某山嶺鐵路隧道富水段綜合勘探

盧春東

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

隧道水文地質勘察一般采用大規模地質調查結合物探、鉆探和綜合試驗等方法。 由于隧址區地質儲水構造的多樣性、復雜性以及探測手段的局限性，現有的勘探方法存在諸多不足[1-2]。 已有許多學者進行了相關研究:陳德靖[3]認為視電阻率異常一般為巖溶、裂隙、破碎等引起;曹俊秀等[4]將音頻大地電磁法應用到隧道圍巖分級中，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;張林等[5]認為采用地球物理方法尋找地熱有較高的準確度;高鑫[8]以某隧道為例進行音頻大地電磁法極化特征分析，發現大地電磁極化特征可以有效揭示隧道工程地質特征和隧道維度特征。以往研究多為單純的物探手段，無鉆探驗證;或雖有鉆探驗證，但未對驗證結論進行深層次分析，對梯度變化的解譯往往被忽略。

以下結合工程實例，采用地質調查法、高密度電法、音頻大地電磁法、鉆探驗證、綜合測井和抽水試驗，對某隧道水文地質進行綜合勘探。

1 工程概況

某新建隧道進口里程為DK46+285，出口里程為 DK51+060，全長4 775 m，最大埋深為452.27 m。 隧道地貌單元屬中低山區，整體地形呈中間高，兩側低，地面高程為1 491.38 ～1 990.53 m，相對高差較大;進口及中部山勢陡峭，縱向自然坡度一般為10°～25°，橫向自然坡度一般為5°～45°，局部呈陡崖狀;出口地勢較緩，縱向自然坡度一般為5°～15°，橫向自然坡度一般為5°～10°。 山體植被發育，主要為果樹及灌木等，植被覆蓋率為50%～70%。

1.1 地層巖性

隧址區上覆第四系上更新統坡洪積粗圓礫土、粗角礫土，下伏侏羅系上統噴出巖、燕山早期花崗巖、二長花崗巖等。

1.2 地質構造

區域地質資料和區域地質調查顯示，隧址區位于燕山-太行山裂陷槽西側，侵入構造發育。 地質調查未發現斷層構造。

(1)侵入構造

隧道進、出口燕山早期侵入及火山噴發構造發育，巖性上主要為燕山早期花崗巖、二長花崗巖以及侏羅系上統噴出巖，侵入帶巖體極破碎-破碎，呈碎塊狀。

(2)結構面

采用地質調查法，查明了隧址區噴出巖層理、侵入巖節理等構造面。 隧道穿越的巖體節理裂隙較發育，一般為密閉-張開節理，泥質或鈣質填充，主要發育3～4 組節理，巖體一般較完整-較破碎;局部處于節理密集帶，巖體破碎。

2 隧道綜合勘探

2.1 地質調查法

地質調查法是隧道勘察過程中應用比較普遍的方法，可得出隧道經過區域的地層巖性、構造，以及泉點、地表水等水文要素，以便有針對性地布置物探測線和勘探孔。 地質調查是隧道綜合勘探的基礎性工作。

2.2 高密度電法

基本原理:當從地表供電，電流流經不同的巖層和地質構造時，在地表觀測到的電流場將會發生變化，從而獲得各地層的視電阻率。

高密度電法的優勢:相較于常規的視電阻率法，高密度電法獨有的組合裝置形式具有多樣化的特點，可以大量采集信息，所得信息更精準。 另外，采用該方法采集信息極為迅速，所測結果也較為直觀[9-10]。 高密度電法一般用于埋深小于200 m 的隧道段落。

2.3 音頻大地電磁法

音頻大地電磁測深法是一種研究地球電性結構的地球物理方法[11-12]，其主要手段是利用自然界客觀存在的天然交變電磁場信號作為激發場源，計算公式為

式中:Z 定義為波阻抗/Hz，ρ 是視電阻率/Ω·m，E 是電場強度/(mV/km)，H 是磁場強度/nT，φE是電場相位/mrad，φH是磁場相位/mrad。 需要說明的是，此時的E 與H，應理解為天然電磁場與感應電磁場疊加的綜合場。 由電磁學理論，有

將δ 定義為趨膚深度，由式(4)可知，趨膚深度(δ)與視電阻率(ρ)和頻率(f)具有相關性。 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深部的電性特征。

大地電磁測深法具有不受低阻屏蔽、勘探深度大、橫向分辨率高、對低阻體和低阻層反應靈敏等獨特技術優勢，一般用于隧道埋深200～600 m 的段落[13-16]。

2.4 鉆探驗證

在物探確定的隧道富水段落，布置鉆孔進行驗證，以消除物探多解性。

2.5 綜合測井及抽水試驗

鉆探完成后，應進行綜合測井，確定不同深度的巖石完整程度、地下水發育情況等;同時還應進行抽水試驗，評價巖體的富水程度。

3 物探數據采集及分析

3.1 高密度電法探測

(1)視電阻率剖面

在隧道進出口段落內采用高密度電法進行探測。共布設2 條測線，進口測線長200 m，出口測線長900 m。 數據采集使用WDA-1 溫納裝置，電極距為10 m。 高密度電法數據采集結果見圖1、圖2。

