地面物探技術(shù)在隧道掘進(jìn)破碎帶區(qū)段的應(yīng)用

朱偉國,何雄斌

(廣東省地質(zhì)物探工程勘察院,廣州 510800)

0 引言

廣佛東環(huán)城際珠三角城際軌道交通網(wǎng)是廣佛同城化的骨干線路,是推動(dòng)和實(shí)現(xiàn)珠江三角洲區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化的重要交通基礎(chǔ)設(shè)施,對(duì)提高廣州國際綜合交通樞紐的地位,促進(jìn)各個(gè)區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化和提升整體競爭力有著十分重要的意義。全線長約46.75 km,途徑廣州市番禺區(qū)、海珠區(qū)、黃埔區(qū)、天河區(qū)和白云區(qū),共設(shè)大石、科學(xué)中心等8座車站。沿線需經(jīng)過地面建筑物密集區(qū)、穿越已建成公路、鐵路等交通線路,線路經(jīng)過的地質(zhì)情況較為復(fù)雜,隧道經(jīng)過洞身地層變化較大,局部呈軟硬夾層狀,受區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造影響,巖石裂隙普遍發(fā)育,局部漏水嚴(yán)重,使得隧洞施工風(fēng)險(xiǎn)較大。為了保證隧道施工安全以及預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,有必要開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的工作[1-3]。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要分為地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)鉆探及物探技術(shù)等方式。其中物探技術(shù)作為地質(zhì)預(yù)報(bào)的重要組成部分需要采用綜合物探技術(shù)來提高資料解釋的可靠性[4-6]。物探技術(shù)依據(jù)與探測對(duì)象的空間位置不同,可分為地面物探技術(shù)和隧洞物探技術(shù)。地面物探技術(shù)依據(jù)探測地球物理場的不同,分為淺層地震波法、電磁法及直流電法等幾大類[7]。

大太區(qū)間隧道在往小里程方向進(jìn)行TBM掘進(jìn)施工時(shí),在隧洞開挖至里程K38+823時(shí),掌子面頂部整體出現(xiàn)了塌方,局部區(qū)域有大石塊掉落現(xiàn)象發(fā)生,地表出現(xiàn)了輕微塌陷,對(duì)隧洞的施工進(jìn)展產(chǎn)生了一定的影響。為了探明隧洞上方的不良地質(zhì)體、斷層以及破碎區(qū)等地質(zhì)情況,為隧洞進(jìn)一步的施工挖掘提供了基礎(chǔ)依據(jù),本次應(yīng)用地面物探技術(shù)進(jìn)行綜合探測。針對(duì)此次隧道超前預(yù)報(bào)的地形條件、探測深度要求及周邊的干擾情況等因素的考慮,采用了高密度電阻率法和瞬變電磁法兩種地面物探技術(shù)進(jìn)行綜合探測。實(shí)踐證明:高密度電法具有成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn);瞬變電磁法具有靈活、探測深度大等優(yōu)點(diǎn);兩者相結(jié)合能基本探測出地下不良地質(zhì)體的分布情況,是一種有效的地面物探技術(shù)組合。

1 地質(zhì)概況及地球物理特征

1.1 工程地質(zhì)概況

擬建大太隧道區(qū)間位于廣州市白云區(qū)太和鎮(zhèn)。場區(qū)以低山丘陵為主,地形局部陡峭,植被茂密。區(qū)內(nèi)斷層和褶皺均較發(fā)育,北東向的廣從斷裂構(gòu)造組成了本區(qū)的主要構(gòu)造,斷裂生成于加里東運(yùn)動(dòng),在海西-印支構(gòu)造階段控制著廣花凹陷的形成。燕山晚期至喜馬拉雅早期對(duì)龍歸盆地的形成和演變起一定的控制作用,也是區(qū)域控巖、控?zé)峤Y(jié)構(gòu)。早期多表現(xiàn)為逆斷層,晚期多表現(xiàn)為正斷層。由于廣從斷裂帶在該區(qū)域與其它方向斷裂交接切錯(cuò)[8-9],受區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造影響,使得該區(qū)域的巖性變化相對(duì)復(fù)雜,巖石裂隙普遍較發(fā)育。

