高頻大地電磁法在戴云山隧道圍巖分級中的應用

段圣龍

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

0 引言

向莆鐵路全線有隧道116座，總長290.08 km，占線路全長的52.4%，其中：6km20 km的特長隧道有3座，合計長70.823 km，工程十分艱巨。有14 km以上長大隧道6座，合計長116 km。這些隧道在勘察、設計、施工、運營階段均會遇到一系列施工難題，諸如巖溶、涌水、涌泥等不良地質災害突發事件，均會對隧道施工及運營帶來安全隱患，嚴重威脅施工人員及國家財產安全。因此長大深埋隧道的圍巖穩定性評價在隧道設計、施工中起著至關重要的作用，針對該類隧道進行準確地質宏觀預測是目前工程界亟待解決的研究課題。目前在隧道勘察設計階段，長大深埋隧道的圍巖質量主要采用地質調查法、鉆探測試法、地球物理方法進行定綜合性判識[1-2]，地球物理方法(地震折射波勘探法)，通過獲取近地表基巖彈性波速度，建立彈性波速度與巖體完整性的關系，從而推斷隧道的圍巖完整性。但由于地震折射波勘探法基于地下巖石均一分布假設，且很難獲得實際洞深處圍巖彈性波速度，當地下存在多層地層或地下地層在垂向上變化較大的情況下，該方法不能準確反映隧道洞身附近巖體質量，因此該方法局限適用于巖性單一的淺埋隧道。

近年來高頻大地電磁法在深埋隧道勘察中被廣泛應用，該方法通過觀測1 Hz～100 kHz頻帶內電磁場信號，計算獲得不同深度地下介質電阻率，有效獲得地下1 000 m以內地下介質的電性參數，通過分析電阻率等值線的分布形態，可以有效推斷地質構造、劃分地層巖性、推測巖石節理裂隙發育區及其賦水狀態[3-6]。化希瑞等[7-8]通過分析巖體電性參數與完整性相關關系，提出了一種新的表征巖體完整性的參數-巖體完整性系數Kr，通過實際應用驗證了利用Kr系數劃分隧道圍巖級別的有效性，并與地震折射波勘探法進行對比，表明了Kr系數對長大深埋隧道的圍巖質量評價的可行性，同時獲得了更符合實際的圍巖分級效果。

1 向莆鐵路深埋隧道概況

戴云山隧道穿越尤溪和永泰兩縣交界的戴云山山脈，為雙洞單線隧道，隧道設計范圍：DK422+799～DK438+446，全長為15 647 m。隧道洞身距離地表最大埋深為638 m。

1.1 地形地貌特征

戴云山隧道穿越區地形起伏大、植被茂密、進出口交通不便，該隧道橫穿戴云山山脈，隧道穿越區內以構造剝蝕中低山為主，地形切割厲害，溝深谷幽。覆蓋植被十分茂盛。

1.2 地層巖性特征

戴云山隧道地形起伏大、穿越地層多，巖性十分復雜，其中沉積巖主要有二疊系下統童子巖組下段和上段(P1t1、P1t3)粉砂巖夾泥巖和煤層，屬于煤系地層，上統翠屏山組(P2cp)巖屑石英砂巖、粉砂巖夾薄層粉砂質泥巖，侏羅系上統長林組(J3c)以砂巖、含礫砂巖為主，夾粉砂巖、泥質粉砂巖，南園組第二段(J3n2)和第三段(J3n3)火山巖及火山碎屑巖；變質巖主要為震旦系稻香組上段(Zdx2)變質粉砂巖、千枚巖，局部夾大理巖；洞身局部地段有侵入巖分布，規模較大的主要有早白堊世上坂巖體(K1K)、早白堊世龍塔巖體(K1L)花崗巖，除此之外，還有少量晚侏羅世(潛)流紋斑巖脈(λJ3)零星分布。

1.3 地質構造特征

根據前期區域地質資料，該隧道處于閩東火山斷坳帶中的福安-平和北東向火山噴發帶中段。地質單元從中元古代至今，經多期次的構造變動、巖漿活動及變質作用，形成了北東、北西及南北向為主的基本構造格局。測區內主要斷裂構造分布方向為北東、北北東、北西，少數近南北向分布。隧道洞身共穿過17條斷裂構造、8處巖性接觸帶、3條節理密集帶、1處背斜，部分斷層小角度與隧道斜交，對隧道施工造成較大的影響。

