大地電磁法在西南復(fù)雜山區(qū)巖溶隧道中的應(yīng)用
——以漢廣高速天星隧道為例

熊 坤,田文豐,陳 彬

四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610017

0 引言

隨著成渝雙城經(jīng)濟(jì)圈戰(zhàn)略的迅速推進(jìn),川渝地區(qū)交通線路建設(shè)加速推進(jìn),同時(shí)涌現(xiàn)了大量隧道工程。由于川渝地區(qū)地質(zhì)環(huán)境特殊,地層巖性多樣化,地質(zhì)構(gòu)造、巖溶、采空區(qū)等不良地質(zhì)現(xiàn)象錯(cuò)綜復(fù)雜,是隧道工程施工和運(yùn)營(yíng)期間的控制性因素[1]。故在隧道建設(shè)初期,即對(duì)隧道工程地質(zhì)條件進(jìn)行把控,對(duì)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估就顯得尤為重要。

隧道勘察常規(guī)手段一般為地質(zhì)調(diào)繪和鉆探[2],但采用常規(guī)手段對(duì)埋深較大、地質(zhì)情況復(fù)雜、伴隨采空區(qū)、存在巖溶等隧道就顯得力不從心,對(duì)不良地質(zhì)的判斷手段較為單一[3]。近年來大地電磁在隧道勘察中應(yīng)用越來越廣泛,物探可以對(duì)隧道沿線地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行勘察,一定程度上可以明確隧道洞身段的構(gòu)造、富水帶位置,其在一定程度上可以彌補(bǔ)常規(guī)勘察手段的不足,深受地質(zhì)勘察者的青睞[4-5]。

本文以漢廣高速天星隧道為例,采用大地電磁法對(duì)隧道中線進(jìn)行物探勘察,根據(jù)解譯成果綜合判定巖溶隧道富水帶位置,對(duì)隧道后期施工涌突水風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、面進(jìn)行科學(xué)預(yù)判。

1 工程區(qū)概況

擬建天星隧道位于旺蒼縣天星鄉(xiāng)青峰村至木瓜村一帶,擬設(shè)計(jì)雙洞雙向3車道隧道,洞軸線為曲線形。隧道左線進(jìn)出口里程樁號(hào)為ZK19+946～ZK25+421,軸向走向250°～204°,隧道洞身呈人字坡,隧道頂板最大埋深約440.2m,全長(zhǎng)5 475 m,屬特長(zhǎng)隧道;右線進(jìn)出口里程樁號(hào)為K19+770～K25+200,軸向走向250°～204°,設(shè)計(jì)路面標(biāo)高1 156.96～1 201.67 m,隧道頂板最大埋深約432.8 m,全長(zhǎng)5 430 m,屬特長(zhǎng)隧道。單洞寬16 m,洞凈高8 m。

隧道整體頂部位于區(qū)內(nèi)二級(jí)夷平面內(nèi),高程1 400～1 500 m,整體地勢(shì)相對(duì)較平緩,山體渾厚,東側(cè)與北側(cè)被切割為陡崖。進(jìn)口位于山體北側(cè)斜坡坡腳位置,高程1 176 m,自然斜坡坡度33°～42°,坡度較陡;出口位于木瓜村斜坡地帶,高程1 156 m,自然斜坡坡度24°～39°,整體地表較順直,斜坡植被多為灌木。整體隧址區(qū)地處中山區(qū),屬于構(gòu)造剝蝕中山地貌,山勢(shì)較為陡峻。

隧址區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的北緣,屬呂梁期構(gòu)造層之上的蓋層構(gòu)造,包括加里東及印支構(gòu)造層組成。該區(qū)構(gòu)造總的特點(diǎn)是具過渡帶特征,地質(zhì)構(gòu)造主體為米倉山構(gòu)造帶,以E-W走向的短軸狀、箱狀及線狀不對(duì)稱褶皺為主,斷裂構(gòu)造除與基底構(gòu)造銜接帶外,一般都不發(fā)育。擬建隧道走向大體呈S-N向展布,隧址展布區(qū)域未見斷層分布,主要穿越的褶皺為福慶場(chǎng)復(fù)式向斜及其次級(jí)褶皺。

2 物探測(cè)試

2.1 選取物探方法的依據(jù)

