綜合物探技術在舊堡隧道勘察中的應用與效果分析

李志華 張 吉

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

1 概述

在隧道地質勘察過程中，經常會遇到多種不良地質問題，如滑坡、崩塌、巖溶、采空區等，如不及早查明并采取有效措施，可能會導致施工人員傷亡、工期延誤等嚴重后果[1]。因此，在隧道勘察設計階段，如何采用準確、有效的探測方法進行快速宏觀預測，一直是該領域中亟待解決的技術難題[2-3]。以張集線舊堡隧道為例，就“在隧道復雜地質條件下，如何取得理想的勘察效果、合理解譯物探異常、科學布置鉆孔”等問題進行探討，并對施工開挖后涌水、塌方、變形發生的位置與大地電磁法解譯結果進行對比分析[4]。

2 工程概況

2.1 工程地質概況

張集線是京蘭鐵路的重要組成部分，線路東起張家口市，西至集寧市，全長約178 km。其中，舊堡隧道位于萬全縣舊堡鄉與尚義縣土夭村之間，地處洋河斷陷盆地西緣之冀北低中山區，高程為950～1 550 m。地勢總體西北高，東南低，溝谷切割強烈。隧道進口端靠近洗馬林河，出口端靠近東洋河，隧道全長9.585 km，最大埋深為493 m。

測區主要地層：表層為第四系上更新統坡洪積黃土，局部夾砂礫石，洞身為太古界馬市口組麻粒巖、下白窯組變粒巖，局部為輝綠巖脈及酸性花崗偉晶巖脈侵入。隧道位于陰山東西復雜構造帶南部，構造形跡以斷裂為主，褶皺相對較弱，巖漿活動較強烈。其中，北北東向逆沖斷裂(F3)為隧道區較大斷裂帶，破碎帶寬約300 m，此外還有多條小斷裂發育。

2.2 物探勘探的目的和要求

為查明隱伏斷層和破碎帶的位置、規模及展布方向，地下水，基巖起伏形態等，采用了大地電磁法(EH4)、淺層地震折射法、綜合測井等地球物理勘察方法。

3 綜合物探技術原理

3.1 天然源(EH4)探測原理

大地電磁法(EH4)是一套輕便、快速、頻率域與時間域相結合的電磁測量儀器，其原理如下：①對測點電磁場正交分量進行觀測，得到相互正交的時域電場分量(Ex、Ey)和磁場分量(Hx、Hy)。②通過傅立葉變換、功率譜計算，求得地質體視電阻率值。③通過處理，得到深度-電阻率的二維等值曲線。其有效勘探深度為2～1 500 m，在1 000 m以內具有較高的分辨率，為探測與區分電阻率差異較小的地質體提供了可能[5-7]。

3.2 綜合測井原理及實例

綜合測井采用儀器觀測鉆孔及井間巖土物性差異所引起的天然或人工物理場變化規律，以研究孔壁和孔間空間的地質構造，測定巖土自然狀態下物理力學性質和水文地質參數。

因深孔鉆探費用巨大，其勘探信息就顯得十分珍貴。綜合測井可最大程度地獲取深孔地層的信息，其成果可以提供：①軟弱層、風化程度及厚度；②斷裂帶、巖溶位置；③巖層中富水程度、滲水點位置；④巖土體物理力學參數等。常用的物探測井方法有：自然電位測井、聲波測井、井溫測井、井斜測井、井中電視(見圖1)、視電阻率測井(見圖2)等[8]。

圖3 大地電磁(EH4)成果

圖1 井中電視顯現鉆孔涌水

圖2 視電阻率測井揭示含水軟弱夾層

其中，圖1為涌水圖像，可明顯觀察到出水的情景。圖2為視電阻率曲線，視電阻率明顯異常區多為巖體破碎或相對軟弱的基巖夾層，視電阻率成果彌補了鉆探資料的不足，可指導圍巖分級。

綜合測井成果可連續揭示鉆孔的巖性狀況，彌補和完善巖芯鑒定可能存在的疏漏，可得到鉆探難以獲取的隧道滲、出水空間位置[9-11]，避免了深孔水文試驗的局限性，消除了施工隱患。

4 成果解譯和施工驗證效果

4.1 區域大斷層及承壓水

如圖3所示，DK28+675～DK29+650段大地電磁成果中段表現為傾向東產狀近似直立的帶狀低阻異常，鉆探揭示DK29+413處巖芯呈土柱狀(見圖4)，破碎帶垂向厚度達227.8 m。

