綜合物探法在浙西地區(qū)擬建隧道地質(zhì)勘察中的應(yīng)用研究

鄭龍金，羅海權(quán)，鄒 磊，楊小龍

(江西有色地質(zhì)勘查五隊(duì)，九江 332000)

0 前言

隨著我國(guó)交通網(wǎng)建設(shè)的需要，隧道工程在交通網(wǎng)建設(shè)中所占的比重越來(lái)越大、隧道長(zhǎng)度也越來(lái)越長(zhǎng)，施工難度越來(lái)越大[1-2]。我國(guó)浙江省西部地區(qū)地質(zhì)條件較為復(fù)雜，廣泛存在構(gòu)造發(fā)育帶、斷裂帶、巖溶發(fā)育區(qū)等復(fù)雜地形地貌。建設(shè)中的公路和鐵路路線不可避免地會(huì)穿越這些復(fù)雜地質(zhì)條件地區(qū)。對(duì)于建設(shè)中的隧道，如果未進(jìn)行任何前期勘測(cè)而進(jìn)行盲目開(kāi)挖，很容易發(fā)生各種各樣的地質(zhì)災(zāi)害(如：突水、突泥、塌方、巖爆、瓦斯爆炸等)。針對(duì)于公路或是鐵路建設(shè)施工前的路線設(shè)計(jì)階段，采用物探等相關(guān)工程技術(shù)對(duì)擬建隧道地質(zhì)條件進(jìn)行前期勘測(cè)，可以給設(shè)計(jì)部門是否決定更改設(shè)計(jì)路線或是采取怎樣的防護(hù)措施會(huì)起到?jīng)Q定性資料參考作用，從而降低隧道施工風(fēng)險(xiǎn)和保證工程質(zhì)量[3-5]。

然而單一的物探方法方法在解決復(fù)雜地質(zhì)(如浙西地區(qū)地形)問(wèn)題中往往顯得力不從心，不能滿足勘察要求。綜合物探法是指運(yùn)用各種物探技術(shù)手段[6-10]，主要有電法勘探(如瞬變電磁法、大地電磁法、核磁共振法及直流電法等)、地震勘探(如地震折射法、地震反射法、地震面波法及地震CT等)及探孔技術(shù)等。根據(jù)不同地質(zhì)情況進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，綜合分析從而探明探測(cè)對(duì)象的物理屬性和空間位置屬性。

不同的物探方法有不同的適用條件，如何根據(jù)不同地質(zhì)條件，合理選擇適用的物探方法，這是綜合物探的關(guān)鍵。依據(jù)勘察目的不同，隧道勘察中的常用物探方法[11-12]見(jiàn)表1。這里主要就浙西地區(qū)擬建隧道勘察為背景，綜合論述大地電磁法、高密度電法及地震CT相結(jié)合相對(duì)單一物探方法在擬建隧道前期勘察中的優(yōu)點(diǎn)。

表1 隧道勘察中的常用物探方法

1 方法原理

1.1 高密度電阻率法

高密度電法與常規(guī)的視電阻率測(cè)深相比，其一次布線可獲取二維龐大數(shù)據(jù)體。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的整理分析，可獲得視電阻率斷面圖,由此劃分工區(qū)內(nèi)巖土介質(zhì)的視電阻率值及不同視電阻率介質(zhì)的分布變化形態(tài)。對(duì)于高密度成果圖異常分析可以總結(jié)為以下兩點(diǎn)：①當(dāng)工區(qū)內(nèi)介質(zhì)為水平均質(zhì)或無(wú)其他不良地質(zhì)作用時(shí)，視電阻率等值線一般呈有規(guī)律的均勻分布，近水平層狀；②當(dāng)工區(qū)內(nèi)存在一定規(guī)模的巖溶、夾層、破碎帶、斷層、軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，則視電阻率等值線將發(fā)生變化，表現(xiàn)為梯度變化大，出現(xiàn)“U”字或“V”字形等異常形態(tài)。

1.2 可控源音頻大地電磁法(CSAMT)

可控源音頻大地電磁法是一種利用人工場(chǎng)源的頻率域電磁測(cè)深方法，其方法原理與音頻大地電磁法大體相同。區(qū)別在于其場(chǎng)源是由人工通過(guò)有限長(zhǎng)接地導(dǎo)線電流源,向地下發(fā)送不同頻率的交變電流進(jìn)行激發(fā)，不同的發(fā)射頻率決定不同的探測(cè)深度。CSAMT運(yùn)用于擬建隧道勘察時(shí)，其施工方法是通過(guò)平行于擬探測(cè)隧道主線方向，在距7倍至8倍探測(cè)深度(收發(fā)距)處布置接地導(dǎo)線AB(AB之間的距離應(yīng)保證擬測(cè)隧道段在與接地導(dǎo)線AB成60°張角的扇形區(qū)域內(nèi))，并通過(guò)AB向地下供入已設(shè)定好的音頻f的諧變電流，在擬測(cè)隧道主線上,進(jìn)行逐點(diǎn)觀測(cè)沿測(cè)線方向相應(yīng)頻率的電場(chǎng)分量Ex和與之正交的磁場(chǎng)分量By，進(jìn)而計(jì)算卡尼亞視電阻率：

