長度為1900m，最大埋深為200m。隧道區(qū)屬侵蝕-構(gòu)造低山地貌。隧道進(jìn)洞口之上為陡坡，邊坡坡向約272°，坡度為30～40°。隧道出洞口之上為高約2.5m的陡坎，陡坎之上為坡度25～30°的斜坡，邊坡坡向約65°。

（2）地質(zhì)概況。根據(jù)工程地質(zhì)測繪和鉆探結(jié)果，隧道地層由老至新特征如下：①泥盆系上統(tǒng)佘田橋組（D3s）：深灰、黑灰色，中厚層～厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r夾薄層黃灰色鈣質(zhì)泥巖，局部夾黑灰色中厚層碳質(zhì)灰?guī)r；②泥盆系上統(tǒng)錫礦山組（D3x）：上部為深灰色，中厚層～厚層灰?guī)r夾黃灰色薄層泥灰?guī)r，下部為深灰色，中厚～厚層灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾黃灰色鈣質(zhì)頁巖；③石炭系下統(tǒng)巖關(guān)組（C1ya）：灰色，中厚層灰?guī)r與黃綠色泥質(zhì)、頁巖不等厚互層；④第四系全新統(tǒng)（Q4）：黃褐、棕紅色黏土夾塊石。

（3）地球物理特性。CSAMT是以研究地下介質(zhì)體的視電阻率差異為地球物理基礎(chǔ)，進(jìn)行二維地電斷面測量的一種視電阻率法勘察技術(shù)。不同組份的巖石（土）會(huì)有不同的電阻率，即使組份相同的巖石，也會(huì)由于結(jié)構(gòu)和含水情況的不同而使電阻率在很大的范圍內(nèi)變化。視電阻率根據(jù)不同巖性，在不同地區(qū)受環(huán)境影響大體在一定的范圍（見表1）。

2 方法技術(shù)和參數(shù)選擇

（1）方法技術(shù)。CSAMT主要采用隧道圍巖的電性特征進(jìn)行初步劃分隧道圍巖等級(jí)。隧道的電性特征依據(jù)阿爾奇公式計(jì)算。

式中：ρ為巖石電阻率；a為比例系數(shù)；φ為孔隙度；m為孔隙度指數(shù)；S為含水飽和度；n為飽和度指數(shù)；ρw為充填在孔隙中水的電阻率。

表1 物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表 單位：Ω·m

（2）參數(shù)選擇。此次勘探可控源音頻大地電磁法選用GDP-32Ⅱ多功能電法儀，軸線采用可控源音頻大地電磁法完成測試，采集端主機(jī)為GDP-32采集系統(tǒng)，電纜為屏蔽被覆線，電極為不極化極罐，極距為20m，采集頻率為32～8192Hz，共13個(gè)頻點(diǎn)。測點(diǎn)總數(shù)為106，測線總長為2100m，收發(fā)距為6.880km，發(fā)射端發(fā)射機(jī)型號(hào)為GGT-10，發(fā)射電流≥5.0A，發(fā)射極距AB=580m。

3 勘探成果與解釋

3.1 數(shù)據(jù)解譯原則

根據(jù)電阻率值大小、變化及低阻異常形態(tài)等特征，結(jié)合工程地質(zhì)測繪、鉆探、原位測試及水文試驗(yàn)等資料，確定數(shù)據(jù)解譯原則如下：（1）條帶狀或串珠狀低阻異常判釋為斷層破碎帶。（2）視電阻率為100～500Ω·m的地層，地表主要為土壤層，中深部為含水量較大的強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化灰?guī)r；視電阻率為500～1000Ω·m的地層，主要為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r；視電阻率為1000～4000Ω·m的地層，主要為中風(fēng)化灰?guī)r；視電阻率為4000～8000Ω·m的地層，主要為微風(fēng)化灰?guī)r；視電阻率＞8000Ω·m的地層，主要為未風(fēng)化灰?guī)r；中深部局部視電阻率＜16Ω·m的極低阻區(qū)，推測為溶洞或地下暗河發(fā)育區(qū)。

3.2 勘探成果解釋

根據(jù)梯排嶺隧道CSAMT測試剖面結(jié)果（見圖1），隧道軸線剖面上，隧道頂板2倍洞徑范圍內(nèi)圍巖完整性具體分析如下。

（1）K0～K0+86段物探成果解釋。該段位于進(jìn)洞口段，視電阻率整體較低。洞身視電阻率較低，推測圍巖巖體較破碎，其中進(jìn)洞口處洞身下方約35m深度處視電阻率很低，推測為大型溶洞或地下暗河。

