EH4法在韶新高速獅子山隧道圍巖分級中的應用探討

曹俊秀，鄭 貝

（中鐵四局集團有限公司設計研究院，安徽合肥230023）

隨著山區路網的跨越式發展，越嶺隧道勘探的難度日益增大，一些適用于淺埋隧道的探測方法和技術難以適應深埋長大隧道的勘察。因獅子山隧道洞身段范圍內巖體種類多、風化不均，并伴有斷層構造，使得深部地質情況具有不可預見性、多變性和模糊性等特點，增加了隧道勘察難度。所以，尋求準確、快速、有效的勘察手段，查明隧道洞身段范圍內的巖石破碎帶、斷層、富水帶，對隧道洞身段進行合理的圍巖分級成為了勘察重點[1-2]。

EH4法是近年來發展較為快速的一種地質勘探方法，具有效率高、不受地形限制、操作簡單等特點。它憑借儀器觀測地球電場、磁場的變化，查明地下地質的電阻率異常，而非直接測量研究巖石強度、完整性和地質構造，降低了勘察工作量[5-6]。

本文闡述了EH4法在韶關至新豐高速公路獅子山隧道勘察工作中圍巖分級的應用，利用不同地質體電阻率值差異的特點，查明了獅子山隧道洞身段斷層破碎帶、巖石破碎帶及富水帶分布，結合地層巖性和區域地質構造對獅子山隧道洞身段進行了合理的圍巖分級。利用鉆孔驗證計算，說明了EH4法在深大隧道勘察中的可行性，并在韶新高速其他隧道中得到了推廣應用。

1 隧址區地形地貌及地質概況

1.1 地形地貌

項目地處粵北山字型構造東翼前弧，為構造剝蝕低山丘陵地貌。地形起伏較大，山高溝深。山坡陡緩相間，山頂成駝峰、馬鞍狀地形，植被發育，隧道附近最高標高約491.60m，最低點為隧道出口側的河谷底，標高約114m，相對高差約378m。

獅子山隧道位于韶關市翁源縣翁城鎮和官渡鎮交界處。隧道進口位于翁城鎮星光村，出口位于官渡鎮官渡村。隧址起止樁號：右線K18+840～K21+687，左線ZK18+838～ZK21+662。全長2847m，最大埋深約281m。

1.2 地質概況

隧址區路經滃江復式向斜。由于受貴東巖體影響，在寶峰山背斜兩側形成次一級的北西或近于南北向的向斜。隧址距離滃江復式向斜的中部寶峰山背斜約1.8km。隧址區距離區域性大斷層獅子山斷層約500m，為西傾逆斷層，與隧道在出口附近小角度相交。隧道經過獅子山斷層次一級的F1、F2、F3斷層。F1斷層隧道在進口附近,F2斷層位于洞身段，F3斷層在隧道出口附近。在地質調查發現，常見巖層發生擠壓、扭曲、倒轉等皺褶構造，產狀多變，說明了隧址區巖層受多次地質構造運動影響，次一級的褶皺等小構造較發育，地質構造復雜。

隧址區上覆第四系全新統殘坡積粉土粘土層及碎石層（Q4el+dl），厚度0.5～2m，下伏侏羅系下統藍塘群（J1Ln）頁巖、砂巖及灰巖。由于巖石種類較多、富水性不均，巖層又相互交錯，導致巖石差異風化。頁巖強風化厚度20～50m，砂巖及灰巖強風化厚度2～10m；頁巖中風化厚度50～150m，砂巖及灰巖中風化厚度20～50m，加上斷層構造和巖溶發育等因素的影響，地質條件復雜，給隧道洞身段圍巖分級帶來了很大的困難。

1.3 地球物理特征

工程物探組自2016年11月20日進場開始外業工作。在外業工作期間，首先進行了綜合工程物探方法有效性試驗和天然剖面及露頭的參數測試工作，確定適合該勘察區段的野外工作裝置及方式參數，建立適合該勘察區段各物探方法的數據處理方法及物探定量解釋模式，建立了該區各巖土層與電阻率的對應關系。根據區域地質特征，并借鑒附近青云山隧道物探電阻率二維反演結果，得出的各介質電阻率值表（表1）。

