工程物探在隧道勘查中的應用

宋 安

（廣東省核工業(yè)地質局二九三大隊，廣東廣州510800）

1 目的任務

勘察的目的是通過物探方法，初步查明所勘測區(qū)第四系地層大致厚度，基巖頂界面（強風化巖、中風化巖）的大致埋深，初步查明勘察范圍內的異常情況，如地層突變、不良工程地質層、不良地質構造、軟弱地層等。具體任務為：

（1）在收集、分析、整理已有地質資料的基礎上，通過工程物探和現場工程地質調查、測繪，查明隧道區(qū)工程地質條件和水文地質條件，對隧道進行分段工程地質說明，確定各隧道分段圍巖類別和主要物理力學參數。

（2）查明隧道所處部位地質構造、斷層的產狀、性質、類型、寬度和影響范圍，對隧道的可穿越性及應采取的主要施工措施進行評價。

（3）綜合分析評價隧道圍巖和洞口邊坡的穩(wěn)定性，提出處理措施及施工方案的相關建議。

2 自然地理概況

項目區(qū)域處于粵西隆起帶，北部高南部低，中間高，東西兩端低。以中低山和丘陵地形為主，地表水系發(fā)育，地形復雜，路線經過處海拔標高介于15～945m之間。經河流的長期侵蝕，西段形成盆地和低矮丘陵，西中部的石灰?guī)r均被第四系覆蓋。路線走廊帶內地形地貌條件較復雜，按地貌成因和形態(tài)特征，路線走廊帶可劃分為低山丘陵地貌、丘陵山區(qū)和丘間谷地、微丘崗嶺、河谷平原等4個地貌單元。

3 區(qū)域地質概況

3.1 地質構造

測區(qū)大地構造位置屬于粵中坳褶束，經歷了加里東構造運動旋回，火山巖及次火山巖，印支構造運動旋回花崗閃長巖，燕山構造運動旋回花崗巖，及喜山構造運動旋回花崗斑巖。恩蒼大斷裂，為測區(qū)主要區(qū)域性大斷裂橫貫測區(qū)中部，從陽江縣那墟西鄰入境，往北北—東經那龍墟至恩平城，其北為沖洪積掩蓋，長90km，其性質為復活大斷裂西側上盤∈bca，產狀120°∠85°，東側下盤則由D2砂頁巖和石英巖組成，產狀310°∠30°。根據野外調查，路線范圍內未見其露頭，建議下階段結合鉆探進行查驗其是否穿過路線區(qū)。

3.2 區(qū)域地層

項目區(qū)主要通過段地層有：主要分布于A9K36+597.948～A9K43+220，其主要巖性有燕山期細粒花崗巖、細粒黑云母花崗巖、細粒鈉長石化花崗巖及不等粒中細粒黑云母花崗巖等灰白色、灰色、肉紅色不等粒細粒花崗巖及中細粒黑云母花崗巖,燕山期花崗閃長巖。

3.3 水文地質

（1）松散巖類孔隙水。第四系含水層直接裸露地表，主要分布于坡殘積層。山間溝谷沖積區(qū)含水巖組主要為砂卵礫石層，透水性相對較強，與地表水關系密切，主要受大氣降水補給，地下水位受季節(jié)影響明顯；同時還有少量的基巖裂隙水補給，含粘性土碎石分布于山麓部，由于其厚度較薄，相對富水性較差，主要接受大氣降水補給，同時還有少量的基巖裂隙水補給，總體上水量較小，因其含水層透水性極差，基本為滯水帶，地下水以垂直運動為主，蒸發(fā)是其主要的排泄方式。

根據區(qū)域水文地質資料表明地下水對砼無侵蝕性，對鋼結構具中等侵蝕性。

（2）基巖裂隙水。基巖裂隙水由大氣降水直接沿構造裂隙和風化裂隙滲透補給，降雨是其主要補給來源，勘察區(qū)主要巖性為粗粒花崗巖，其節(jié)理裂隙較發(fā)育，基巖裂隙和風化裂隙帶在接受大氣降水后，多變?yōu)榈叵聫搅鳎瑵撊牖鶐r裂隙中。