如圖1為隧道地質(zhì)斷面圖,從圖上可知,隧道所在標(biāo)高在-10 m～-20 m之間。測區(qū)位于石炭系板巖及震旦系片麻巖的轉(zhuǎn)換區(qū)域,該區(qū)域巖性相對(duì)復(fù)雜,且?guī)r性風(fēng)化不均勻。隧洞上方為主要為中風(fēng)化板巖,前期鉆孔揭露該地層由于受區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造影響,巖石裂隙普遍較發(fā)育。

圖1 隧道地質(zhì)斷面圖Fig.1 Geological section of tunnel

1.2 地球物理特征

根據(jù)場地收集的鉆孔資料表明,測區(qū)內(nèi)第四系沖積層厚度一般小于20 m,土層及巖石的電阻率變化見表1。第四系沖積層視電阻率為30 Ω·m ～100 Ω·m;殘積土層視電阻率為50 Ω·m～300 Ω·m;碳質(zhì)板巖為相對(duì)中阻一般為300 Ω·m～1 000 Ω·m;片麻巖視電阻率較高一般為1 000 Ω·m～8 000 Ω·m;不良地質(zhì)體由于巖石破碎一般為70 Ω·m～240 Ω·m?？梢?工區(qū)巖土層存在電性差異,為開展高密度電法勘探與瞬變電磁法提供了較好的物性基礎(chǔ)。

表1工區(qū)電阻率物性參數(shù)表Tab.1 Parameter of resistivity for various media

表2 物探異常對(duì)應(yīng)情況表Tab.2 Correspondence of geophysical anomalies

2 方法原理

2.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法是以地下被探測目標(biāo)體與周圍介質(zhì)之間的電性差異為基礎(chǔ),不良地質(zhì)體因巖性破碎一般表現(xiàn)為低阻,導(dǎo)電能力好,而完整巖石電阻率普遍高,導(dǎo)電能力差,應(yīng)用人工在地下建立電場,觀測和分析人工電場的地下分布規(guī)律,在斷面上通過電阻率反映不同地質(zhì)體的導(dǎo)電能力以達(dá)到了解巖土分層、基巖起伏形態(tài)以及地質(zhì)構(gòu)造、軟弱夾層等不良地質(zhì)體分布范圍的一種地球物理勘探方法[10-11]。高密度電阻率法實(shí)際上是一種快速高效的陣列勘探方法,野外工作時(shí),將數(shù)十個(gè)電極一次性布設(shè)完畢,通過程控式多路電極轉(zhuǎn)換器選擇不同的電極組合方式,即可完成野外數(shù)據(jù)的快速采集[12],見圖2。

圖2 高密度電法野外工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of high-density resistivity method in the field

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法是利用不接地回線等方式向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場,用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場的空間和時(shí)間分布,來解決有關(guān)地質(zhì)問題的時(shí)間域電磁法。瞬變電磁法的探測深度取決于探測信號(hào)的采樣時(shí)刻,早期信號(hào)反映了淺表地質(zhì)異常,晚期信號(hào)攜帶了深層地質(zhì)信息。不同于頻率域電磁法的全程采樣方式,瞬變電磁法對(duì)數(shù)據(jù)的采集通常始于發(fā)射電流完全關(guān)斷之后,理論上,瞬變電磁法的這種特性可以避免發(fā)射電流激發(fā)的一次場響應(yīng)對(duì)目標(biāo)體渦流產(chǎn)生的二次場響應(yīng)的干擾,有利于縮小信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍,提高探測的分辨率[13-14]。