由表1可知，不同完整程度、不同強度的巖體、富水帶、不良地質作用及地質構造帶之間存在一定的電阻率差異，說明了可以利用電阻率分區進行地質勘察工作。

表1 隧址區地質體物探參數表

2 EH4法的工作原理

EH4法是目前國內比較先進的一種物探方法。它以天然場作為主要場源，輔助以人工磁偶極子產生的高頻電磁場來觀測正交的2個電場分量（Ex、Ey）和2個磁場分量（Hx、Hy）,進而求得x、y電場、得到x、y磁場2個方向上的視電阻率和阻抗相位及視電阻率隨著深度變化的ρS-H變化曲線。然后，通過迭代逼近的Born近似法反演，取得勘察點電性結果。

根據卡尼亞的定義，視電阻率可以表示為[6]：

此時的E和H，應理解為一次場和感應場的空間張量疊加后的綜合場。在電磁理論中，把電磁場（E、H）在大地傳播時，其振幅衰減到初始值時的深度，定義為鄒膚深度δ。

由上式可知，趨膚深度（δ）將隨電阻率（ρ）和頻率（f）變化，測量是在和地下研究深度相對應的頻帶上進行的。一般來說，頻率較高的數據反映淺部的電性特征，頻率較低的數據反映較深的地層特征。因此，在一個寬頻帶上觀測電場和磁場信息，并由此計算出視電阻率和相位值,可確定出大地的地電特征和地下構造。這就是EH4觀測系統基本原理。

3 物探成果解譯及圍巖分級

3.1 物探成果解譯

根據各巖土層與電阻率的對應關系，電阻率反演斷面圖中的電阻率值大小、電阻率值變化梯度值和電阻率低阻異常圖形狀等不同的特點，結合區域地質構造和地質調查等資料，確定物探成果圖解譯原則如下：

（1）電阻率呈等值線梯度變化解譯為巖體正常風化，不同的等值線密度解譯為巖性差異，等值線梯度最大變化位置判譯為巖層界線。

（2）電阻率呈條帶狀或珠串狀低阻異常，并往深處延伸，可判譯為斷層破碎帶。

（3）根據電性差異和區域巖石的力學特征，把電阻率反演斷面圖做如下分區：把電阻率小于60Ω·m的區域部分劃分為物探Ⅵ類異常，對應極破碎、極軟弱帶和富水帶；把電阻率值為60～150Ω·m的區域部分劃分為物探Ⅴ類異常，對應破碎、軟弱帶和弱富水帶；把電阻率值為150～350Ω·m的區域部分劃分為物探Ⅳ類異常，對應較破碎地質帶或斷層破碎帶；把電阻率值為350～2000Ω·m的區域部分劃分為物探Ⅲ類異常，對應較完整、較堅硬地質帶。

（4）參照隧道圍巖等級分類標準，結合地質調查成果，對隧道圍巖級別進行宏觀劃分：把斷層構造帶和Ⅴ類異常區域劃分為Ⅴ級圍巖；把皺褶構造擠壓帶和地質Ⅳ類異常區域劃分為Ⅳ級圍巖；把地質構造穩定區、無不良地質帶和Ⅲ類異常區域劃分為Ⅲ級圍巖[3-4,6]。獅子山隧道洞身段EH4法電阻率反演斷面圖見圖1。

3.2 物探成果圍巖分級

隧道洞身所在位置地質條件復雜，各級異常均有表現。隧道電性特征總體上表現為兩級分化。中—微風化完整頁巖電阻率值高，強風化砂巖、頁巖、富水帶、破碎帶電阻率值明顯偏低，巖性界面明顯。

（1）K19+450～K19+660洞身附近地表出露為頁巖夾粉砂巖，電阻率等值線圖呈低阻不規則片狀和團狀分布，電阻率值140～250Ω·m，推測巖體差異風化較為嚴重，巖石接觸帶富水，巖石較破碎，隧道洞身位于Ⅳ級圍巖區。

（2）K20+000～K19+220洞身附近地表出露為頁巖，電阻率等值線圖呈低阻珠串狀、帶狀分布，電阻率值0～180Ω·m，中間有小部分片狀和團狀分布，往深部延伸，兩側等值線梯度變化較大，推測為斷層破碎帶及影響帶。

（3）K20+000～K19+220洞身附近地表出露為頁巖夾粉砂巖，電阻率值450～800Ω·m，電阻率等值線圖呈等值線形態，梯度變化不大，物探推測巖性較完整。

（4）K20+700～K20+800洞身附近地表出露為頁巖夾粉砂巖，電阻率值150～350Ω·m，電阻率等值線圖呈低阻帶狀分布，有少量高低阻穿插，左側等值線從左往右畸變，梯度變化大；但右側等值線畸變小，梯度變化小，且并未發現小部分片狀和團狀分布，物探推測為巖層接觸帶、富水帶及影響帶。