圖1 隧道進口段視電阻率(單位：Ω·m)

圖2 隧道出口段視電阻率(單位：Ω·m)

(2)地質解譯

①物探地質解譯確定隧道進口富水段(如圖1)

DK46+000 ～DK46+500 里程段落內，第一層視電阻率在50～500 Ω·m 之間，視電阻率變化范圍較大，推斷為第四系洪積層粉質黏土和粗角礫土，厚度范圍10～25 m。 下伏為強風化二長花崗巖，巖體破碎。

DK46+600～DK46+720 里程段落內表層覆蓋主要為強風化二長花崗巖，破碎。

DK46+268～DK46+410 段隧道進口段巖性為粉質黏土和粗角礫土，視電阻率值在50 ～500 Ω·m 之間，巖體破碎，中等富水，易發生涌水、塌方等地質災害。

DK46+410～DK46+430 段隧道洞身附近巖性為二長花崗巖，視電阻率值在500 ～1 400 Ω·m 之間，強風化基巖，巖體破碎，弱富水。

DK46+430～DK46+720 段隧道洞身附近巖性為二長花崗巖，視電阻率值在1 400 ～3 000 Ω·m 之間，弱風化基巖，較完整，弱-中等富水。

我說，我那二畝地的玉米咋辦，沒了地，可怎么生活呢。小伙子說，你那二畝地一年也就收入一千塊錢吧，那三萬塊錢，頂得上你種三十年。再說了，光利息就抵得上你那二畝地了，你還白賺三萬塊。你說，你是不是得了便宜？再說，成了市民，就是城里人了，城里的錢多的是，只要彎一彎腰就能撿到錢。彎腰你會不會？小伙子把我給說樂了，我知道小伙子剛分配工作就趕上了拆遷這種硬任務。看到小伙子，我就想起了我的孫子小本，心一下子軟了。說實話，誰愿意拆遷呢，故土難離呀，莊戶人就是舍不得那兩間平房，那二畝薄地。

②物探地質解譯確定隧道出口富水段(如圖2)

DK49+450～DK50+335 里程段落內第一層視電阻率在50～400 Ω·m 之間，視電阻率變化范圍較大，推斷為全風化粗面巖，破碎。

DK49+335～DK50+600 里程段落內第一層視電阻率在50～400 Ω·m 之間，視電阻率變化范圍較大，推斷為全風化二長花崗巖。

DK49+450～DK50+335 里程段落內第二層視電阻率在400～600 Ω·m 之間，視電阻率較低，推斷為強風化粗面巖，破碎;DK49+335～DK50+600 里程段落內第二層視電阻率在400～600 Ω·m 之間，視電阻率較低，推斷為強風化二長花崗巖。

DK49+600～DK49+848 段隧道洞身附近巖性為粗面巖，視電阻率值在600 ～1 000 Ω·m 之間，弱風化基巖，巖體較完整，弱富水。

DK49+848～DK50+265 段隧道洞身附近巖性為粗面巖，視電阻率值在400 ～600 Ω·m 之間，強風化基巖，巖體破碎，富水，易涌水、塌方。

DK50+265～DK50+335 段隧道洞身附近巖性為粗面巖，視電阻率值在300～600 Ω·m 之間，節理裂隙發育，巖體破碎，富水，易涌水、塌方。

DK50+335～DK50+476 段隧道出口附近巖性為花崗巖，視電阻率值在400 ～1 000 Ω·m 之間，強風化基巖，巖體破碎，強富水，易涌水、塌方。

3.2 音頻大地電磁法探測

采集成果見圖3(圖片中縱向為里程標)。

(2)地質解譯

第一層視電阻率值在10～600 Ω·m 之間，視電阻率變化范圍較大，其主要巖性為強風化二長花崗巖和粗面巖，巖體破碎，厚度為15～50 m。

DK46+450～DK46+598 段隧道洞身附近巖性為弱風化花崗巖，視電阻率值在1 000 ～6 000 Ω·m 之間，巖體較完整，弱富水。

DK46+598～DK46+912 段隧道洞身附近巖性為弱風化花崗巖，視電阻率值在1 000 ～3 000 Ω·m 之間，弱風化基巖，巖體較破碎，中等富水，易涌水、塌方。弱風化基巖，巖體較完整，弱富水，施工性質一般。 在巖性接觸帶DK47+155 附近，節理較發育，巖體破碎，中等富水，易涌水、塌方。