本次采用重慶璀陸探測技術(shù)有限公司生產(chǎn)的FCTEM60-1拖曳式高分辨瞬變電磁系統(tǒng),由瞬變電磁主機(jī)、收發(fā)一體線圈、數(shù)據(jù)處理與成像軟件組成。采用了“恒壓鉗位”高速線性關(guān)斷和無損消互感技術(shù),結(jié)合高密度高動(dòng)態(tài)信號(hào)采集,具有極強(qiáng)的淺層和高分辨探測能力;拖曳式觀測模式極大提高了工作效率;大磁矩發(fā)射增強(qiáng)了抗干擾能力,改善了深部探測效果;豐富的線圈配置提供了從淺表到深部,地面、水上、水下和隧道探測的靈活選擇[15-17]。

3 數(shù)據(jù)采集與處理方法

3.1 測線布置

為了探測出掘進(jìn)位置上方的巖層地質(zhì)情況,以當(dāng)前掘進(jìn)位置為中心,布置2條物探測線, L1和L2,由于線路區(qū)域經(jīng)過陡峭邊坡,無法做到與線路完全垂直布設(shè),測線結(jié)合實(shí)際地形進(jìn)行了調(diào)整,測線布置如圖3所示。

圖3 工區(qū)測線布置圖Fig.3 Layout of geophysical prospecting lines in the work area

3.2 參數(shù)選擇

3.2.1 高密度電阻率法

本次高密度電阻率法采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2A型高密度電法儀對(duì)場地進(jìn)行探測,為了兼顧到有效深度和探測精度,選用四極溫納測深裝置。本次勘查的參數(shù)選擇如下:電極距a=3 m,最小隔離系數(shù)n=1,最大隔離系數(shù)n=20,供電時(shí)間為1 s。采用正負(fù)方波供電,最高供電電壓400 V。

3.2.2 瞬變電磁法

FCTEM60-1拖曳式高分辨瞬變電磁系統(tǒng)是采用收發(fā)一體的重疊回線裝置。經(jīng)現(xiàn)場測試采用最優(yōu)參數(shù)如下:測點(diǎn)距為5 m,局部異常地段加密為2.5 m,發(fā)送電流60 A,發(fā)送頻率16 Hz。疊加次數(shù)的選擇主要與當(dāng)?shù)氐脑肼曀接嘘P(guān),理論上疊加次數(shù)越大,采集到的衰減曲線信號(hào)信噪比越高,經(jīng)對(duì)比試驗(yàn),本次疊加次數(shù)選200次,并重復(fù)觀測兩次取信噪高的數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)處理

3.3.1 高密度電阻率法

本次高密度電阻率法數(shù)據(jù)處理軟件使用驕佳技術(shù)公司的高密度電法數(shù)據(jù)與極化率層析成像軟件Geogiga RTomo6.0。數(shù)據(jù)處理步驟為:數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換→壞點(diǎn)數(shù)據(jù)剔除→數(shù)據(jù)濾波處理→測點(diǎn)高程輸入→地形改正→最小二乘法反演→輸出反演電阻率斷面→物探解釋→地質(zhì)解釋剖面輸出→完成。

3.3.2 瞬變電磁法

本次瞬變電磁法資料處理采用FCTEM數(shù)據(jù)處理軟件。將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后,導(dǎo)入處理軟件進(jìn)行反演。數(shù)據(jù)處理步驟:在數(shù)據(jù)處理之前,先建立新工區(qū),輸入工區(qū)名稱,文件保存路徑,對(duì)工區(qū)和測線情況進(jìn)行簡單描述,最后選擇數(shù)據(jù)導(dǎo)入。數(shù)據(jù)導(dǎo)入成功后,左邊顯示每一點(diǎn)的衰減曲線,右邊顯示測線多測道圖,如圖4。然后選擇一維優(yōu)化反演算法進(jìn)行反演,先進(jìn)行初始模型建立,選擇高程數(shù)據(jù)和保存路徑,建立初始模型和迭代次數(shù),最后點(diǎn)擊確定,進(jìn)行反演計(jì)算。反演結(jié)束后,可以查看每個(gè)測點(diǎn)的曲線擬合情況,將反演結(jié)果導(dǎo)入相應(yīng)的出圖軟件格式進(jìn)行成圖。