4 野外地球物理條件

為做好物探工作，應對施測對象的性質、特征了解清楚，以采取合適的方法、參數。同時在解釋時采取合適的方法，以提高解釋精度。

4.1 第四系松散堆積物

第四系松主要為松散層，組成部分為殘、坡積含碎石粉質粘土；整層縱波波速Vp一般為480～870m/s，視電阻率約為50～250Ω·m。

4.2 下伏基巖層

粗粒花崗巖為下伏基巖層的主要巖體，由全、強、中、微風化層組成。其中，上部表層呈土狀，為全風化層，主要為花崗巖風化而成，大部呈堅硬狀，縱波波速870～1150m/s，視電阻率值一般在300～500Ω·m。強風化巖呈半巖半土狀，遇水易軟化，裂隙極發(fā)育，完整性極差，縱波波速1350～1860m/s，視電阻率值一般在400～800Ω·m。中風化巖，巖質較硬，裂隙較發(fā)育，完整性稍好，縱波波速一般1800～3000m/s，視電阻率值一般在800～1500Ω·m。微風化巖，巖質堅硬，裂隙不發(fā)育，完整性好，縱波波速2500～4600m/s，視電阻率值一般不小于1300Ω·m。

場區(qū)各個巖土層之間波阻抗存在顯著差異，地層主要為層狀產出，波阻抗界面和地質界面相吻合，波阻抗的變化基本反映地層和地質體的變化。工區(qū)位于野外，無其他較強的震動干擾。具備了地震反射波方法工作條件。

根據以上巖土層之間的物理性質及采集樣品的室內試驗，勘查區(qū)巖土層存在明顯的電性差異，且工區(qū)內無電磁場干擾，適合開展高密度電法工作。

綜上所述，在場區(qū)內分布的覆蓋層和基巖之間和在巖溶發(fā)育區(qū)域、斷層構造發(fā)育區(qū)域、破碎帶等不良地質體發(fā)育區(qū)域和圍巖之間都存在較明顯的波阻抗及電性差異，為開展地震反射波法及高密度電法提供的前提條件。

通過室內試驗及物理性質分析，第四系覆蓋層與下伏基巖的全風化巖層大體一致，從物探解釋角度上可以將其統(tǒng)一歸類為第四系土層中。

中、微風化巖層之間層位的變化不明顯，結合本次目的任務主要為了解中風化巖層頂面縱波波速，故將中、微風化2層歸為統(tǒng)一層位解釋。

5 工程物探方法選擇

本段物探勘察的對象為隧道，主要是探明第四系土層、各風化層埋深，為設計提供巖土層地球物理參數，初步查明構造等不良地質現象，因此，本次采用淺層地震反射波法及高密度電法進行勘察，以了解巖土層地球物理參數，評價其穩(wěn)定性，查明構造等不良地質現象。

6 野外工作方法及數據處理

6.1 地震反射波法

淺層地震勘察使用參數要通過現場試驗確定，一般為：采用12道，3次覆蓋，叩板法錘擊震源，道間距：3m，偏移距：12m，炮點距6m，記錄長度：512ms，采樣率：125μs。

野外數據采集注意以下事項：

首先用RTK測量設備確定控制點，并由GPS配合地質羅盤來控制測線方向，在數據采集前；對儀器及各種輔助設備進行檢查；現場采集數據時，保證采集的波形是否滿足要求，并做好野外記錄表；當現場采集數據時出現異常情況應及時處理。并做好相關記錄。

