高密度電法勘探在國道317崗?fù)兄两_(dá)段矮拉山隧道的應(yīng)用

馬 浩, 邱曉東

(1.四川省興冶巖土工程檢測(cè)有限責(zé)任公司， 四川成都 610084; 2.四川吉元巖土工程勘察有限公司， 四川成都 610100)

國道317線東起四川成都，向西途經(jīng)甘孜，跨金沙江后進(jìn)入西藏江達(dá)縣，經(jīng)昌都，止于那曲，全長約1 973 km，是西藏自治區(qū)“三縱兩橫六個(gè)通道”主骨架公路和進(jìn)出西藏5條干線公路的組成部分，也是昌都地區(qū)的生命線和重要的國防干線。國道317線崗?fù)兄两_(dá)段矮拉山隧道位于西藏東部橫斷山區(qū)，行政上屬昌都地區(qū)江達(dá)縣境。項(xiàng)目起點(diǎn)位于江達(dá)縣崗?fù)墟?zhèn)，終點(diǎn)位于江達(dá)縣同普鄉(xiāng)。預(yù)可研階段選取如下方案進(jìn)行設(shè)計(jì)：該方案起于國道317線K1002+320，通過隧道形式穿越矮拉山，終于國道317線K1026+193，路線全長5.623 km。鑒于需要對(duì)隧道建設(shè)場(chǎng)地的地質(zhì)條件進(jìn)行整體、綜合的把握，查清隧道圍巖構(gòu)造發(fā)育情況；圈定隱伏斷層、構(gòu)造破碎帶；查明基巖埋深以及斷裂帶的含水情況等, 對(duì)國道317矮拉山隧道新建工程進(jìn)行高密度電法勘探,本文主要介紹了該方法的使用步驟及效果分析。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)屬于青藏高原中高山剝蝕地貌，海拔高程3900.00～4635.02 m，隧道軸線最大相對(duì)高差735.02 m。山脊走向北西西-南東東向，與隧道軸線方向60～70°相交。A線隧道進(jìn)口位于國道317線矮拉山17道班處斜坡上，斜坡坡度較緩，坡角為4～22°，出口位于十九道班附近國道317線公路一“圈椅”型地形處，地形坡角為17～23°；B線隧道進(jìn)口距國道317線矮拉山17道班約350 m處的斜坡上，斜坡坡度較緩，坡角為18～25°，出口位于埃曲河右岸的斜坡上，斜坡坡度較緩，坡角為13°。在隧道出口處發(fā)育有埃曲河,河溝寬約70 m,切割深度約20 m。在隧道進(jìn)口右側(cè)，發(fā)育有一條常年流水的常曲河,溝寬約80 m,切割深度約30 m。

隧址區(qū)發(fā)育的地層和巖性主要為：第四系坡積碎石類土和亞砂土，及三迭系中基性火山沉積巖(火山角礫巖、熔結(jié)凝灰?guī)r)和灰?guī)r、頁巖、泥灰?guī)r、泥灰質(zhì)粉砂巖；巖漿巖為印志期凝灰質(zhì)玄武巖。隧道進(jìn)口處表層為坡積的碎石類土，下部主要為中基性火山角礫巖和熔結(jié)凝灰?guī)r；出口處表層為碎石類土夾含角礫亞砂土，下部為頁巖、泥灰?guī)r、泥灰質(zhì)粉砂巖。

1.2 地球物理特征

勘區(qū)表層第四系堆積物覆蓋厚度不均。地層巖性受風(fēng)化、剝蝕作用，淺部基巖可分為強(qiáng)至弱風(fēng)化的不同物性差異層面，可形成電阻率差異界面。受構(gòu)造影響，斷裂帶、裂隙帶、破碎帶的存在及降水跟地下水的影響，亦可形成巖體的電性差異。根據(jù)已知的地質(zhì)及踏勘結(jié)果，本工區(qū)滿足高密度電法勘探的物理基礎(chǔ)。