DK47+500～DK47+700 段隧道洞身附近節理裂隙發育，視電阻率值在1 000 ～2 000 Ω·m 之間，巖體較破碎，中等富水，易涌水、塌方。

DK47+700～DK47+843 段隧道洞身附近為為粗面巖，視電阻率值在800 ～2 000 Ω·m 之間，結合地質資料推斷為節理裂隙發育帶，破碎，富水，易涌水、塌方。

DK47+843～DK48+234 段隧道洞身附近巖性為弱風化粗面巖，視電阻率值在2 000 ～4 000 Ω·m 之間，弱風化基巖，巖體較完整，弱富水。

DK48+234-DK48+615 段隧道洞身附近節理裂隙發育，視電阻率值在200 ～2 000 Ω·m 之間，巖體較破碎，中等富水，易涌水、塌方。

DK48+615～DK48+860 段隧道洞身附近巖性為弱風化粗面巖，視電阻率值在2 000 ～4 000 Ω·m 之間，弱風化基巖，巖體較完整，弱富水。

DK48+860～DK48+990 段隧道洞身附近節理裂隙發育，視電阻率值在500 ～2 000 Ω·m 之間，巖體較破碎，中等富水，易涌水、塌方。

DK48+990～DK49+230 段隧道洞身附近巖性為弱風化粗面巖，視電阻率值在2 000 ～4 000 Ω·m 之間，弱風化基巖，巖體較完整，弱富水。

DK49+230～DK49+500 段隧道洞身附近節理裂隙發育，視電阻率值在200 ～2 000 Ω·m 之間，巖體較破碎，中等富水，易涌水、塌方。

DK49+500～DK49+600 段隧道洞身附近巖性為弱風化粗面巖，視電阻率值在2 000 ～4 000 Ω·m 之間，弱風化基巖，巖體較完整，弱富水。

圖3 隧道洞身視電阻率(單位：Ω·m)

DK46+912～DK47+155 段隧道洞身附近巖性為弱風化花崗巖，視電阻率值在2 000 ～4 000 Ω·m 之間，弱風化基巖，巖體較完整，弱富水。

DK47+155～DK47+500 段隧道洞身附近巖性為弱風化粗面巖，視電阻率值在2 000 ～4 000 Ω·m 之間，

(3)物探地質解譯確定隧道富水段

DK47+500 ～DK47+700、DK47+700 ～DK47+843、DK48+234 ～DK48+615、DK48+860 ～DK48+990、DK49+230～DK49+500 段隧道洞身附近視電阻率值相對較低，巖體破碎，富水，設計與施工時應注意防止涌水、塌方等地質災害的發生。

3.3 地質鉆孔驗證

(1)根據高密度電法成果，推斷DK49+450 ～DK50+335 里程段落內為強風化粗面巖，破碎。 在DK49+545 布置1 個鉆孔，鉆探揭露圍巖為花崗巖，巖質堅硬，巖體較完整，含鐵質。 鉆探揭露顯示，物探解譯與實際地質不符(見圖4)。

圖4 鉆探巖芯

(2)根據音頻大地電磁法物探成果，DK49+230 ～DK49+500 段隧道洞身位于視電阻率值低阻異常帶和梯度變化段，物探推斷該處巖體破碎且富水。 在DK49+400 處布置1 個地質勘探孔，鉆探揭露顯示30～40 m 為花崗巖強風化，巖體破碎呈碎塊狀。 綜合測井結果顯示為低阻，聲速均值為3 086 m/s，孔徑基本正常，推斷該段巖體較破碎，裂隙較發育。 抽水試驗也顯示該處地下水較豐富，每天單井涌水量為128 m3。綜上所述，鉆探揭露的圍巖情況和地下水情況與物探解譯結果相吻合(見圖5 和圖6)。

圖5 30～35 m 巖芯樣品

圖6 35～40 m 巖芯樣品

4 結論及建議

(1)在隧道進口段，高密度電法探測的低阻異常帶，鉆探結果顯示為花崗巖侵入，由于鐵質含量高，表現為低阻異常，且巖體較完整，弱富水。 隧道出口段，鉆探結果顯示的低阻異常帶內為花崗巖差異風化帶，巖體破碎、富水，也表現為低阻異常。 因此，高密度探測的低阻異常不能與富水段直接對應，需要詳細分析地層差異，尤其注意地層含鐵時也會造成低阻異常這一特殊情況。

(2)音頻大地電磁法一般適用于洞身埋深較大段落的探測，由于采樣間距較大，分辨率低于高密度電法，若其等值曲線表現為向下凹時，則可能為巖體破碎的富水段，此視電阻率特性往往在解譯時容易被忽視。

(3)隧道勘察前要做好策劃工作，應根據不同埋深選擇不同物探方法，以提高探測分辨率。 數據解譯時，應結合區域地質及相關經驗，并輔以必要的鉆探驗證。