瞬變電磁法在隧道勘察中的應用

馬智鵬

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術學院，甘肅 天水 741025）

0 引言

三陽川城市隧道全線地貌屬構(gòu)造剝蝕低中山地貌區(qū)與藉河、渭河高階地交匯部位。工程建設中遇到了很多復雜的工程問題，為了給開挖過程中遇到的滑坡、崩塌、錯落、斷層、涌水、崩塌等地質(zhì)風險提供地質(zhì)依據(jù)及有關的地質(zhì)災害預報資料，勘察中采用瞬變電磁法對隧道周圍的地層巖性、含水層、斷裂帶進行查明。

1 隧道概況

1.1 地形地質(zhì)概況

天水地區(qū)海拔1000～2100m，山脈較多，地勢西北高，東南低。地貌區(qū)域分異明顯。東部和南部為褶皺，形成山地地貌。北部為沉積黃土層，形成黃土丘陵地貌。中部一部分地區(qū)受構(gòu)造控制，形成渭河地塹，經(jīng)第四紀河流侵蝕堆積，成為藉河河谷地貌。隧址區(qū)地貌單元屬藉河、渭河高階地與構(gòu)造剝蝕低中山地貌區(qū)交匯部位。

隧道區(qū)所遇地層主要包括第四系全新統(tǒng)、第四系上更新統(tǒng)、第四系中更新統(tǒng)、新近系和下古生界牛頭河群地層，其巖性特征分述如下：

1）第四系全新統(tǒng)（Q4）

①層填筑土（Q4ml）：主要分布于隧道進、出口及隧址區(qū)附近居民生活區(qū)地段。主要由粉土、碎石、磚塊等建筑垃圾組成，雜色，松散～稍密，土質(zhì)極不均勻。進、出口區(qū)堆積厚度3.0m左右。

②層黃土狀粉土（Q4al+pl）：主要分布于隧道出口附近的渭河河流的高階地表層。土質(zhì)較為均勻，稍濕，稍密，孔隙較發(fā)育，巖芯多呈粉末狀，局部含有砂質(zhì)，手捻有明顯的砂感。

③層黏土（Q4del）：主要分布于隧道中樁進口和中部山體緩坡表層。該層為老滑坡堆積體，上部呈褐黃色，中下部呈褐黃色夾淺紅色，結(jié)構(gòu)松散，稍濕～潮濕，下部為新近系泥巖和黏質(zhì)黃土的混合體。

2）第四系上更新統(tǒng)（Q3）

④層黏質(zhì)黃土（Q3eol）：主要分布于山梁和緩坡地帶。稍密，稍濕，黃褐色為主，土質(zhì)較均勻，孔隙較發(fā)育，含水量較小，巖芯呈柱狀，局部可見鈣質(zhì)菌絲。

3）第四系中更新統(tǒng)（Q2）

⑤層黏質(zhì)黃土（Q2eol）：主要分布于山梁和緩坡地帶。厚度變化大。黃褐色～微紅色，中密～密實，稍濕，土質(zhì)較均勻，孔隙較發(fā)育，含水量較小，巖芯呈柱狀，局部可見鈣質(zhì)菌絲。

⑥層卵石（Q2al+pl）：該層分布在隧道出口渭河河流階地黏質(zhì)黃土下部。厚度為1.90～4.50m。雜色，潮濕～飽和，中密。呈亞圓狀，主要成分為花崗片麻巖，粒徑大于20mm的顆粒含量占總質(zhì)量的70%左右，余為砂質(zhì)及3%左右的泥質(zhì)充填，顆粒最大粒徑約200mm。土質(zhì)不均，多處夾細砂透鏡體。

4）新近系（N）

新近系泥巖位于第四系覆蓋層下部，厚度巨大。分布于隧道洞身ZK0+500～ZK2+280段。根據(jù)其風化程度劃分為⑦-1層強風化泥巖和⑦-2層中風化泥巖。

⑦-1層強風化泥巖（N）：表層3.0m左右呈全風化。青灰色、褐色、棕色等顏色混雜，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖芯呈碎塊狀、短柱狀，手掰可斷，遇水易軟化，屬軟質(zhì)巖石。

⑦-2層中風化泥巖（N）：青灰色，褐紅色、局部呈棕色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，巖體較完整，巖芯呈長柱狀，手掰不易斷，錘擊易沿節(jié)理面斷開，節(jié)理面可見灰黑色腐殖質(zhì)，遇水較易軟化，屬軟質(zhì)巖石。該層泥巖與下伏牛頭河群花崗片麻巖呈不整合接觸關系。

