大功率電測(cè)深成像法在隧道不良地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

李興樺

云南大都建設(shè)工程有限公司 云南 昆明 650000

隧道施工過程中，由于斷層、破碎帶、采空區(qū)、溶洞、富水情況、軟弱巖體等不良地質(zhì)的存在會(huì)帶來坍塌冒頂風(fēng)險(xiǎn)，富水性強(qiáng)的軟弱地層會(huì)在施工過程中帶來透水及塌方事故，從而嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和威脅人的生命安全[1,2]。如何保證隧道施工安全及時(shí)解決各種病害，已成為業(yè)界探討的重要問題[3]。目前，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)物探常用的方法有：地震波類、高頻電磁波類、電法類和電磁法類[4]。曹云勇等[5]，采用井地電磁法，提高了隧道勘察中目標(biāo)區(qū)域的識(shí)別能力。通過對(duì)川藏鐵路格聶山隧道的勘察試驗(yàn)，探討井地電磁法的采集，處理方案和檢測(cè)效果，并分析總結(jié)了將井地電磁法應(yīng)用于隧道的可行性和有效性。肖想等[6]，應(yīng)用EH4大地電磁測(cè)深法到綿九高速公路隧道勘察中，結(jié)果表明該法在劃分地質(zhì)構(gòu)造分布及了解破碎構(gòu)造上的應(yīng)用效果較佳。苗德政等[7]，高密度電阻率法用于劃分深埋隧道的地層界限，確定斷層斷裂帶的位置，為隧道圍巖的分級(jí)和工程地質(zhì)條件的評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

本文選取下忙籠隧道左幅(Ⅰ-Ⅰ’測(cè)線)進(jìn)行研究分析。在前期勘察的基礎(chǔ)上，采用大功率電測(cè)深成像法，結(jié)合工程地質(zhì)測(cè)繪、野外地質(zhì)調(diào)查等綜合方法，對(duì)下忙籠隧道進(jìn)行勘察應(yīng)用。

1 研究區(qū)概況

在建的云南臨翔至雙江高速公路下忙籠隧道設(shè)計(jì)為分離式隧道，隧址區(qū)海拔高程介于1542.0m～1840.0 m之間，相對(duì)高差298.0m，屬構(gòu)造剝蝕低中山地貌區(qū)。隧道區(qū)地形起伏大，地表植被發(fā)育，以灌木及茶樹地為主。隧址區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)烈、巖體風(fēng)化破碎程度高，節(jié)理裂隙發(fā)育，尤其是隧道進(jìn)、出口地段,巖石松散破碎，圍巖自穩(wěn)能力差，給施工帶來極大困難。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果及揭露情況，在建下忙籠隧道隧址區(qū)范圍內(nèi)主要地層為第四系殘坡積（Qdl+el）層、印支期（γ51）巖層。第四系殘坡積（Qdl+el）層巖性為粉質(zhì)黏土：褐黃色，可至硬塑狀態(tài)。主要有粘粒及粉粒組成，局部夾0.5～6.0m 球狀中風(fēng)化孤石。分布于山前較平緩部位，厚度 25～50m。印支期（γ51）花崗巖全風(fēng)化二長花崗巖：灰黃色、灰色，風(fēng)化呈密實(shí)沙土狀，可見母巖殘留結(jié)構(gòu)，局部見石英及包裹體，厚度 15.00～50.00m 之間。強(qiáng)風(fēng)化二長花崗巖：褐黃、灰黃色、灰色，中粗粒變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面見鐵質(zhì)浸染，呈碎塊狀、砂狀，局部見大于2m二長花崗巖包裹體，風(fēng)化不均，厚度變化大，鉆孔揭露及坡體開挖斷面，厚度 2.50～10.00m之間。

2 探測(cè)方法原理及其工作布置

2.1 大功率電測(cè)深成像法

大功率電測(cè)深成像法是一種陣列勘探方法，也稱為自動(dòng)電阻率系統(tǒng)，它是直流電法的發(fā)展，結(jié)合了四極測(cè)深與電剖面法功能。其電場(chǎng)的分布與地下介質(zhì)的視電阻率ρs的分布密切相關(guān)，電極向地下供電形成人工電場(chǎng)，通過測(cè)量地表不同部位的人工電場(chǎng)，了解地下介質(zhì)視電阻率ρs的分布，并根據(jù)巖土介質(zhì)視電阻率的分布來推斷和解釋地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