1.4 水文地質條件

戴云山隧道地表水系屬于閩江流域。該流域水系縱坡降大，水流湍急，排水通暢。河流量受季節性氣候影響明顯，旱季河流量小，雨季流量明顯增大。地下水類型主要包括巖層間裂隙水、孔隙水、構造裂隙水等，補給來源主要為大氣自然降水。地下水補給強度受降水強度、持續時間、匯水面積和地表節理裂隙的發育程度共同控制。由于隧道所處地區高山峻嶺，山坡和沖溝坡度均較陡，多處可見巖石出露地表，地表的殘坡積層較薄，不利于大氣降水的滲入補給。

2 基于電性參數劃分深埋隧道圍巖級別的理論基礎

如圖1所示，假設實際巖體是由完整巖石和軟弱巖石交錯相疊加膠結而成的六面體，其中完整巖石的電阻率為ρr，厚度為Δh1；軟弱夾層的電阻率為ρw，厚度為Δh2。

圖1 層狀巖體模型Fig.1 Layered rock mass model

設六面體巖體的底面積為1 m2，高度為H。垂直巖體層理方向的電阻率設為ρn，沿層理方向的電阻率設為ρt，實測的視電阻率則為巖體的平均電阻率ρmass，ρr為完整水飽和巖樣的電阻率，ρw是完整水飽和巖樣受壓至破壞后的巖石電阻率，計算公式為式(1)[7]。

(1)

由式(1)可以推導出式(2)。

(2)

根據式(2)可以推導出式(3)。

(3)

于是有：

(4)

根據參考文獻[8]，計算完整巖石在單位巖體中所占的比例可以用巖體完整性系數Kr來表達：

(5)

由式(4)和(5)可以推導出巖體完整性系數Kr與各電阻率之間的關系式：

(6)

其中:ρmass可以通過電阻率測井或地面電法勘探獲取，通過在地表進行高頻大地電磁法觀測獲取；ρr、ρw可以通過室內巖樣電阻率測試獲取。根據式(6)可知，Kr值越大表示巖體越完整。

在實際隧道工程項目實施中，為了對圍巖進行分級，首先針對實測高頻大地電磁數據進行預處理(噪聲壓制、時間序列篩選、有效頻率抽取、靜態校正、地形校正、數據反演)，得到視電阻率和阻抗相位，然后結合實測地表電阻率或測井電阻率等輔助資料計算相位遞推電阻率[9]，相位遞推視電阻率ρφ公式為式(7)。

(7)

其中:i=1、2、3、…、n；fi+1

圖2 應用高頻大地電磁法進行隧道圍巖 完整性分級流程圖Fig.2 The flow chart of the rockmass classification with high frequency magnetotelluric method

由于巖體完整系系數(Kr)只是評價巖體完整性的單一指標，直接采用其劃分隧道圍巖級別是不完善的，圍巖分級的兩個主要指標是圍巖強度(堅硬程度)和圍巖完整性，圍巖的軟硬程度還與圍巖的種類有關系。巖體完整系系數(Kr)與巖體質量關系如表1所示。

表1 巖體完整性系數(Kr)分級表Tab.1 The parameters of the rockmass integrality

3 實例分析

戴云山隧道DK427+000～DK429+000段地形起伏大，最大埋深約500 m，下伏基巖主要為南園組第二段(J3n2)和第三段(J3n3)火山巖及火山碎屑巖，同時采用高頻大地電磁法和淺層地震折射勘探法進行勘察，其中高頻大地電磁法點距為25 m，地震折射勘探點距為5 m。采用電測深方法獲得淺地表30 m內平均電阻率，供電極距(AB/2)的極距為10 m、14 m、20 m、28 m、40 m、55 m、75 m、100 m，點距為100 m。