（5）K20+800～K21+200洞身附近地表出露為灰巖，電阻率值20～140Ω·m，電阻率等值線圖呈低阻片狀分布，范圍較大，且高低阻雜亂穿插，巖體較破碎、軟弱，巖溶發育。

本次圍巖分級根據EH4法二維反演斷面圖中電阻率的大小、低阻異常的形態、梯度變化，并結合區域地質構造、區域巖性、地質調查成果等因素綜合分級。獅子山隧道電阻率綜合解釋斷圖見圖2。

4 鉆孔驗證

4.1 隧道洞身段聲波測試成果

本次勘察在Z2-獅子山隧道-3、Z2-獅子山隧道-4、Z2-獅子山隧道-5鉆孔進行了孔內彈性縱波聲波測試，利用實測巖體波速和新鮮巖塊彈性縱波波速值計算出巖石完整性指標，并確定了巖體的完整性，波速測試成果見表2。

4.2 圍巖分級計算

根據《公路工程地質勘察規范》（JTG C20-2011），隧道圍巖基本質量指標公式如下：

BQ=90+3Rc+250Kv

圍巖基本質量指標修正值公式如下：

[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3）

式中：Rc——巖石單軸飽和抗壓強度：中風化頁巖、灰巖值取實測值11.1MPa、27.2MPa；微風化砂巖、頁巖值取實測值31.1 MPa、30.1MPa；

Kv——巖體完整程度定量指標，按《公路隧道設計規范》(JTG D70-2004)表3.6.2-4，微風化帶取0.83，中風化帶取0.69。

中風化頁巖計算值：Q=90+3Rc+250Kv=295.8

微風化砂巖計算值：Q=90+3Rc+250Kv=390.8

中風化灰巖計算值：Q=90+3Rc+250Kv=344.1

微風化頁巖計算值：Q=90+3Rc+250Kv=392.8

根據按《公路隧道設計規范》(JTG D70-2004)表A.0.2-1，A.0.2-2，A.0.2-3，頁巖、砂巖地區地下水影響修正系數K1取0.2，灰巖地區地下水影響修正系數K1值取0.3，隧址區主要軟弱結構面產狀影響修正系數K2值取0.2；隧址區初始應力狀態影響修正系數K3值取0(隧道區不為高地應力區)。

中風化頁巖修正值：[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3）=255.8

微風化砂巖帶修正值：[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3）=350.8

中風化灰巖帶修正值：[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3）=294.1

微風化頁巖修正值：[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3）=352.8

計算結論：微風化頁巖、砂巖帶圍巖等級為Ⅲ級；中風化灰巖、頁巖帶圍巖等級為Ⅳ級；巖石破碎帶、巖溶發育帶、斷層破碎帶為Ⅴ級。隧道圍巖分級見表3。

表2 彈性縱波波速測試成果統計表

表3 隧道圍巖基本質量指標結果表

4.3 物探成果與鉆孔成果比較

經過地質調查及鉆孔驗證，獅子山隧道鉆探成果縱斷面圖比較準確地反映了實際地質情況和圍巖分級結果。物探宏觀圍巖分級與鉆孔計算成果見表4。EH4法圍巖分級長度稍大，結果偏于保守，利于安全，可以作為隧道的設計、施工方面的初步依據。

5 結論

（1）本文通過對EH4法的成果解譯，利用電阻率在斷層帶、巖石破碎帶、風化帶、接觸帶及富水帶等不良地質體中呈低阻的特征進行圍巖分級；并利用鉆孔驗證計算比較，得出EH4法圍巖分級與利用鉆探成果圍巖分級具有一定的契合性，說明了EH4法在隧道圍巖分級中的可行性。

（2）在復雜的地質條件下，EH4法二維反演圖中高低阻帶相互穿插，或呈片狀、條帶狀、團狀等不規則特征時，按照電阻率背景值進行圍巖分級時會把斷層破碎帶高阻區誤判為高等級圍巖，灰巖低阻地區誤判為低等級圍巖。這種情況下，EH4法應結合區域地質構造、地質調查成果綜合判譯。

表4 2種方法圍巖分級比較

（3）在地質選線階段和復雜的山區，鉆機不具備進場條件時，EH4法作為一種宏觀的勘察手段對隧道圍巖進行分級，可以減少鉆孔工作量布置，并可指導隧道安全施工。