本次大功率電測(cè)深成像法測(cè)量擬選用溫納裝置（圖1）。

圖1 溫納裝置斷面掃描示意圖

2.2 探測(cè)工作布置

本次物探方法采用大功率電測(cè)深成像法，共布置兩條測(cè)線，電極距6m，沿隧道左（Ⅰ-Ⅰ’）右幅（Ⅱ-Ⅱ’）中軸線各一條。見圖2物探測(cè)線布置圖。根據(jù)地形起伏，隧道埋深動(dòng)態(tài)設(shè)置探測(cè)深度，測(cè)深達(dá)到隧道設(shè)計(jì)高程以下30m。在實(shí)際工作中采用固定基站式RTK進(jìn)行測(cè)點(diǎn)定位。

圖2 物探測(cè)線布置圖

2.3 地球物理特征

在建下忙籠隧道隧址區(qū)地層主要為第四系殘坡積層(Q4el+dl)粉質(zhì)黏土、印支期（γ51）花崗巖。第四系覆蓋層視電阻率值一般呈低阻特征，一般不超過100Ω·m。強(qiáng)至全風(fēng)化花崗巖視電阻率值范圍為300～1000Ω·m，呈低中阻特征。中風(fēng)化花崗巖視電阻率值大于1000Ω·m，呈高阻特征。因正值雨季，雨水富集，隧址區(qū)視電阻率值范圍為0～1000Ω·m，呈低中阻特征，各種巖石、覆蓋層之間存在電性特征差異。

3 成果解譯與驗(yàn)證

圖中紅色、橘黃色區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)高阻區(qū)，代表巖體相對(duì)致密，完整性好，含水量?。稽S色、綠色和藍(lán)色為相對(duì)低阻區(qū)，代表巖體含水、松散破碎或呈全風(fēng)化狀態(tài)；視電阻率分布不均的，表示巖體物性差異大，推測(cè)巖體構(gòu)造發(fā)育，松散破碎；視電阻率橫向分布均勻，表示巖體物性均一，如圖3。

圖3 (Ⅰ-Ⅰ’)K22+480~K23+450地球物理勘探成果圖

3.1 成果解釋

ZK22+482～ZK22+860段，長378m。地表為粉質(zhì)粘土，軸線視電阻率值總體呈低阻特征，局部呈相對(duì)高阻特征，ZK22+840有溪流通過，地表水補(bǔ)給明顯，富水性中等。推測(cè)軸線地層巖性為全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，以全風(fēng)化為主，巖體節(jié)理裂隙很發(fā)育，呈散體、沙土狀結(jié)構(gòu)，巖體極破碎，圍巖自穩(wěn)能力差，開挖過程中易出現(xiàn)點(diǎn)滴狀、局部股流狀出水、局部坍塌、冒頂及圍巖較大變形。整段劃為嚴(yán)重不良地質(zhì)段。

ZK23+740～ZK24+248段，長508m。地表總體為低阻特征，未見地表水，軸線視電阻率值總體呈相對(duì)低阻特征，說明軸線地層富水性中等。推測(cè)軸線地層巖性為全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，以強(qiáng)風(fēng)化為主，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，呈鑲嵌碎裂、散體狀結(jié)構(gòu)，巖體破碎，風(fēng)化程度高，圍巖自穩(wěn)能力差。開挖過程中易出現(xiàn)淋雨?duì)畛鏊?、局部坍塌情況。整段劃為嚴(yán)重不良地質(zhì)段。

3.2 驗(yàn)證分析

經(jīng)隧道開挖驗(yàn)證，隧道圍巖以全風(fēng)化花崗巖為主，夾孤石，點(diǎn)滴狀出水為主，在ZK23+800～ZK24+212段巖體破碎，基巖裂隙水量豐富，施工時(shí)以股流狀出水，由于物探超前預(yù)報(bào)了此不良地質(zhì)段，施工過程中提前疏排水、降低水壓、避免了涌水突泥地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

4 結(jié)束語

（1）研究隧道推測(cè)隧道ZK22+482～ZK22+860、ZK23+740～ZK24+248，段為嚴(yán)重不良地質(zhì)段，巖體破碎，富含基巖裂隙水，圍巖穩(wěn)定性差，預(yù)測(cè)隧洞開挖時(shí)易出現(xiàn)股流狀出水，圍巖變形大、易發(fā)生掉塊、坍塌、冒頂?shù)任ｋU(xiǎn)。

（2）開挖驗(yàn)證了大功率電測(cè)深成像法在隧道勘察中的應(yīng)用效果較佳，為隧道安全建設(shè)提供了科學(xué)而有力的依據(jù)。