圖4 數(shù)據(jù)界面示意圖Fig.4 Schematic diagram of data interface

4 資料解釋與討論

4.1 L1測線異?？傮w特征及解釋

圖5(a)為L1線高密度電法二維反演解釋剖面圖,在點(diǎn)號(hào)1 120～1 140下部存在條帶狀低阻異常,視電阻率在200 Ω·m～400 Ω·m左右,異常兩側(cè)為相對(duì)高阻,電阻率在1 000 Ω·m以上,推測該低阻異常為斷裂破碎帶的反映,編號(hào)Fw1;在點(diǎn)號(hào)1 170～1 195下部存在條帶狀低阻異常,視電阻率為200 Ω·m ～400 Ω·m之間,兩側(cè)為相對(duì)高阻,電阻率均在1 000 Ω·m以上,推測為斷裂破碎帶的反映,編號(hào)Fw2;點(diǎn)號(hào)1 110～1 170下部分布低阻異常,視電阻率小于50 Ω·m,推測該區(qū)域巖性相對(duì)破碎,為基巖風(fēng)化不均所致。隧道經(jīng)過位置在點(diǎn)號(hào)1 137～1 172之間,淺部為相對(duì)高阻,推測為該區(qū)域基巖埋深稍淺,上部巖性較完整,下部存在相對(duì)低阻,表明隧道上方的基巖巖性存在風(fēng)化不均勻的現(xiàn)象。

(a)L1線高密度電法二維反演剖面圖 (b)L1線瞬變電磁反演剖面圖圖5 L1線綜合物探反演剖面圖Fig.5 comprehensive geophysical inversion profile of line L1

圖5(b)為L1線瞬變電磁法反演剖面圖,測線區(qū)域的巖性層狀分布比較明顯,可分為覆蓋土層及強(qiáng)、中風(fēng)化基巖層,表層電阻率在100 Ω·m～300 Ω·m,平均厚度約為15 m,與前期鉆孔揭露的情況基本一致。巖層電阻率在300 Ω.m～1 100 Ω·m,局部存在相對(duì)低阻,推測為斷裂破碎及巖性不均勻的反映。在點(diǎn)號(hào)1 120～1 350段對(duì)應(yīng)標(biāo)高75 m的范圍,電阻率相對(duì)較低,兩側(cè)電阻率表現(xiàn)為相對(duì)高阻,推斷該區(qū)域受斷裂影響,基巖較為破碎,編號(hào)為Fw1;在點(diǎn)號(hào)1170～1185段對(duì)應(yīng)標(biāo)高40 m～65 m的范圍,電阻率相對(duì)較低,兩側(cè)電阻率表現(xiàn)為相對(duì)高阻,推斷該區(qū)域受斷裂影響,基巖較為破碎,編號(hào)為Fw2;隧道范圍對(duì)應(yīng)測點(diǎn)號(hào)1 135～1 175之間,上方的電阻率總體變化平緩,隧道上方電阻率顯示較為完整,僅在點(diǎn)號(hào)1 143～1 153附近對(duì)應(yīng)標(biāo)高22 m～34 m之間、點(diǎn)號(hào)1 167～1 178附近對(duì)應(yīng)標(biāo)高6 m～48 m之間,存在相對(duì)低阻,推測為基巖破碎區(qū)域。

4.2 L2測線異?？傮w特征及解釋

如圖6(a)為L2線高密度電法二維反演剖面圖,測線區(qū)域視電阻率高、低阻異常相間,等值線平緩變化,淺部視電阻率在50 Ω·m ～200 Ω·m左右,主要反映覆蓋土層,中深部電阻率大于1 000 Ω·m,主要反映基巖。高低阻相間則反映巖石風(fēng)化不均。設(shè)計(jì)隧道經(jīng)過水平位置在1 132～1 166號(hào)點(diǎn)之間,淺部的電阻率相對(duì)低,反映風(fēng)化土層,下部為相對(duì)高阻,反映巖石。從剖面圖可知測線區(qū)域存在三個(gè)明顯的等值線下凹或局部低阻異常區(qū),推測為巖體塌陷或節(jié)理裂隙集中發(fā)育區(qū)。