(1)

式中：μ為大地的磁導(dǎo)率；ω為角頻率。在所設(shè)計(jì)的音頻段內(nèi)逐個(gè)改變供電和測(cè)量頻率,就可以測(cè)出ρs隨頻率的變化，完成頻率測(cè)深觀測(cè)。

1.3 地震波層析成像法(地震CT)

跨孔地震波層析成像技術(shù)，是一種通過(guò)鉆孔孔間成像的地下物探方法。其基本原理是在某一鉆孔設(shè)計(jì)位置激發(fā)地震波，其他鉆孔通過(guò)檢波器接收彈性波各種震相運(yùn)動(dòng)學(xué)(走時(shí)、射線路徑)和動(dòng)力學(xué)(波形、振幅、相位、頻率)特征值。利用這些特征值進(jìn)行分析并反演地下介質(zhì)速度分布情況，從而判定兩鉆孔間地質(zhì)異常信息。該方法通?？捎糜谔綔y(cè)規(guī)模小，要求精度高的地下介質(zhì)細(xì)結(jié)構(gòu)。地震波在地質(zhì)體中傳播時(shí)，巖土體縱波傳播速度為式(2)。

(2)

式中:vp為縱波速度；E為介質(zhì)的楊氏彈性模量；ρ為介質(zhì)密度；μ為介質(zhì)的泊松比。

不同的巖體彈性參量不相同，傳播速度也就不同，當(dāng)某條射線通過(guò)目標(biāo)地質(zhì)體時(shí)，將產(chǎn)生旅行時(shí)差。但僅根據(jù)一條波射線所產(chǎn)生的速度差異難以判別異常體的位置，因?yàn)樗赡芪挥谏渚€路徑的任何一處。假如再利用另一條與該射線在異常體部位相交的射線走時(shí)，就可以對(duì)前一條射線在異常位置上進(jìn)行必要的約束。當(dāng)采用相互交叉的致密射線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，就會(huì)對(duì)異常地質(zhì)體在空間上產(chǎn)生強(qiáng)有力的約束。地震波跨孔層析成像采用一發(fā)多收的扇形穿透，經(jīng)過(guò)逐點(diǎn)激發(fā)，在被測(cè)區(qū)域內(nèi)形成密集的射線交叉網(wǎng)絡(luò)(圖1)。

圖1 跨孔CT射線網(wǎng)絡(luò)示意圖

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況及勘察任務(wù)

以衢州市雷公嶺隧道為例，雷公嶺隧道全長(zhǎng)為1 408 m，最大埋深約為279 m。設(shè)計(jì)隧道路線在該區(qū)穿越地層分別為石炭系上統(tǒng)船山組(C3c)，巖性主要為青灰色灰?guī)r；石炭系中統(tǒng)黃龍組(C2h)，巖性主要為石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r；志留系上統(tǒng)唐家塢組二段(S3t2)砂巖；志留系上統(tǒng)唐家塢組一段(S3t1)砂巖；志留系下統(tǒng)大白地組(S1d)砂巖、泥巖。對(duì)隧道勘察的主要任務(wù)是：①查明設(shè)計(jì)隧道地段巖性分界面、覆蓋層厚度、基巖面起伏形態(tài)；②探明設(shè)計(jì)隧道地段不良地質(zhì)體分布情況，包括構(gòu)造破碎帶、巖溶發(fā)育帶等。

2.2 物探方法選擇及物探工作布置

依據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)的巖土條件，測(cè)區(qū)內(nèi)覆蓋層與基巖以及不良地質(zhì)體(構(gòu)造破碎帶、巖溶發(fā)育帶),與圍巖之間都存在明顯的電阻率差異及密度差異，且埋深大于40 m，故本項(xiàng)目擇優(yōu)選擇可控源音頻大地電磁法和高密度直流電法以及地震CT。根據(jù)地形地貌及隧道走向等現(xiàn)場(chǎng)條件，沿著隧道主線布置一條可控源音頻大地電磁法測(cè)線(K2+180 m～K3+440 m)，長(zhǎng)度為1 260 m。沿隧道洞身走向布置了兩條高密度電法剖面LGL-G1(K2+171 m～K2+432 m)和LGL-G2(K2+300 m～K2+938 m)，長(zhǎng)度分別為261 m和638 m，主要布置在隧道穿越的灰?guī)r、灰?guī)r與砂巖交接地段。作為驗(yàn)證探測(cè)。同時(shí)，在ZK1(K3+248 m)和ZK2(K3+300 m)這對(duì)鉆孔間進(jìn)行地震CT探測(cè)，作為驗(yàn)證探測(cè)。