為選取適用于天星隧道的物探方法,首先對(duì)工程區(qū)及周邊地形地貌、地層巖性及影響因素等進(jìn)行調(diào)查,調(diào)查得出結(jié)論如下。

1)工程區(qū)地表分布土層較厚,且土層濕潤(rùn),接地良好。

2)工程區(qū)周圍工業(yè)不發(fā)達(dá),電磁干擾較弱。

3)工程區(qū)覆蓋層與基巖有明顯的電阻差異。

因此,選取大地電磁法應(yīng)用在隧道上方查明隧道地層界線、圍巖強(qiáng)度、巖溶、富水帶、構(gòu)造行跡等工程地質(zhì)條件及不良地質(zhì)問題完全可行。

2.2 物探試驗(yàn)設(shè)計(jì)

物探試驗(yàn)線路沿隧道頂部中線進(jìn)行布設(shè),總長(zhǎng)5.50 km,物探測(cè)點(diǎn)間距20～30 m,其中可溶巖區(qū)測(cè)點(diǎn)間距為20 m,非可溶巖測(cè)點(diǎn)間距為30 m,共布設(shè)測(cè)點(diǎn)172個(gè),同時(shí)采集典型巖石標(biāo)本105塊,測(cè)定標(biāo)本電性進(jìn)行電性統(tǒng)計(jì)。

儀器采用美國(guó)Geometrics公司制造的EH4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀,系統(tǒng)主要參數(shù)為:采集頻率范圍為1～100 kHz,極距高頻模式下最大50 m,低頻模式極距可以大于50 m,疊加次數(shù)為10次,干擾較大時(shí)疊加14次。

3 物探解譯成果分析

通過室內(nèi)解譯EH4電磁測(cè)深數(shù)據(jù),獲取可視化隧道洞身電阻率等值線斷面圖(見圖1),視電阻率成果圖符合沉積巖沉積特性,二疊系灰?guī)r視電阻率值較高,志留系、三疊系泥質(zhì)巖類視電阻率值相對(duì)較低,整條線視電阻率曲線圖對(duì)地質(zhì)構(gòu)造反應(yīng)較好。測(cè)線全長(zhǎng)5 430 km,里程樁號(hào)為K19+770～K25+200,由大地電磁測(cè)深反演斷面圖可知以下情況。

圖1 天然場(chǎng)大地電磁測(cè)深反演斷面

1)隧道進(jìn)口段里程K19+770～K20+170段隧道圍巖巖性主要為志留系龍馬溪組砂巖、頁巖等。通過對(duì)巖塊測(cè)試獲取頁巖巖塊電阻率值分布于500～1 100 Ω·m,砂巖巖塊電阻率分布于500～1 500 Ω·m,大地電磁法獲取該段巖體電阻率主要分布于300～500 Ω·m。巖體電阻率普遍低于對(duì)應(yīng)巖塊電阻率值,推測(cè)該段圍巖整體完整性較差,巖體呈破碎～較破碎狀,地下水較豐富,圍巖穩(wěn)定性較差,建議在該段隧道圍巖設(shè)計(jì)和施工中,加強(qiáng)排水和支護(hù),預(yù)防塌方和冒頂風(fēng)險(xiǎn)。

2)隧道第1段里程K20+170～K20+726段圍巖巖性主要為志留系龍馬溪組砂巖、頁巖等。通過對(duì)巖塊測(cè)試獲取頁巖巖塊電阻率值為500～1 100 Ω·m,砂巖巖塊電阻率為500～1 500 Ω·m,大地電磁法獲取該段巖體電阻率主要分布于600～800 Ω·m,巖體電阻率普遍與應(yīng)巖塊電阻率值相當(dāng),推測(cè)該段圍巖巖體較完整,巖體呈較完整～完整狀,地下水一般,由于圍巖巖質(zhì)較軟,圍巖穩(wěn)定性一般,建議在該段隧道圍巖設(shè)計(jì)和施工中要加強(qiáng)支護(hù)。