如圖6(b)從瞬變電磁二維反演電阻率剖面圖上看,表層電阻率在100 Ω.m～300 Ω·m,巖層電阻率在300 Ω·m～1 100 Ω·m。在測線范圍標(biāo)高在10 m～40 m之間電阻率變化比較大,推測該區(qū)域的巖性分布不均;隧道范圍對(duì)應(yīng)在L2線的點(diǎn)號(hào)1 135～1 165之間,在點(diǎn)號(hào)1 120～1 130附近對(duì)應(yīng)標(biāo)高13 m～23 m之間、點(diǎn)號(hào)1 164～1 175附近對(duì)應(yīng)標(biāo)高6 m～22 m之間,存在相對(duì)低阻,推測為基巖破碎區(qū)域。由于基巖破碎區(qū)域距離隧道頂板較近,不排除由于隧道掘進(jìn)過程中,震動(dòng)引起該區(qū)域的破碎基巖產(chǎn)生掉塊現(xiàn)象,因此對(duì)該區(qū)域的異常應(yīng)予以重視。

4.3 物探異常綜合解釋與分析

通過高密度電阻率法及瞬變電磁法均可得到測線L1、L2地層結(jié)構(gòu)、斷裂破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)的分布情況。從兩種方法的反演剖面可知,高密度電阻率法和瞬變電磁法反映覆蓋土層平均厚度基本一致,斷裂破碎帶的空間展布也能一一對(duì)應(yīng)。

結(jié)合物探異常對(duì)應(yīng)情況表可知,高密度電法異常G1與瞬變電磁法異常T1、T2對(duì)應(yīng)、高密度電法異常G2與瞬變電磁法異常T3對(duì)應(yīng)、高密度電法異常G3與瞬變電磁法異常T4、T5對(duì)應(yīng)、高密度電法異常G4與瞬變電磁法異常T7對(duì)應(yīng)。其中高密度電法異常G3、瞬變電磁法異常T5與已知塌陷區(qū)域水平位置相吻合,證明了兩種方法均能較好反映出地面沉降區(qū)域。

從異常特征上看,高密度電法反映出來的低阻異常范圍較大,且受場地限制的情況下無法外延,使得深部的地質(zhì)情況存在缺失,而反映同一區(qū)域的瞬變電磁法異常則更為精細(xì),且有效探測深度更大。所以瞬變電磁法能夠彌補(bǔ)高密度電法探測深度不足的問題。

5 結(jié)論

本文利用高密度電阻率法及瞬變電磁法兩種地面物探技術(shù)在隧道掘進(jìn)破碎區(qū)段進(jìn)行探測得出以下結(jié)論:

1)高密度電阻率法具有快速、高效等優(yōu)點(diǎn),對(duì)淺部的不良地質(zhì)體有較好的反映,但易受場地影響導(dǎo)致探測深度受限,無法達(dá)到理想深度;難以兼顧分辨率與探測深度的問題,導(dǎo)致物探異常分辨率稍低。

2)瞬變電磁法具有靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、探測深度大等優(yōu)點(diǎn),能根據(jù)實(shí)際情況加密測點(diǎn),提高分辨率且不影響探測深度。

3)兩種方法結(jié)合能由淺到深基本探明了隧道范圍上方的地質(zhì)變化情況:淺部由高密度電法、瞬變電磁共同圈定了工作地段的斷裂破碎帶及不良地質(zhì)體;中深部由瞬變電磁法圈定了隧道范圍上方的基巖破碎區(qū)域,為下一步的施工處理提供指導(dǎo)性的意見,也為開展地面超前預(yù)報(bào)提供了一種有效的組合地面物探技術(shù)。