5）下古生界牛頭河群（Pz1nt）

下古生界牛頭河群（Pz1nt）下亞群第四層花崗片麻巖：下部為黑云母二長片麻巖夾大理巖及角閃巖；中部為黑云母片麻巖；上部為含拓榴石黑云母斜長石片麻巖夾石英斜長黑云母片巖、含云母石英巖及大理巖等。其總厚度大于2560米。產(chǎn)狀210°∠48°，290°∠80°，該層在隧道洞身ZK2+280～ZK3+740 段均有揭露，根據(jù)其風化程度，劃分為⑧-1強風化花崗片麻巖和⑧-2中風化花崗片麻巖（Pz1nt）。

⑧-1層強風化花崗片麻巖（Pz1nt）：表層3.5m左右為全風化。肉紅色夾深灰色，變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)構(gòu)造受到嚴重破壞，但局部仍可見母巖碎塊，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖芯呈碎塊狀，局部短柱狀。巖芯采取率較低，約60%。錘擊易碎，敲擊聲悶。工程區(qū)內(nèi)附近露頭測的其產(chǎn)狀為290°∠80°。

⑧-2層中風化花崗片麻巖（Pz1nt）：深灰色、灰白色，變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整，巖芯采取率較高，約85%。巖芯呈短柱狀，少量長柱狀，最長節(jié)長可達1.5m左右，巖質(zhì)堅硬，敲擊聲清脆。

1.2 電性特征

工區(qū)地表覆蓋主要為第四系黃土，下伏基巖主要為強中風化的泥巖和花崗片麻巖，從物性差異分析，工區(qū)內(nèi)地層變化規(guī)律為：黃土的電阻率相對較低，往下泥巖電阻率相對于含水性好的黃土地層略高，而花崗片麻巖的電阻率相較區(qū)內(nèi)其他地層最高。故依靠不同巖層間的電阻率差異可以劃分出巖性分界面。

而斷裂構(gòu)造的發(fā)育會造成地層層位不同程度的錯動或者裂隙發(fā)育，會導致地層出現(xiàn)含水性增大、導電性良好的特性，顯著的低阻電性差異可以幫助判別斷裂構(gòu)造的存在，并劃分出破碎帶寬度。

2 瞬變電磁法勘探方法及工程布置

本次瞬變電磁法勘探采用中心回線裝置，該裝置可有效避開地形變化對測量結(jié)果的影響，防止外部干擾，確保野外數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

根據(jù)工作目的和現(xiàn)場條件，選用采集參數(shù)為：24V電瓶供電，工作電流10A；發(fā)射線框為300m×400m，接收線框面積4m2，選用頻率25Hz；采樣時間：10ms；測量點距：20m；數(shù)據(jù)格式：*.Bin。

共完成電阻率剖面1條，剖面長度3320m，相關工作量見表1。

表1 瞬變電磁法工作量統(tǒng)計表

3 成果分析

3.1 地層構(gòu)造特征

在確定剖面電性特征的基礎上，結(jié)合場區(qū)的地質(zhì)資料，結(jié)合鉆孔分析，對反演所得的TEM視電阻率剖面進行地質(zhì)解釋，劃分出4個層位，分別為T1～T4，對應地質(zhì)界面見表2。

表2 地址界面

T1～T3以中低阻為主，厚度和起伏變化較大，隧道兩端T3 與T4呈不整合接觸，T3整體厚度變化不超過150m；T4以高阻為主，厚度和起伏變化較小；全剖面水平方向電阻率變化均勻，無明顯斷裂異常。

3.2 與鉆探地質(zhì)報告驗證結(jié)論

通過鉆孔剖面和照物探剖面圖對比發(fā)現(xiàn)，地層結(jié)構(gòu)變化不大，巖層走向一致，未發(fā)現(xiàn)破碎帶、軟弱層等不良地質(zhì)，驗證了瞬變電磁法的可靠性，適宜在復雜地形條件下的工程地質(zhì)勘察工作。

4 結(jié)論

瞬變電磁法是基于電性差異來劃分不同巖性地層、構(gòu)造破碎帶等異常地質(zhì)體，屬于時間域的電磁感應法，因瞬變曲線衰減的快慢與地層或地質(zhì)體的導電性能有關，根據(jù)這一特性利用其異常值區(qū)分物探區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)情況。工程實踐說明，瞬變電磁法適宜復雜地形條件下的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)勘察工作，對于規(guī)避施工風險和預防施工過程中可能出現(xiàn)的地質(zhì)災害具有重要意義。