地震反射波法數據處理解釋遵循如下原則：

（1）同一連續(xù)完整的巖層的地震波形相似，周期相同，同相軸光滑，連續(xù)性強，總體上反映巖層的起伏變化。

（2）在構造破碎帶或巖溶發(fā)育部位，由于地震波受到散射、繞射作用的影響，波形零亂、畸變、不連續(xù)。

根據以上原則，首先在地震勘探時間剖面上進行層位判讀，選定層位，讀取各拐點時間，然后根據下式計算各層及目標地質體埋深：

Hj=V1·T1/2+V2·（T2-T1）/2+…+Vj·（Tj+Tj-1）/2

式中：Hj——第j層底面埋深；

Vj——波在j層內的傳播速度；

Tj——波在j層內的傳播時間。

6.2 高密度電法

高密度電法野外工作參數：電極數60個，電極距為5m，采用改進型的溫納—施倫貝爾裝置。

野外數據采集注意以下事項：

（1）利用孔位及皮尺布設電極，電極位置誤差不大于±20cm。

（2）保證電極接地良好，數據采集前，檢測每個電極的接地電阻，必要時向電極處灌注鹽水，以保證接地電阻不大于50kΩ·m。

（3）現場數據采集時做好相應的記錄。

（4）當現場采集數據時出現異常情況應及時處理。并做好相關記錄。

數據處理及時將儀器內的測量數據通過傳輸軟件傳輸到計算機中，運用RES2DINV高密度電法反演軟件進行壞點刪除、地形校正、格式轉換及反演計算等步驟，繪制出電阻率色譜圖,依據等值線圖上的視電阻率值的變化特征結合地質調查資料做出地質解釋。

7 成果分析

通過對數據的分析，并結合地質資料，勘查區(qū)可分為3大層，從上到下第一層推斷為第四系覆蓋層，其縱波波速為600～1200m/s；第二層推斷解釋為強風化粗粒花崗巖，其縱波波速為1350～1840m/s；第三層為粗粒花崗巖，推斷為中、微風化巖層，其縱波波速大于2000m/s，然后根據各層的計算深度，繪制物探解釋斷面圖（如圖1～圖3所示）。

7.1 第四系土層和全風化層

圖1 淺層地震反射時間剖面圖（一半里程）

圖2 高密度電法視電阻率成像圖（一半里程）

第四系松散覆蓋層主要為坡殘積粉質粘土、全風化層，大部呈硬塑或堅硬狀，層厚不均，主要分布在進、出洞口端及洞身溝谷地帶，厚度為0.0～12.32m，Vp=670～850m/s，視電阻率值在200～500Ω·m，整層穩(wěn)定性差。

7.2 下伏基巖

下伏基巖主要為粗粒花崗巖，根據其風化程度可分為全、強、中、微風化層。

全風化層大部呈土狀，大部呈堅硬狀，劃入第四系松散覆蓋層中，縱波波速870～1080m/s；

強風化巖呈半巖半土狀，遇水易軟化，裂隙極發(fā)育，完整性極差，層厚不均，全場均有分布，厚度為0.20～12.67m，縱波波速1350～1840m/s，視電阻率值在500～800Ω·m；

中風化巖，裂隙發(fā)育，片理發(fā)育，巖石破碎，穩(wěn)定性較 差 。 Vp=2280～3180m/s，視 電 阻 率 值 在 800～1500Ω·m；

圖3 物探解釋縱斷面圖（一半里程）

微風化巖裂隙稍發(fā)育，巖石整性較好，穩(wěn)定性較好，巖質硬，縱波速度Vp=3100～4350m/s，視電阻率值在1500～4000Ω·m。

從物探勘察結果看，物探勘察范圍內工程地質、水文地質條件相對較簡單；勘察區(qū)無明顯構造破碎帶等不良地質現象，適合隧道工程建設。

隧址區(qū)A6K29+080～A6K29+300及A6K29+900～A6K30+000段為物探異常，巖石較破碎、裂隙發(fā)育，地下水極為發(fā)育，對施工安全有一定影響。建議在上述段內布置鉆孔驗證，通過觀察地下水水位、地下水相關測試、聲波和溫度測井等手段，進一步了解隧道內地下水水位、涌水量、圍巖的完整性、井溫變化等相關參數。建議在施工過程中要進行地質超前預報工作，以確保施工開挖安全。

參考文獻：

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