2.3 成果解譯

圖2是CSAMT(K2+180 m～K3+440 m)電阻率等值線圖；圖3和圖4分別是高密度測(cè)線LGL-Z1(K2+171 m～K2+432 m)和LGL-Z2(K2+300 m～K2+938 m)電阻率等值線圖；圖5和圖6分別是地震波層析成像ZK1-ZK2剖面圖及異常推斷解譯圖；圖7是雷公嶺隧道綜合地質(zhì)解譯剖面圖。水平坐標(biāo)代表里程樁號(hào)，垂直坐標(biāo)代表地面高程。

圖2 可控源音頻大地電磁法剖面圖(K2+180 m-K3+440 m)

圖3 高密度直流電法剖面圖(K2+171 m-K2+340 m)

圖4 高密度直流電法剖面圖(K2+300 m-K2+940 m)

圖5 地震波層析成像剖面圖(ZK1-ZK2)

圖6 地震波層析成像異常推斷解譯圖(ZK1-ZK2)

圖7 雷公嶺隧道綜合地質(zhì)解譯剖面圖(K2+180 m-K3+440 m)

根據(jù)地質(zhì)和鉆探成果資料，隧道進(jìn)洞口K2+180 m至K3+440 m段為低山地形，地表植被發(fā)育，表部覆蓋坡洪積含黏性土碎石、殘坡積粉質(zhì)黏土，厚約3 m～10 m；剖面淺部的不連續(xù)高阻異常推測(cè)為不含水的松散巖土體、砂巖、礫石等所致。依據(jù)圖2成果剖面圖來(lái)可以圈定三個(gè)異常區(qū)：

1)I區(qū)：沿隧道設(shè)計(jì)路線K2+180 m至K2+260 m，深在3 m～10 m范圍內(nèi)，出現(xiàn)低電阻率異常區(qū)，結(jié)合地質(zhì)資料，該異常推測(cè)可能為因表部覆蓋坡洪積含黏性土碎石、殘坡積粉質(zhì)黏土引起，或因溝谷中堆積的土、碎石，下部為巖溶溶蝕、巖溶裂隙引起。總體而言，巖體穩(wěn)定性較差，但從電阻率值來(lái)看發(fā)育溶洞的可能性不大。

2)II區(qū)：沿隧道設(shè)計(jì)路線K2+880 m至K3+040 m，深在40 m～150 m范圍內(nèi)，出現(xiàn)低電阻率異常區(qū)，該地段圍巖主要為志留系上統(tǒng)唐家塢組二段砂巖，該異常區(qū)可能由于砂巖節(jié)理裂隙較發(fā)育所致。

3)III區(qū)：沿隧道設(shè)計(jì)路線K3+240 m至K3+320 m，深在20 m～120 m左右范圍內(nèi)，出現(xiàn)低電阻率異常區(qū)，該異常區(qū)推測(cè)可能為該地段志留系上統(tǒng)唐家塢組一段砂巖與下伏基巖中志留系下統(tǒng)大白地組砂巖垂向連續(xù)密集裂隙發(fā)育所致。受該節(jié)理裂隙發(fā)育的影響，圍巖巖體可能較為破碎。

對(duì)于局部富水，高密度電法具有極大優(yōu)勢(shì)，作為驗(yàn)證性探測(cè)的高密度測(cè)線LGL-G1(K2+171 m～K2+432 m)和LGL-G2(K2+300 m～K2+938 m)主要布置在隧道穿越的灰?guī)r、灰?guī)r與砂巖交接地段。根據(jù)圖3和圖4，斷面淺部電阻率多為層狀低阻，局部為中高阻，往深部電阻率逐漸升高，可以圈定四個(gè)異常區(qū)。

1)I區(qū)：沿隧道設(shè)計(jì)路線K2+220 m～K2+258 m(圖3)范圍淺部出現(xiàn)一低阻異常區(qū)，推測(cè)上部為溝谷中堆積的土、碎石，下部為巖溶溶蝕、巖溶裂隙引起，這與圖2中I區(qū)異常對(duì)應(yīng)，同時(shí)也細(xì)化了CSAMT等值線中的I區(qū)異常。

2)II區(qū)：沿隧道設(shè)計(jì)路線K2+290 m～K2+320 m(圖3)范圍淺部洞身上方出現(xiàn)圈閉的低阻異常，異常范圍較小，推測(cè)可能為灰?guī)r中局部發(fā)育的小巖溶引起。