圖4 斷層巖芯

圖5 鉆孔承壓水涌出地面

區域地質資料顯示F3為中生代逆沖推覆斷層，規模較大，麻粒巖巖體破碎，構造節理極發育，呈碎石狀壓碎結構。麻粒巖內含有侵入花崗偉晶巖及輝綠巖脈，使得斷層破碎帶成為隔水帶[12]。在小里程一側的DK28+969.15處有承壓水存在，承壓水高出地表16.5 m(見圖5)，證實了貧水地區隔水斷層附近存在承壓地下水。

施工過程中，在靠近斷層大里程一側進口方向K29+389～406段發生變形塌方事故，以后陸續發生6次大規模突泥突水、溜塌。說明最靠近隔水斷層破碎帶的斷層影響帶為圍巖最軟弱部位，隧道施工可使之形成松動區或塑性區，塑性區和地下水相互影響，使得圍巖穩定性變差，最終導致變形塌方等事故。

4.2 推覆構造及承壓水

DK27+480～DK29+000段，從大里程向小里程方向，上部有一層由高到低呈連續狀分布的低阻帶，并在小里程一側(洞身同一低阻層)被明顯的高阻阻斷。高程較高的一側低阻區域厚度較大，上部覆蓋層??；高程較低的一側低阻區域厚度變薄，上部覆蓋層較厚，低阻層上部覆蓋層電阻率呈高低阻交錯狀，呈現明顯推覆狀構造(見圖6)。另存在連續狀的低阻層位，推斷為巖性破碎含水，小里程一側被明顯的高阻阻斷，洞身附近同一低阻層應為承壓或含水層。依據物探確定的鉆孔DK27+858揭示了承壓水的存在，承壓水頭高出地面39.0 m。結合綜合測井，較準確地確定了含水層的空間位置。

圖6 推覆構造、承壓水、隧道塌方變形和大地電磁成果關系成果

DK30+700～DK31+800段處于山勢較低處，物探顯示：兩側的凸狀豎向高阻為麻粒巖隔水層，隔水層邊界處呈現電性變化幅度較大的異常，應為含水層與完整基巖的反映。中間巖體呈現中低阻，可能為儲水結構，物探確定的鉆孔(DK31+000)揭示了承壓水的存在(見圖7)。

圖7 承壓水成果

5 隧道塌方變形和大地電磁成果規律

5.1 DK26+600～27+100段

發生變形或塌方的位置為DK26+765、DK26+803、DK26+855三處(見圖8)，與同一巖層電阻率異常變化反應相對應，上部有一層高程由高到低呈連續狀的低阻層位，高程較高的一側低阻區域厚度較大，上部覆蓋層較薄；高程較低的一側低阻區域厚度變薄，上部覆蓋層較厚；小里程一側被明顯的高阻阻斷(即電阻率梯度變化較大)，洞身附近同一低阻層變為明顯薄層。該低阻層推斷為巖性破碎并含水。隧道施工方向是從小里程到大里程，恰恰在這個段落發生變形或塌方，表現為巖體破碎、節理密集發育及巖漿巖體侵入。在普遍發育的具有承壓性的地下水作用下，結構面充填物極易軟化流失，加之隧道開挖，造成應力重新分布，圍巖發生變形，地下水匯集，使圍巖穩定性不斷變差，誘發圍巖變形失穩。如果調整施工方向，地下水將得到有效釋放，其危害可大幅降低。

圖8 隧道塌方變形和大地電磁成果關系(一)

5.2 DK28+100～+500段

該段發生變形或塌方的位置為DK28+260、DK28+396.5二處，顯示為同一種電阻率異常反應，自小里程到大里程，電阻率變化為從高阻到低阻。而隧道施工方向也是從小里程到大里程，電阻率呈現出數值梯度變化及斜率變化較大(見圖9)。

圖9 隧道塌方變形和大地電磁成果關系(二)

圖10 隧道塌方變形和大地電磁成果關系(三)

5.3 DK33+100～+800段

在DK33+276處，隧道施工方向為從大里程到小里程，相應電阻率數值梯度變化較大，在此位置出現了變形或塌方。

DK33+705兩側低阻范圍豎向上厚度較大。而此處附近低阻厚度明顯變小，在豎向上形成了電阻率梯度變化較大處，相應在此位置出現了變形或塌方(見圖10)。

6 結束語

隧道勘察中，復雜的地質條件給解決工程問題造成了很大的困難，基于舊堡隧道實例，論證了綜合物探技術的優勢：①可準確地揭示山勢陡險隧道深部地層與淺部地層的地質變化和差異；②可較好地揭示復雜斷層構造、承壓水；③可大幅度縮短勘察周期，科學地指導鉆孔布置。

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