3)隧道第2段里程K20+726～K21+036段圍巖巖性主要為二疊系棲霞組、茅口組灰?guī)r。通過對(duì)巖塊測(cè)試獲取灰?guī)r巖塊電阻率值分布于1 000～2 500 Ω·m,大地電磁法獲取該段巖體電阻率主要分布于500～600 Ω·m。巖體電阻率普遍低于對(duì)應(yīng)巖塊電阻率值,推測(cè)該段圍巖巖體完整性差,巖體呈較破碎～破碎狀,地下水豐富,圍巖穩(wěn)定性較差,且該段電阻等值線呈明顯“漏斗狀”,位于天星向斜核部,地下巖溶強(qiáng)～極強(qiáng)發(fā)育。建議隧道圍巖設(shè)計(jì)和施工中,加強(qiáng)排水和支護(hù),預(yù)防塌方、涌突水和突泥等風(fēng)險(xiǎn)。

4)隧道第3段里程K20+726～K22+840段圍巖巖性主要為二疊系下統(tǒng)棲霞組、茅口組灰?guī)r,上統(tǒng)砂巖、頁巖等。通過對(duì)巖塊測(cè)試獲取灰?guī)r巖塊電阻率值約分布于1 000～2 500 Ω·m,頁巖巖塊電阻率值分布于500～1 100 Ω·m,砂巖巖塊電阻率值分布于500～1 500 Ω·m,大地電磁法獲取該段巖體電阻率主要分布于600～2 500 Ω·m。電阻率變化范圍較大,巖體電阻率與對(duì)應(yīng)巖塊電阻率值相當(dāng),局部巖體電阻率略低于對(duì)應(yīng)巖性電阻率值,推測(cè)該段為天星背斜核部,且背斜頂部地表巖溶極強(qiáng)發(fā)育,隧道洞身段地下巖溶發(fā)育相對(duì)較弱,圍巖巖體較完整,巖體呈較完整狀,地下水一般,建議該段隧道圍巖設(shè)計(jì)和施工中加強(qiáng)支護(hù),背斜核部段要預(yù)防涌水風(fēng)險(xiǎn)。

5)隧道第4段里程K22+840～K23+540段圍巖巖性主要為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組鈣質(zhì)泥巖。通過對(duì)巖塊測(cè)試獲取鈣質(zhì)泥巖巖塊電阻率值分布于400～500 Ω·m,采用大地電磁法獲取該段巖體電阻率主要分布于400～600 Ω·m。巖體電阻率與對(duì)應(yīng)巖塊電阻率值相當(dāng),局部巖體電阻率略低于對(duì)應(yīng)巖性電阻率值,推測(cè)該段為趙家山向斜區(qū)域,向斜核部為傾角較陡,兩翼傾角較緩,圍巖巖體較完整,巖體呈較完整狀,地下水一般。建議該段隧道圍巖設(shè)計(jì)和施工中加強(qiáng)支護(hù),預(yù)防塌方,向斜核部預(yù)防涌水風(fēng)險(xiǎn)。

6)隧道第5段里程K23+540～K24+572段圍巖巖性主要為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組泥灰?guī)r,二疊系上下統(tǒng)砂巖、頁巖、灰?guī)r等。通過對(duì)巖塊測(cè)試獲取灰?guī)r巖塊電阻率值約分布于1 000～2 500 Ω·m,頁巖巖塊電阻率值分布于500～1 100 Ω·m,砂巖巖塊電阻率值分布于500～1 500 Ω·m,泥灰?guī)r電阻率值分布于600～1 500 Ω·m,大地電磁法獲取該段巖體電阻率主要分布于600～2 000 Ω·m。電阻率變化范圍較大,巖體電阻率與對(duì)應(yīng)巖塊電阻率值相當(dāng),局部巖體電阻率略低于對(duì)應(yīng)巖性電阻率值,推測(cè)該段為李家山背斜區(qū)域,且背斜頂部地表巖溶中等～強(qiáng)發(fā)育,隧道洞身段地下巖溶發(fā)育相對(duì)較弱,圍巖巖體完整性較好,圍巖穩(wěn)定性一般,地下水一般。建議該段隧道圍巖設(shè)計(jì)和施工中加強(qiáng)支護(hù),預(yù)防涌水、突水、突泥等風(fēng)險(xiǎn)。