1.3 地層與巖性分布

隧址區(qū)發(fā)育的地層主要為：第四系殘破積、崩坡積碎石類土，及三疊系中上統(tǒng)江達(dá)組基性火山沉積巖火山角礫巖和上統(tǒng)波里拉組灰?guī)r、泥灰?guī)r、凝灰?guī)r、奪蓋拉組和阿堵拉組泥灰質(zhì)粉砂巖，志留系散則組絹云石英片巖。隧道進(jìn)口處表層為殘坡積的碎石類土，下部主要為中基性火山角礫巖和志留系散則組絹云石英片巖；出口處表層為碎石類土夾黏土，下部為泥灰質(zhì)粉砂巖；洞身東部出露的基巖主要為火山角礫巖、泥灰?guī)r；洞身西部出露的基巖主要為灰?guī)r、凝灰?guī)r、泥灰質(zhì)粉砂巖。

2 實(shí)驗(yàn)儀器及技術(shù)方法

2.1 高密度電法工作原理

密度電阻率法是日本地質(zhì)株式會(huì)社提出并發(fā)展起來的一種新型的電阻率方法，由于高密度電法可以實(shí)現(xiàn)電阻率的快速采集和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，從而改變了電法的傳統(tǒng)工作模式。它集電剖面和電測(cè)深于一體，采用高密度布點(diǎn)，進(jìn)行二維地電斷面測(cè)量，提供的數(shù)據(jù)量大、信息多，并且觀測(cè)精度高、速度快，是灰?guī)r地區(qū)尋找溶洞及構(gòu)造破碎帶等最有效的物探方法之一。

高密度電法勘探的前提條件是地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異，和常規(guī)電法一樣，它通過A、B電極向地下供電(電流為I)，然后測(cè)量M、N極電位差△U，從而求得該記錄點(diǎn)的視電阻率值ρs=K×△U/I。根據(jù)實(shí)測(cè)的視電阻率剖面進(jìn)行計(jì)算、處理、分析，便可獲得地層中的電阻率分布情況，從而解決相應(yīng)的工程地質(zhì)問題。

高密度電法勘測(cè)常常適用于地下空洞、巖溶地區(qū)、凍害、水庫大壩等的地質(zhì)勘測(cè)，技術(shù)較為成熟，本次勘測(cè)室內(nèi)資料處理時(shí)采用RES2DINV自動(dòng)迭代反演程序，其正演過程采用有限元法，反演采用光滑約束最小平方反演技術(shù)，并且在反演過程中約束了已知地層電阻率范圍，迭代次數(shù)3～5次。

2.2 測(cè)試方法與成圖

此次野外工作測(cè)線布置：電法縱剖面沿隧道軸線在地表投影布置測(cè)線，用以探測(cè)隧道軸線的地層覆蓋狀況、可能的斷裂不良地質(zhì)現(xiàn)象及隧道頂板2倍洞徑范圍內(nèi)圍巖整體性等工程地質(zhì)情況；在隧道出口處橫剖面，利用探測(cè)結(jié)果對(duì)隧道硐身圍巖及穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。經(jīng)勘察單位現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，最終確定沿隧道軸線在地表投影布置縱向測(cè)線1條，電極距10 m；在隧道出口處布置橫向剖面1條, 電極距5 m。

探測(cè)成果解釋的第一步即電阻率剖面中巖性與電阻率之間關(guān)系分析，依據(jù)電阻率值的等級(jí)劃分不同電性層。分析不同電性層與地質(zhì)層位、構(gòu)造破碎、裂隙等之間的關(guān)系。在上述分析解釋的基礎(chǔ)上確定不同剖面的不同部位電性變化與地質(zhì)層位、構(gòu)造發(fā)育、地下水活動(dòng)用電性剖面圖展示最終的工作成果。

