物探方法在隧道巖溶勘察中的綜合應(yīng)用

摘要：本文以隧道巖溶勘察勘察為例，介紹了淺層反射地震法和高密度電法等工作原理和方法，解決了困擾建設(shè)的難題。通過在該隧道施工勘察中的成功應(yīng)用，說明了多種物探方法的綜合應(yīng)用對于互相對比糾正、正確解釋地質(zhì)現(xiàn)象和查遺補(bǔ)漏是有益和必要的。探測結(jié)果表明綜合物探方法在巖溶探測的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：隧道勘察；物探方法；淺層反射地震；高密度電法

1.概述

某隧道（見圖1）水平長度約為1334m，屬中長隧道。隧道縱斷面形式為“人”字坡隧道，進(jìn)口段：坡度為6.27%（約3.9°）；出口段：坡度為-1.0%（約-0.573°），隧道洞身凈斷面尺寸為3.0m×3.8m（寬×高），該隧道為單建山體隧道。現(xiàn)隧道的施工單位在進(jìn)行施工時，出現(xiàn)施工問題，如果不能仔細(xì)的勘察當(dāng)?shù)氐匦危敿?xì)了解隧道巖溶的情況，施工就不能正常進(jìn)行。

經(jīng)過初步的勘察，可以了解到該地地處于巖溶位置，且?guī)r溶發(fā)育不完全，若要工程能順利繼續(xù)，就要準(zhǔn)確的了解當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況。從理論上說，鉆探的方法能夠達(dá)到勘察的目的，但是考慮到井眼直徑很小，也許勘察的效果還是不能滿足施工的要求，這是因為巖溶地區(qū)的地質(zhì)目標(biāo)是高度不確定，所以很難用鉆井方法做好勘察，此時使用探索工程物理是一種很好的辦法，即所謂物探勘察的辦法。

物探勘察是根據(jù)勘察對象的物理性質(zhì)進(jìn)行勘察，人們在勘察時可用電位法、電磁法、聲學(xué)檢測法等，提取勘察對象的物理數(shù)據(jù)，并對數(shù)理數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而掌握勘察對象的物理情況。在隧道巖溶勘察時，可以根據(jù)不同的地區(qū)、不同的對象選擇最適當(dāng)?shù)奈锾椒椒āＲ栽摯蔚目辈鞛槔谶M(jìn)行物探勘察以前，在做好初步的勘察以后，選擇高密度電阻率法和淺層反射地震法結(jié)合的勘察法。

圖1" 隧道現(xiàn)場

2. 地形地貌

（1）隧址區(qū)地處兩山構(gòu)造帶的交接帶，內(nèi)外地質(zhì)應(yīng)力強(qiáng)烈作用，兩山及其以北山地上升，盆地大幅沉降，地形地貌主要受地質(zhì)構(gòu)造和巖性制約，表現(xiàn)為構(gòu)造侵蝕中山地貌。

（2）隧址穿越區(qū)山體整體走向北西——南東向，區(qū)內(nèi)最高海拔為1346.1m，最低點(diǎn)為出口溝谷內(nèi)，海拔高程927.3m，相對高差418.8m。山體斜坡坡度40°～50°，局部地段60°～80°。隧道進(jìn)口位于斜坡中下部階梯狀平臺處，山體斜坡坡度25°～30°，其下方為階梯狀緩坡。隧道出口位于斜坡中部平臺，位于蘭成渝伴行路內(nèi)側(cè)，整體斜坡坡度45°～50°，局部區(qū)域斜坡坡度60°～70°，出口下方為切割嚴(yán)重的深溝，地形坡度較大，較為破碎。隧道穿越軸線整體上陡下緩。

