綜合物探技術(shù)在隧道水文地質(zhì)勘察中的應(yīng)用研究

［關(guān)鍵詞］隧道；水文地質(zhì)；勘察；綜合物探技術(shù)

近些年來，我國(guó)大力發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，大量不同類型的建設(shè)項(xiàng)目不斷涌現(xiàn)。其中建設(shè)項(xiàng)目涉及到隧道挖掘的更是不在少數(shù)。為確保隧道施工的高效、安全，需要做好針對(duì)性的水文地質(zhì)勘察工作[1]。但是，很多隧道的水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，勘察工作難度很大。針對(duì)這一情況，還需要積極地應(yīng)用一定的綜合物探技術(shù)。

1 綜合物探技術(shù)原理與特點(diǎn)

在很多隧道的建設(shè)和施工過程中，隧道沿線地層巖性多變，地震區(qū)、巖溶、采空區(qū)、小型危巖落石、崩塌等不良地質(zhì)發(fā)育，特殊巖土廣泛分布，勘察時(shí)空限制多[2]。水文地質(zhì)勘察工作是隧道施工的重要環(huán)節(jié)，其目的是了解地下水的分布、水位、水質(zhì)等情況，為施工提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。然而，在復(fù)雜的地下環(huán)境中，傳統(tǒng)的人工勘察方法往往難以全面、準(zhǔn)確地獲取信息，容易受到人為因素和環(huán)境因素的影響。綜合物探技術(shù)是利用物理原理進(jìn)行地質(zhì)勘察的方法，如地震波探測(cè)、電磁探測(cè)等，具有高效、快速、無損等特點(diǎn)。這些技術(shù)可以在不破壞地下環(huán)境的情況下，快速獲取地下信息，為勘察人員提供更加全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐[3]。通過物探法可以獲取地下空間的分布狀態(tài)、地層界面等信息，結(jié)合地質(zhì)資料和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)地質(zhì)情況。目前，在針對(duì)不同項(xiàng)目進(jìn)行水文地質(zhì)勘察的過程中，可以應(yīng)用的綜合物探技術(shù)包含了多種不同的類型[4]。不同的物探技術(shù)格局特點(diǎn)，可以為不同類型地質(zhì)的勘察提供便利。例如，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)是一種對(duì)地下不可見的目標(biāo)進(jìn)行定位的電磁技術(shù)，探測(cè)深度范圍在10～30 m，但準(zhǔn)確性更高。還有就是紅外探水和水平鉆孔，通過這些方法，不僅可以提前知曉隧道前方水分布情況，還可以直接獲得前方地質(zhì)狀況的直接證據(jù)。TSP地震波探測(cè)技術(shù)是利用地震波反射原理，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)范圍為前方100～150 m。在具體的勘察工作開展過程中，可以綜合應(yīng)用多種不同的技術(shù)手段，以提高勘察效果[5-7]。這些技術(shù)的應(yīng)用可以有效提高勘察效率，降低勘察成本，同時(shí)也能為隧道施工提供更加安全、可靠的數(shù)據(jù)支持。例如，地震波探測(cè)技術(shù)可以通過發(fā)射地震波并分析其反射情況，了解地下巖層的分布和結(jié)構(gòu)；電磁探測(cè)技術(shù)則可以通過測(cè)量地下電導(dǎo)率來推斷地下水的分布情況。然而需要注意的是，綜合物探技術(shù)的應(yīng)用也需要結(jié)合其他勘察方法，如鉆探等，以確?？辈旖Y(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性[8]。此外，在應(yīng)用綜合物探技術(shù)時(shí)，也需要考慮到技術(shù)設(shè)備的成本、操作難度等因素，以確保技術(shù)的可行性和經(jīng)濟(jì)性。利用“物探法”提前探測(cè)隧洞圍巖，可以確定不良地質(zhì)條件情況，采用“超前探孔”進(jìn)行補(bǔ)充、驗(yàn)證，準(zhǔn)確有效預(yù)判不良地質(zhì)段的位置、規(guī)模；另一方面做到“我隨巖變”，通過支護(hù)措施和及時(shí)封閉開挖面等加強(qiáng)措施，最大限度降低突泥、涌水、塌方等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率和危害程度，確保隧洞施工開挖安全[9]。目前，在各類隧道建設(shè)施工中，十分注重加強(qiáng)物探、鉆探等綜合手段對(duì)經(jīng)過的重點(diǎn)難點(diǎn)施工地段圍巖、地下水等的探測(cè)，以切實(shí)保障施工安全。