資料處理流程如下：錄入原始數(shù)椐→格式轉(zhuǎn)換→編輯→反演處理→電阻率成圖。

3 試探效果分析

野外采集的資料經(jīng)過處理后繪制成視電阻率擬斷面圖，地質(zhì)解釋是在視電阻率擬斷面圖上進(jìn)行。根據(jù)對(duì)上述兩個(gè)工點(diǎn)的視電阻率分析，獲得如下結(jié)果。

3.1 東繞城路1號(hào)隧道

3.1.1 測(cè)試參數(shù)的選取

3.1.1.1 隧道軸線縱剖面(W-1)

W-1要求嚴(yán)格按照隧道軸線在地表投影線布置，測(cè)線兩端延伸出隧道軸線最少約10 m，探測(cè)深度大于隧道底板埋深，且不小于2倍洞徑。

參數(shù)設(shè)定：電極距10 m，電極個(gè)數(shù)60個(gè)，測(cè)線總長590 m，測(cè)試點(diǎn)數(shù)570個(gè)，剖面層數(shù)19層。

3.1.1.2 隧道出口橫剖面(W-2)

要求盡可能與隧道軸線垂直相交，探測(cè)深度不小于隧道底板下2倍洞徑范圍。

參數(shù)設(shè)定：電極距5 m，電極個(gè)數(shù)60個(gè)，測(cè)線總長295 m，測(cè)試點(diǎn)數(shù)570個(gè)，剖面層數(shù)19層。

3.1.2 成果解釋

高密度電阻率法資料處理通常是將測(cè)得的大量數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)入計(jì)算機(jī)，通過不斷調(diào)整初始模型參數(shù)使正演曲線和實(shí)際曲線之差達(dá)到最小，由此所得的最終模型參數(shù)作為反演結(jié)果。本次數(shù)據(jù)處理專用軟件2dRes是以平滑約束最小二乘法(smoothness-constrained least-squares)為基礎(chǔ)，以擬牛頓(quasi-Newton)最佳技術(shù)為準(zhǔn)則的最小二乘法來實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后繪制成視電阻率剖面圖。

隧道軸線縱剖面(W-1)高密度電法反演成果圖參見圖1；隧道橫剖面(W-2)高密度電法反演成果圖參見圖2。

圖1 東繞城路1號(hào)隧道軸線縱剖面(W-1)高密度電法反演成果

圖2 東繞城路1號(hào)隧道橫剖面(W-2)高密度電法反演成果

經(jīng)對(duì)隧道縱剖面(W-1)和隧道橫剖面(W-2)高密度電法反演成果圖綜合分析，視電阻率變化較大，變化范圍一般多在1～10 000 Ω·之間，局部大于10 000 Ω·m。

結(jié)合地表及鉆孔資料，對(duì)隧道縱剖面(W-1)高密度電法反演成果圖分析統(tǒng)計(jì)如下：

(1) 視電阻率在1～90 Ω·m之間的地層：主要為花崗巖風(fēng)化坡、殘積土，土體較松散，富含腐植質(zhì)；

(2) 視電阻率在90～400 Ω·m之間的地層：主要為殘坡積碎石土層、粉砂土層，粉砂土中夾透鏡體狀碎石土層；

(3) 電阻率在400～600 Ω·m之間的地層：主要為強(qiáng)風(fēng)化巖石、砂卵石層；

(4) 在600～1 500 Ω·m之間的地層：主要為較完整巖石，構(gòu)造裂隙發(fā)育；

(5) 大于1 500 Ω·m的地層：主要為完整巖石。

3.2 東繞城路2號(hào)隧道

3.2.1 測(cè)試參數(shù)的選取

3.2.1.1 隧道軸線縱剖面(W-3)

W-3要求嚴(yán)格按照隧道軸線在地表投影線布置，測(cè)線兩端延伸出隧道軸線最少約10 m，探測(cè)深度大于隧道底板埋深，且不小于2倍洞徑。W-3由兩條測(cè)線組成。