3)III區(qū)：沿隧道設(shè)計(jì)路線K2+300 m～K2+326 m(圖4)范圍，地段出現(xiàn)電阻率強(qiáng)度的變化，為石炭系上統(tǒng)船山組灰?guī)r和石炭系中統(tǒng)黃龍組白云質(zhì)灰?guī)r接觸部位，巖性接觸帶內(nèi)巖溶發(fā)育較強(qiáng)，巖體相對(duì)破碎，巖體強(qiáng)度及穩(wěn)定性相對(duì)較差，基巖裂隙水及巖溶裂隙水水量相對(duì)較為豐富。

4)IV區(qū)：沿隧道設(shè)計(jì)路線K2+450 m～K2+500 m(圖4)范圍，地段出現(xiàn)低電阻率異常區(qū)，該異常推測(cè)石炭系中統(tǒng)黃龍組白云質(zhì)灰相對(duì)破碎，巖體強(qiáng)度及穩(wěn)定性相對(duì)較差，基巖裂隙水及巖溶裂隙水水量相對(duì)較為豐富。

5)V區(qū)：沿隧道設(shè)計(jì)路線K2+570 m～K2+650 m(圖4)段出現(xiàn)一個(gè)帶狀低阻異常區(qū)，傾向北西，與地層產(chǎn)狀基本一致，據(jù)地質(zhì)資料，該地段為石炭系中統(tǒng)黃龍組白云質(zhì)灰?guī)r和志留系上統(tǒng)唐家塢組二段(S3t2)砂巖不整合接觸部位，推測(cè)接觸帶內(nèi)基巖裂隙較為發(fā)育，局部可能有巖溶發(fā)育，巖體較為破碎，地下水相對(duì)豐富，隧道開(kāi)挖可能會(huì)出現(xiàn)滴雨或淋雨?duì)畛鏊?，局部可能存在巖溶裂隙水，隧道開(kāi)挖時(shí)可能出現(xiàn)線狀出水或涌水現(xiàn)象。這與圖2中II區(qū)異常對(duì)應(yīng)，同時(shí)也細(xì)化了CSAMT等值線中的II區(qū)異常。

為驗(yàn)證沿隧道設(shè)計(jì)路線K3+240 m～K3+320 m范圍內(nèi)，出現(xiàn)的低電阻率異常區(qū)是否為志留系上統(tǒng)唐家塢組砂巖與下伏基巖中志留系下統(tǒng)大白地組砂巖垂向連續(xù)密集裂隙發(fā)育所致。對(duì)ZK1(K3+248 m)和ZK2(K3+300 m)這對(duì)鉆孔間進(jìn)行地震CT探測(cè)(圖5)，探測(cè)范圍內(nèi)地層介質(zhì)波速變化范圍為800 m/s ～3500 m/s。

在水平位置K3+268 m～K3+290 m，深度40 m～60 m(紅色閉合曲線)范圍內(nèi)(圖6)，異常帶波速范圍為1 200 m/s～1 500，異常中心波速約為1 350 m/s，推測(cè)為破碎或巖溶發(fā)育區(qū)，巖溶溶蝕區(qū)位于基巖頂面附近，向下溶蝕造成基巖頂面下凹。這與圖2中III區(qū)異常對(duì)應(yīng)，同時(shí)也細(xì)化了CSAMT等值線中的III區(qū)異常。

將三種方法成果對(duì)比驗(yàn)證分析，綜合形成雷公嶺隧道綜合地質(zhì)解譯剖面(圖7)，由圖7可以獲取較為可靠真實(shí)的四處異常區(qū)。這也體現(xiàn)了針對(duì)不同地質(zhì)條件和探測(cè)要求合理采用物探方法的優(yōu)越性，通過(guò)這次實(shí)例綜合物探驗(yàn)證可以為日后物探工作提供較為有利的資料依據(jù)。

4 結(jié)論與建議

1)隧道勘察中的物探方法多種多樣，具有各自優(yōu)越性和局限性，面對(duì)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，不能依據(jù)一種方法來(lái)解決全部問(wèn)題，發(fā)展多種方法的綜合物探是十分有必要的，也將是大勢(shì)所趨。

2)通過(guò)綜合物探法在浙西擬建隧道地質(zhì)勘察的運(yùn)用表明，綜合物探技術(shù)的運(yùn)用可以彌補(bǔ)單一物探方法的不足。利用綜合物探所獲取的成果與鉆探等勘察驗(yàn)證的實(shí)際情況基本吻合。該案例是擬建隧道勘察中綜合物探技術(shù)應(yīng)用的成功典范。

3)目前工程勘察中的綜合物探技術(shù)仍停留在單一物探方法反演成圖，為提高工程勘察的解譯精度，多數(shù)據(jù)聯(lián)合反演解釋，將是綜合物探技術(shù)發(fā)展的重要方向。