2 隧道水文地質(zhì)勘察中綜合物探技術(shù)的應(yīng)用案例分析

2.1 案例概況

現(xiàn)有某隧道，位于云南省，該隧道所處地區(qū)的地形地貌主要為溶蝕侵蝕中低山地貌。從整體地形角度進(jìn)行分析，該隧道隧址區(qū)呈現(xiàn)出較大起伏的地形特點(diǎn)，隧址區(qū)發(fā)育斷裂走向?yàn)槟媳毕颉Ｔ谇捌诠ぷ髦?，勘察人員進(jìn)行野外地質(zhì)勘察，勘察結(jié)果顯示，該隧道區(qū)域內(nèi)的地下水涉及到不同的類型，其中主要的類型為第四系松散堆積層孔隙潛水、基巖裂隙水、巖溶水。

2.2 相關(guān)物探技術(shù)選擇

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪、鉆探揭示，及原位測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，并結(jié)合l∶20萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查成果，探測(cè)區(qū)第四系地層與下伏基巖交界處存在較大的波速差異。同時(shí)，基巖的風(fēng)化程度也會(huì)導(dǎo)致其波速差異。因此用淺層地震折射波法與瞬態(tài)瑞雷面波法勘探可進(jìn)行第四系地層和下伏基巖界線以及基巖風(fēng)化層的劃分[10]。地震折射波法和瞬態(tài)面波勘探技術(shù)均是地質(zhì)勘察中常用的物探方法，在隧道地質(zhì)勘察中的應(yīng)用十分廣泛。另外，分析第四系地層特點(diǎn)，在該地層中包含多種不同的物質(zhì)，整體組成結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。同時(shí)，不同物質(zhì)在密實(shí)程度方面也存在較為顯著的差異。同時(shí)，受到外界環(huán)境因素影響，不同巖體在被風(fēng)化情況方面存在一定的差異，以風(fēng)化程度之間的差異十分顯著。在巖體破碎程度以及節(jié)理裂隙發(fā)育程度方面，也呈現(xiàn)出較大的差異。因此，地層中不同物質(zhì)存在電性、密度等方面的較大差異?？紤]到這一情況，此次研究中，嘗試應(yīng)用EH4 大地電磁法這一物探方法對(duì)該隧道進(jìn)行水文地質(zhì)勘探。綜上所述，隧址區(qū)存在進(jìn)行物探的良好的地球物理?xiàng)l件，可以綜合應(yīng)用不同類型的物探技術(shù)開展水文地質(zhì)勘察工作。