3. 地層巖性

隧址區(qū)域的地層特征見表1：

4. 工程物探

4.1 淺層反射地震勘探。

4.1.1 地球物理條件。

根據(jù)勘察，隧址區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)、三疊系下統(tǒng)銅街子組泥巖（T1t）、二疊系茅口組灰?guī)r（P1m）、泥盆系中統(tǒng)觀霧山組白云質(zhì)灰?guī)r（D2g）和志留系中——上統(tǒng)泥巖（S2+3），各巖層之間波阻抗介質(zhì)層之間存在波速差異，具備進(jìn)行淺層地震反射法勘探的地球物理條件。

4.1.2 測線布置及參數(shù)設(shè)置。

（1）為有效查找地下不良地質(zhì)體，布置試驗剖面2條，長度分別為141.0m、235.0m，勘探主剖面1條，沿隧道中軸線布置，起點(diǎn)為隧道入口樁向外延伸60.0m，終點(diǎn)為隧道出口樁向外延伸62.0m，長度1435.0m，合計淺層地震剖面長度1811.0m。

（2）此次淺層反射地震勘探使用錘擊震源，多次錘擊效果疊加得到地震記錄。地震勘探的觀測系統(tǒng)及具體的野外數(shù)據(jù)采集參數(shù)見表2。

4.1.3 資料解釋。

（1）圖2、圖3為淺層反射地震深度剖面圖，圖上顯示在深度約為30.0m、55.0m、120.0m出現(xiàn)明顯的反射波連續(xù)同相軸，反射波能量不均勻，根據(jù)波速特征，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷為巖體物性變化引起的反射界面，分段具體解釋如下。

圖2"" 淺層反射地震波剖面圖

圖3" 淺層反射地震波剖面圖

（2）0.0m（QMY2C1）至255.0m段：反射波同相軸較連續(xù)，整體各層波速較低，泥巖斷續(xù)出露，推斷此段地下為泥巖；崩坡積層分布于地表，初至反射波同相軸埋深25.0m－35.0m，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查資料，本段崩坡積厚0.00m～13.87m，據(jù)此推斷，崩坡積與泥巖接觸面未形成反射界面，不產(chǎn)生反射波，初至反射波為強(qiáng)風(fēng)化泥巖與中風(fēng)化泥巖分界面所反射；反射波能量反射不均勻，表明巖體較破碎；試驗結(jié)果顯示第四系松散層波速為Vp（松）=600～800m/s。強(qiáng)風(fēng)化泥巖厚5m～25m，波速為Vp（泥巖）=800～1400m/s，中風(fēng)化泥巖厚20～50m，波速為Vp（泥巖）=2100～2600m/s，微——未風(fēng)化泥巖波速為Vp（泥巖）gt;3000m/s。

（3）255.0m至1227.0m段：反射波同相軸連續(xù)性較差，整體各層波速較較高，灰?guī)r斷續(xù)出露，且鉆孔揭露下部為灰?guī)r，故推斷此段地下為灰?guī)r。反射波同相軸有缺失或有繞射現(xiàn)象，反射波能量時而衰減快，時而衰減慢，推斷有溶洞存在，巖溶較發(fā)育，但連通性差。強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r厚度變化大，一般厚10.0m～25.0m不等，波速為Vp（灰?guī)r）=1400～2000m/s；中風(fēng)化灰?guī)r厚20.0m左右，波速為Vp（灰?guī)r）=3500～4000m/s；微——未風(fēng)化灰?guī)r波速為Vp（灰?guī)r）gt;4000m/s。

（4）1227.0m至1333.7 （QMY2C2）段：反射波同相軸較連續(xù)，整體各層波速較低，泥巖連續(xù)出露。反射波能量反射不均勻，表明巖體較破碎。強(qiáng)風(fēng)化泥巖厚15.0m～25.0m，波速為Vp（泥巖）=800～1400m/s；中風(fēng)化泥巖厚20.0m－30.0m，波速為Vp（泥巖）=2100～2600m/s；微～未風(fēng)化泥巖波速為Vp（泥巖）gt;3000m/s。