圖1 梯排嶺隧道CSAMT測試成果

（2）K0+86～K0+400段物探成果解釋。該段位于洞身穿越區(qū)，視電阻率整體較高。在上部溝谷低洼地區(qū)電阻異常，推測為構(gòu)造裂隙發(fā)育區(qū)，低洼底部因長期降雨經(jīng)流水形成溶蝕裂縫，在底部形成溶蝕現(xiàn)象，形成溶洞，其余地區(qū)整體高阻，推測為較為完整的灰?guī)r地層，巖體完整。

（3）K0+400～K0+728段物探成果解釋。該段位于洞身穿越區(qū)，視電阻率整體較低。洞身上部視電阻率低，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)圖，該段為地質(zhì)界線區(qū)，不同時(shí)代巖性接觸面風(fēng)化較為嚴(yán)重，形成構(gòu)造裂隙發(fā)育區(qū)，因此命名為F1破碎構(gòu)造區(qū)。該段隧道圍巖破碎，富含水。由于均為灰?guī)r，推斷裂隙區(qū)可能發(fā)育有規(guī)模溶蝕現(xiàn)象，形成溶洞含水區(qū)。

（4）K0+728～K1+152段物探成果解釋。該段位于洞身穿越區(qū)，視電阻率整體較高，推測巖體裂隙不發(fā)育，巖體完整。

（5）K1+152～K1+365段物探成果解釋。該段位于洞身穿越區(qū)，視電阻率整體較低。在溝谷地區(qū)底部電阻率異常，呈現(xiàn)低阻，該段溝谷地表有徑流水，地層為灰?guī)r，形成裂隙溶蝕帶。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)圖，該段為地質(zhì)界限區(qū)，為不同地質(zhì)時(shí)代地層界限，為構(gòu)造裂隙破碎帶發(fā)育區(qū)，命名為F2。通過地質(zhì)調(diào)查，底部推測形成溶洞發(fā)育區(qū)及地下暗河。

（6）K1+365～K1+597段物探成果解釋。該段位于洞身穿越區(qū)，前半段洞身圍巖視電阻率較高，推測圍巖巖體較完整，后半段洞身圍巖視電阻率相對(duì)較低，推測圍巖巖體較破碎。洞身頂部局部形成低阻圈閉區(qū)，推測溶洞發(fā)育。

（7）K1+597～K1+704段物探成果解釋。該段位于洞身穿越區(qū)，視電阻率整體較低。在溝谷地區(qū)底部電阻率異常，呈現(xiàn)低阻，推測為構(gòu)造裂隙破碎帶發(fā)育區(qū)，該段建議降低圍巖等級(jí)，同時(shí)注意隧道涌水問題。

（8）K1+704～K1+941段物探成果解釋。該段位于出洞口段，植被覆蓋，土層相對(duì)較厚，洞身埋深淺，視電阻率整體較低，推測圍巖巖體較破碎。

4 結(jié)論

在梯排嶺隧道勘察中通過CSAMT初步查明巖溶和破碎帶等不良地質(zhì)作用及其他不明異常地段，然后有針對(duì)性地布置勘探孔，詳細(xì)評(píng)價(jià)隧道工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，分段確定隧道圍巖級(jí)別，得出以下幾個(gè)方面的結(jié)論：（1）利用CSAMT對(duì)巖溶地區(qū)梯排嶺隧道進(jìn)行工程物探，結(jié)合工程地質(zhì)測繪、鉆探及取樣試驗(yàn)、水文地質(zhì)測試等勘測工作，基本查明了隧道的巖性、構(gòu)造和巖溶發(fā)育情況。（2）根據(jù)CSAMT測試成果，結(jié)合圍巖堅(jiān)硬程度、巖體完整程度，考慮地下水狀態(tài)、初始地應(yīng)力狀態(tài)等必要的因素進(jìn)行修正，分段評(píng)價(jià)圍巖級(jí)別為極破碎巖體（Ⅴ級(jí)圍巖）、破碎巖體（Ⅳ級(jí)圍巖）。（3）根據(jù)CSAMT測試成果布置的勘探孔揭示了巖體破碎帶和巖溶發(fā)育區(qū)，CSAMT在巖溶地區(qū)隧道勘察中的效果顯著。