2.3 綜合物探技術(shù)的應(yīng)用

在對(duì)該隧道進(jìn)行水文地質(zhì)勘察的過程中，選擇使用地震折射波和瞬態(tài)面波法開展勘察工作，以分析隧道進(jìn)出口覆蓋層厚度與巖石風(fēng)化界限。在應(yīng)用瞬態(tài)面波法的過程中，使用的儀器為垂直檢波器，頻率設(shè)定為4 Hz。借助該儀器，可以對(duì)各種低頻成分予以良好的接收，以加深探測(cè)深度。不同道間距設(shè)置為2.0 m，采樣率設(shè)定為0.5 m/s。地震折射波的應(yīng)用過程中，使用的儀器為垂直檢波器，頻率設(shè)定為40 Hz。不同道間距設(shè)定為3.0 m，采樣率設(shè)置為0.2 m/s；為查明隧道右線整體地層結(jié)構(gòu)情況，采用探測(cè)深度更深、效果更高的EH4大地電磁法[11]。EH4大地電磁法的應(yīng)用過程中，所使用的儀器為EH4大地電磁儀器，應(yīng)用大地電磁測(cè)深原理，可以開展天然源的大地電磁測(cè)深，也可以開展人工源的大地電磁測(cè)深，或者兩者混合采集。采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，搭配并行硬件處理器，實(shí)現(xiàn)全頻帶采集的同時(shí)，電磁場(chǎng)功率譜、視電阻率、相位、相關(guān)度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)計(jì)算，并可以現(xiàn)場(chǎng)查看標(biāo)量或張量的視電阻率、視相位剖面圖。按照該隧道現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，對(duì)探測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)距進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)定，按照灰?guī)r區(qū)與非灰?guī)r區(qū)特點(diǎn)分別進(jìn)行設(shè)置。其中，非灰?guī)r區(qū)與灰?guī)r區(qū)的探測(cè)點(diǎn)距分別設(shè)置為30 m和20 m。在具體的測(cè)點(diǎn)過程中，選擇應(yīng)用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量RTK技術(shù)，以提高放點(diǎn)的精確性，該技術(shù)具有疊加網(wǎng)絡(luò)地圖的功能，可以完成自動(dòng)最近點(diǎn)放樣，放樣時(shí)不僅有參照，還能夠自動(dòng)選擇最近點(diǎn)放樣，可以更好地滿足實(shí)際勘察工作中密集式放樣場(chǎng)景的實(shí)際需求。各種物探技術(shù)的測(cè)線布置情況如圖1所示。

2.4 物探結(jié)果分析

2.4.1 隧道進(jìn)出口探測(cè)結(jié)果

按照上述方式對(duì)該隧道進(jìn)出口情況進(jìn)行勘察，綜合分析淺層折射結(jié)合瞬態(tài)面波法探測(cè)結(jié)果，并結(jié)合EH4 縱斷面探測(cè)結(jié)果及相關(guān)的地質(zhì)資料，科學(xué)分析、判定該隧道地層風(fēng)化界限與覆蓋層情況。最終得到的隧道進(jìn)口折射波時(shí)距曲線如圖2 所示。結(jié)合檢測(cè)結(jié)果，參照相關(guān)的折射波數(shù)據(jù)，并對(duì)地層縱波速度分布情況進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。再結(jié)合地震面波數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，可以得出地層面波的具體速度大小，得出隧道進(jìn)口處面波頻散曲線，具體結(jié)果見圖3。

綜合分析圖2和圖3中的數(shù)據(jù)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在該隧道進(jìn)口深度0～5 m內(nèi)，在具體的速度大小方面，面波和縱波均表現(xiàn)出相對(duì)較低的特點(diǎn)。其中面波波速的分布范圍在220～330 m/s，縱波波速為的分布范圍在450～680 m/s。結(jié)合前期勘察過獲得的隧道現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)地質(zhì)信息進(jìn)行分析，勘察人員推斷，在該深度范圍內(nèi)，地層的土質(zhì)類型屬于粉質(zhì)黏土。另外，通過對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析還觀察到，隨著地層深度不斷增大，在速度大小方面，面波和縱波隨之出現(xiàn)一定的變化。整體來看，二者的速度帶下均呈現(xiàn)出不斷增加的變化趨勢(shì)。綜合分析不同地層深度下的縱波和面波的波速，可以對(duì)相應(yīng)范圍內(nèi)的地質(zhì)情況進(jìn)行分析和判定，具體情況見表1：