圖3為戴云山隧道DK427+000～DK429+000段淺地表平均電阻率曲線，將該曲線以25 m間距離散，離散后的電阻率作為相應點位處相位遞推電阻率的初值ρφ(fN)，根據公式(7)可以計算得到相位遞推電阻率曲線。為了獲得完整巖石電阻率，通過深孔收集該隧道洞深附近完整巖樣7塊，巖樣巖性為凝灰熔巖，室內測得完整水飽和巖樣的平均電阻率為2 100 Ω·m，完整水飽和巖樣受壓至破壞后的巖石電阻率約260 Ω·m，以巖樣平均電阻率作為完整巖石電阻率，即完整巖石的ρr取2 100 Ω·m，軟弱夾層的ρw取260 Ω·m。

圖4為戴云山隧道DK427+000～DK429+000段高頻大地電磁法相位遞推視電阻率斷面圖，依據電阻率等值線分布趨勢推斷主要有兩處斷裂構造。根據圖4顯示DK427+000～DK429+000段圍巖電阻率在300 Ω·m～2 000 Ω·m范圍內，結合地震折射勘探資料顯示該段圍巖彈性波速度在2.5 km/s～4.5 km/s范圍內。

圖3 戴云山隧道近地表30 m內平均電阻率曲線圖Fig.3 Average resistivity carve of 30 meters near- surface along Dai-Yunshan tannel

圖4 戴云山隧道高頻大地電磁法綜合電阻率斷面圖Fig.4 The profile of high frequency magnetotelluric method at Dai-Yunshan tunnel

根據高頻大地電磁法觀測結果剖面資料，選取在隧道洞身(圖4中的黑線)上下25 m的巖石電阻率值作為平均電阻率 (圖4中紅框范圍，圖中“+”表示有效數據點)。最后，根據式(6)計算出巖體完整性系數Kr，按照表1對圍巖進行級別劃分，劃分結果如表2所示。

由表2分析可知，依據地震折射波勘探資料該段在DK427+675～+775、DK427+950～Dk428+075段地震波速小于2.8 km/s，推測為斷裂破碎帶，實際開挖過程中，DK427+675～+775段無明顯斷裂構造跡象，但節理裂隙發育，巖體呈較破碎狀態，基于高頻大地電磁法的Kr系數的分級結果為IV級圍巖，與實際情況基本相符。DK427+950～Dk428+075段破碎帶寬約120 m，縱波速度分級與Kr分級均為V級，與實際開挖對應良好。DK428+275～+500段實際開挖顯示該段圍巖局部夾薄層泥質粉砂巖、砂質泥巖。節理裂隙發育，地下水為基巖裂隙水，較富水，彈性波速度圍巖分級顯示該段整體為II級圍巖，與實際情況不符合，表明通過地震折射方法獲得的縱波速度為近地表基巖速度，不能反映隧道實際洞深處的圍巖完整情況，特別是在隧道深埋大或地下介質具有多層地層的情況下，而高頻大地電磁法則獲取隧道洞深附近實際電性參數，因此在深埋段高頻大地電磁法成果進行圍巖分級效果較好。該實例表明，在隧道深埋大或地下介質具有多層地層的情況下，相對于彈性波圍巖分級結果，基于高頻大地電磁法的Kr系數分級結果與施工圍巖級別吻合度較高，更接近于實際情況。

4 結論

綜合分析戴云山隧道前期勘探資料和后期開挖資料，對比該隧道巖體電性參數Kr、彈性波速度圍巖分級結果與施工圍巖分級，可得出如下結論：

1)在隧道深埋段(埋深大于100 m)，電性參數圍巖分級要優于彈性波圍巖分級結果，主原因在于彈性波速度主要通過地震折射方法獲得的近地表基巖面速度，該速度不能等價為實際洞深處的圍巖速度，因此埋深越大，誤差也可能越大，特別是地下介質具有多層地層情況下，不能反映實際隧道洞身附近巖體質量(如DK428+125-DK428+500段)。而高頻大地電磁法可獲得與實際電性參數符合較好的隧道洞深標高附近電性參數，因此能較真實地反映宏觀巖體完整性。

表2 戴云山隧道大地電磁分級結果與施工圍巖級別對比表Tab.2 Comparison of the rockmass classification results with two kinds of approaches

2)計算巖體完整性系數Kr的參數均為實際隧道洞深附近巖體電性參數，該指標盡管是通過一個宏觀的間接性公式得到, 雖然不能與巖石強度直接相關, 但能夠宏觀反映巖體的完整程度, 可作為對隧道圍巖分級的輔助方法。

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