參數(shù)設(shè)定：電極距10 m，電極個(gè)數(shù)120個(gè)，測(cè)線總長1 190 m，測(cè)試點(diǎn)數(shù)1 140個(gè)，剖面層數(shù)19層。

3.2.1.2 隧道入口橫剖面(W-4)

要求盡可能與隧道軸線垂直相交，探測(cè)深度不小于隧道底板下2倍洞徑范圍。

參數(shù)設(shè)定：電極距5 m，電極個(gè)數(shù)60個(gè)，測(cè)線總長295 m，測(cè)試點(diǎn)數(shù)570個(gè)，剖面層數(shù)19層。

3.2.2 成果解釋

隧道軸線縱剖面(W-3)高密度電法反演成果圖參見附圖3；隧道橫剖面(W-4)高密度電法反演成果圖參見附圖4。

圖3 東繞城路2號(hào)隧道軸線縱剖面(W-3)高密度電法反演成果

經(jīng)對(duì)隧道縱剖面(W-3)和隧道橫剖面(W-4)高密度電法反演成果圖綜合分析，視電阻率變化較大，變化范圍從1～100 000 Ω·m之間，局部大于100 000 Ω·m。視電阻率變化較大與電極的接地條件有一定的關(guān)系，由于局部地段為堅(jiān)硬的微風(fēng)化灰?guī)r，造成電極接地狀態(tài)不佳，從而引起視電阻率值過大，造成一定的測(cè)量誤差。

結(jié)合地表及鉆孔資料，對(duì)隧道縱剖面(W-3)和隧道橫剖面(W-4)高密度電法反演成果圖分析統(tǒng)計(jì)如下：

(1) 視電阻率在1～90 Ω·m之間的地層：主要為灰?guī)r風(fēng)化殘積土，土體較松散，富含腐植質(zhì)；

(2) 視電阻率在90～400 Ω·m之間的地層：主要為沖洪積碎石土層、粉砂土層，粉砂土中夾透鏡體狀碎石土層；

(3) 電阻率在400～600 Ω·m之間的地層：主要為強(qiáng)風(fēng)化巖石、砂卵石層；

(4) 在600～1 500 Ω·m之間的地層：主要為較完整巖石，構(gòu)造裂隙發(fā)育；

(5) 大于1 500 Ω·m的地層：主要為完整巖石。

4 結(jié)論和建議

4.1 結(jié)論

根椐高密度電法剖面結(jié)合鉆探資料結(jié)果得出以下結(jié)論：

(1)隧址區(qū)無斷層、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象，不存在巖溶、煤層和可采礦體等，隧址區(qū)區(qū)域穩(wěn)定性較好。

(2)隧道軸線穿越地段圍巖區(qū)域內(nèi)，局部地段巖體裂隙發(fā)育，較破碎。隧道進(jìn)出口巖體裂隙發(fā)育、破碎，在對(duì)隧道進(jìn)、出洞口實(shí)施一定安全防治處理措施后，本隧道適宜修建。

圖4 東繞城路2號(hào)隧道橫剖面(W-4)高密度電法反演成果

4.2 建議

(1)由于隧道硐身段巖體局部裂隙發(fā)育，較破碎，圍巖自穩(wěn)性能較差，隧道施工時(shí)應(yīng)盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，并做好支護(hù)。

(2)隧道硐身段局部巖體破碎，可能會(huì)存在發(fā)生涌、突水現(xiàn)象，在隧道施工過程中應(yīng)足夠重視。隧道設(shè)計(jì)施工應(yīng)考慮季節(jié)性豐水期帶來的局部地段可能的突涌水危害。在施工過程中應(yīng)采用相應(yīng)的超前探治水措施，及時(shí)進(jìn)行預(yù)注漿止水。

研究結(jié)果表明，采用高密度電法勘探查明隧道圍巖構(gòu)造發(fā)育情況，圈定隱伏斷層、構(gòu)造破碎帶，基巖埋深以及斷裂帶的含水情況等，操作性強(qiáng)，效果明顯。

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