4.2 高密度電法勘探。

4.2.1 地球物理條件。

根據(jù)鉆孔資料揭露，巖體較破碎、巖溶發(fā)育。為查明該段穿越工程潛在的不良地質(zhì)體，在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行高密度電法測試。該區(qū)域覆蓋層為第四系坡積層，基巖為二疊系茅口組灰?guī)r，覆蓋層視電阻率值在20～200Ω·m間，查找目標(biāo)體在有效電場范圍內(nèi)，地電數(shù)據(jù)能從周圍地電干擾因素中有效分離出來，周圍地質(zhì)環(huán)境具備電法勘察條件。

4.2.2 測線布置及測試參數(shù)。

（1）為查明ZK4附近不良地質(zhì)體范圍，在該孔附近十字交叉法布置測線2條，01剖面穿過ZK4，長度126.0m，02剖面沿隧道中軸線布置，長度110.0m，合計長度236.0m。兩條剖面交點(diǎn)在中軸線上，ZK4在01剖面64.0m處。場地情況及測線布置見圖4。

圖4" 高密度電法測線布置示意圖

（2）此次測試采用E60CN高密度電法儀，該儀器具有24位轉(zhuǎn)換精度，測試電極距為2.0m，采用恒流的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。為便于對比解釋，采用兩種裝置形式（溫納裝置、二極裝置）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。此次高密度電法具體參數(shù)見表3。

4.2.3 反演成果解譯。

圖5～8為測試剖面反演成像圖，圖像資料顯示電性界限明顯，呈明顯層狀結(jié)構(gòu)。01剖面覆蓋層厚度為4.0m～10.0m，視電阻率值為30.0Ω·m～700.0Ω·m；灰?guī)r層，視電阻率值在700.0Ω·m～3000.0Ω·m；02剖面顯示，該剖面上覆蓋層厚度為5.0m～25.0m，視電阻率值為30.0Ω·m～700.0Ω·m；灰?guī)r層視電阻率值為700.0Ω·m～3500.0Ω·m。

圖5" 01剖面溫納裝置反演剖面圖

圖6" 01剖面二極裝置反演剖面圖

圖5" 02剖面溫納裝置反演剖面圖

圖8" 02剖面二極裝置反演剖面圖

5. 結(jié)論

5.1 淺層反射地震解釋結(jié)論。

隧道中軸線上，覆蓋層厚度0～13.87m，波速為Vp（松）=600～800m/s，強(qiáng)風(fēng)化泥巖、灰?guī)r厚度5.0m～25.0m，波速分別為Vp（泥巖）=800～1400m/s，Vp（灰?guī)r）=1400～2000m/s；中風(fēng)化泥巖、灰?guī)r的厚度25.0m～50.0m，波速分別為Vp（泥巖）=2100～2600m/s，Vp（灰?guī)r）=3500～4000m/s；微～未風(fēng)化泥巖、灰?guī)r的波速分別為Vp（泥巖）gt;3000m/s，Vp（灰?guī)r）gt;4000m/s。推斷灰?guī)r段有溶洞存在，巖溶較發(fā)育，連通性差；進(jìn)、出洞口巖石較破碎，穩(wěn)定性差；隧道軸線穿越地段圍巖區(qū)域內(nèi)，圍巖巖體總體較完整，局部較破碎、裂隙較發(fā)育，隧道圍巖的穩(wěn)定性總體較好。

5.2 高密度電法解釋結(jié)論。

由圖像資料解譯，兩條剖面交叉位置，深度20.0m～65.0m，寬度為中軸線左側(cè)約40.0m，右側(cè)約50.0m范圍內(nèi)，灰?guī)r視電阻率值大于3000.0Ω·m，為異常高阻。與鉆探資料聯(lián)合解釋，可得到以下結(jié)論：ZK4深度在15.0m～55.0m巖體破碎巖溶、大裂隙發(fā)育并間斷相聯(lián)吻合，64.0m處出現(xiàn)的低阻區(qū)域，判斷為鉆孔鉆進(jìn)時水、泥漿等低阻物充填了溶洞及裂隙。

參考文獻(xiàn)：

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