對(duì)隧道進(jìn)口處的縱波以及面波速度的分布情況進(jìn)行整體分析之后，可以得出該地點(diǎn)地質(zhì)斷面情況示意圖，具體見圖4。

隧道出口地震折射波時(shí)距曲線如圖5所示。結(jié)合探測(cè)所得折射波相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果，可以對(duì)地層縱波速度的分布情況進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)算。

綜合地震面波相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，可以通過反演方式，得出地層面波的具體速度大小數(shù)據(jù)結(jié)果。隧道口面波頻散曲線如圖6所示。

綜合分析圖5和圖6的相關(guān)結(jié)果信息，可以分析不同地層深度范圍內(nèi)，面波和縱波在波速方面的實(shí)際情況，并通過綜合分析勘察信息，推斷得出相應(yīng)的地層地質(zhì)情況。具體結(jié)果見表2：

綜合分析隧道出口處的面波與縱波速度分布，可以得出隧道出口處的地質(zhì)斷面示意圖，具體情況見圖7。

2.4.2 隧道右線整體地層結(jié)構(gòu)

在對(duì)該隧道右線的整體地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的過程中，此次研究選擇使用EH4大地電磁法。應(yīng)用該物探方法，實(shí)施縱向探測(cè)。在整個(gè)探測(cè)和資料處理過程中，應(yīng)用該技術(shù)，首先需要對(duì)相關(guān)地層結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，并借助專門的軟件完成數(shù)據(jù)篩選，對(duì)其中時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，并對(duì)張量阻抗進(jìn)行計(jì)算。之后，使用AMT軟件進(jìn)行相關(guān)處理，包括編輯曲線，識(shí)別模式等等，進(jìn)而借助專門的軟件進(jìn)行反演，得出具體的電性斷面圖。并對(duì)該隧道右線整體地層結(jié)構(gòu)的相關(guān)情況進(jìn)行解釋和推斷，分析其巖體情況和巖溶發(fā)育情況、軟弱發(fā)育等等，借以評(píng)估不同地層地質(zhì)的具體情況[12]。通過觀察探測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用EH4大地電磁法進(jìn)行物探的過程中，探測(cè)的最大深度達(dá)到510 m，在淺地表處（0～15 m），視電阻率值呈現(xiàn)出相對(duì)偏低的情況。綜合分析后認(rèn)為，該范圍內(nèi)屬于第四系殘坡積黏土。對(duì)不同樁號(hào)的視電阻率值進(jìn)行分析和分析，并綜合考慮前期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察所獲得的資料和信息，可以對(duì)相應(yīng)范圍內(nèi)的土質(zhì)情況進(jìn)行評(píng)估和判斷。具體結(jié)果見表3：

2.5 鉆孔驗(yàn)證結(jié)果

為了對(duì)此次研究中所應(yīng)用綜合物探技術(shù)的探測(cè)效果進(jìn)行分析，結(jié)合該隧道現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，選擇若干鉆孔進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。在選擇鉆孔位置的時(shí)候，所選擇的區(qū)域?yàn)榈貏?shì)相對(duì)平坦的區(qū)域，分別選擇隧道中部處和隧道進(jìn)口處兩個(gè)位置進(jìn)行鉆探勘察，記錄不同地層深度下的地層情況。最終所得鉆孔驗(yàn)證結(jié)果如表4所示：

將表4中所得鉆孔勘察驗(yàn)證結(jié)果與以上應(yīng)用綜合物探技術(shù)的探測(cè)效果進(jìn)行比較，可得均符合。即表明，此次研究中針對(duì)該隧道情況所選擇使用的綜合物探技術(shù)獲得了良好的應(yīng)用效果。

3 總結(jié)

總之，在對(duì)隧道整體地層巖性、不良地質(zhì)體等情況進(jìn)行普查時(shí)，可選擇探測(cè)深度較深、效率較高的EH4大地電磁法；在隧道進(jìn)出口重點(diǎn)區(qū)域，可以采用精度更高的地震折射波與瞬態(tài)面波相結(jié)合的方法探測(cè)地層的結(jié)構(gòu)。