7)隧道出口段里程K24+572～K25+200段圍巖巖性主要為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組泥灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖等,通過對(duì)巖塊測(cè)試獲取泥灰?guī)r巖塊電阻率值分布于600～1 500 Ω·m,鈣質(zhì)泥巖巖塊電阻率值分布于400～500 Ω·m,大地電磁法獲取該段巖體電阻率主要分布于300～400 Ω·m,巖體電阻率普遍低于對(duì)應(yīng)巖塊電阻率值,推測(cè)該段圍巖巖體完整性差,巖體呈破碎～較破碎狀,地下水較豐富,圍巖穩(wěn)定性較差。建議在該段隧道圍巖設(shè)計(jì)和施工中加強(qiáng)支護(hù),預(yù)防塌方、冒頂?shù)蕊L(fēng)險(xiǎn)。

4 物探解譯成果與勘察成果對(duì)比分析

結(jié)合已有的現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)繪、勘察等資料,綜合分析得出天星隧道工程地質(zhì)縱斷面(見圖2),從物探解譯成果與勘察成果對(duì)比分析可知,大地電磁法獲取的天星隧道地球物理特征與實(shí)際勘察成果吻合度極高,說明大地電磁法在天星隧道中運(yùn)用可行,且測(cè)試成果可信度較高。

圖2 天星隧道工程地質(zhì)縱斷面

1)隧道穿越天星向斜核部位置:物探解譯該段電阻以低阻為主,呈“漏斗”狀;鉆探揭露向斜核部巖性主要為二疊系下統(tǒng)棲霞茅口組灰?guī)r,地下溶洞呈串珠狀發(fā)育,地表、地下巖溶強(qiáng)～極強(qiáng)發(fā)育,是該隧道施工中涌水和突水、突泥的最大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),成果較為一致。

2)隧道穿越天星背斜核部位置:物探解譯該段巖體較為完整,地下巖溶發(fā)育相對(duì)較弱;鉆探揭露背斜核部位置巖性主要為二疊系下統(tǒng)棲霞茅口組灰?guī)r、志留系砂巖、頁巖和白云質(zhì)灰?guī)r等,洞身段主要以志留系砂巖夾頁巖和灰?guī)r透鏡體等為主,溶蝕現(xiàn)象不明顯,成果較為一致。

3)隧道穿越趙家山向斜核部位置:物探解譯該段電阻以低阻為主,整體巖體完整性較好,巖質(zhì)較軟,圍巖穩(wěn)定性一般,地下水一般,地下巖溶弱發(fā)育;鉆探揭露趙家山向斜核部位置巖性為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組鈣質(zhì)泥巖,巖質(zhì)較軟,裂隙較發(fā)育,巖體完整性一般,未見明顯溶蝕現(xiàn)象,成果較為一致。

4)隧道穿越李家山背斜核部位置:物探解譯該段電阻以高阻為主,隧道洞身段地下巖溶發(fā)育相對(duì)較弱,巖體完整性較好,圍巖穩(wěn)定性一般,地下水一般;鉆探揭露李家山背斜核部位置巖性主要為二疊系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r為主,裂隙稍發(fā)育,巖體較完整,溶隙現(xiàn)象不明顯,巖溶弱發(fā)育,成果較為一致。

5 結(jié)論

通過大地電磁法對(duì)天星隧道天然場(chǎng)地球物理特征解譯成果分析,推測(cè)隧道洞身地層界線、圍巖強(qiáng)度、巖溶、富水帶、構(gòu)造行跡等工程地質(zhì)條件及不良地質(zhì)問題,為后續(xù)施工提供可靠的科學(xué)依據(jù)[6]。

1)大地電磁法用于天星隧道的地質(zhì)勘察可行,且物探成果與勘察成果吻合度較高,大地電磁法測(cè)試成果具有較高可信度。

2)通過大地電磁法對(duì)隧道圍巖工程地質(zhì)條件分段分析評(píng)價(jià),推測(cè)不同區(qū)段圍巖條件和存在的工程地質(zhì)問題,為應(yīng)對(duì)隧道洞身不良地質(zhì)分布的點(diǎn)、面、線提前進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,為制訂防治措施提供科學(xué)依據(jù),有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

3)隧道穿越天星向斜核部位置(K20+726～K21+036段),隧道圍巖主要為二疊系下統(tǒng)可溶巖,電阻率均以低阻率為主,電阻率等值線斷面圖呈“漏斗”狀,推測(cè)該段地下巖溶強(qiáng)烈發(fā)育,巖體極富水,涌水、突水、突泥等風(fēng)險(xiǎn)性極高,開挖時(shí)須高度重視。且該段開挖后可能疏干地表水,須提前考慮應(yīng)對(duì)措施。