綜合物探方法在隧道工程勘察中的應用

劉亮紅

摘要：在交通線路設計勘察中，查明隧道段覆蓋層的厚度、隧道洞身位置地震縱波波速度、斷裂構造等不良地質體的分布，是隧道工程物探勘察的主要地質任務。物探方法中的地震折射法、高密度電法，大地電磁測深法（EH-4）等是隧道工程物探中常用而有效的物探方法。本文介紹地震折射法與高密度電法、大地電磁測深法（EH-4）相結合的綜合物探方法在隧道勘察中的應用效果。

Abstract： In the design and survey of traffic routes， it is the main geological task of tunnel engineering geophysical exploration to find out the thickness of the tunnel section， the seismic longitudinal wave velocity of the tunnel body and the distribution of unfavorable geological bodies. The seismic refraction method， high-density electric method and magnetotelluric sounding method （EH-4） in geophysical methods are commonly used and effective geophysical methods in tunnel engineering geophysical exploration. This paper introduces the application effect of integrated geophysical methods combined with seismic refraction and high-density electrical method and magnetotelluric sounding method （EH-4） in tunnel survey.

關鍵詞：隧道勘察;覆蓋層;斷裂構造;地震折射法;高密度電法;大地電磁測深法（EH-4）

Key words： tunnel survey;cover layer;fault structure;seismic refraction method;high-density electrical method;magnetotelluric sounding method （EH-4）

中圖分類號：U45? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）26-0132-03

0? 引言

交通線路勘察中，鐵路、高速公路隧道段，查清覆蓋層（低速松散層）的厚度，可確定隧道淺埋段的范圍;查明隧道洞身段地震縱波波速、可能發育的構造破碎帶的位置、產狀等，可確定圍巖分級;這對于隧道結構的設計是至關重要的。適當應用地震折射法與高密度電法、大地電磁測深法（EH-4）相結合的綜合物探方法能取得較好的勘察效果。

1? 隧道工程物探地球物理條件

隧道工程物探中，覆蓋層是指松散低速層，包括第四系粘土層、全、強風化基巖。覆蓋層縱波平均速度較低，一般在600～1500m/s，弱、微風化基巖縱波速度一般大于2000m/s。覆蓋層與弱、微風化基巖存在較在的波速差異，覆蓋層與弱、微風化基巖間也一般存在明顯電性差異，具備地震折射法、高密度電法勘察的地球物理前提。

隧道段斷裂構造用巖溶等不良地質體發育時，因為基巖破碎至波速明顯降低，破碎含水性高而至明顯低電性;基巖巖性變化時，巖性分界線兩側往往有明顯波速或電性差異。具備應用地震折射波、高密度電法、大地電磁測深法（EH-4）勘察斷裂構造等不良地質體及確定巖性分界的地球物理前提。

2? 綜合物探方法技術

2.1 地震折射法

地震折射法是地震勘探方法中應用較早、運用較普遍的方法，它是以人工震源在地下介質中傳播時發生的折射，根據折射波到達各道檢波器的時間，分析處理后獲得地下介質分層厚度、波速等物性參數。地震波在地下傳播中，當地層巖石的彈性參數發生變化，從而引起地震波場發生變化，通過人工接收變化后的地震波，經數據處理，解釋后即可反演出地下地質結構及巖性。

隧道工程勘察中地震折射法，通常采用相遇追逐觀測系統，24道接收，檢波點距5m，炸藥震源激發，排列兩端追逐炮偏移距應大于兩端折射盲區范圍。

2.2 高密度電法

高密度電法兼具電阻率剖面法與測深法的功能，其數據采集密度大、精度高的斷面測量結果能較直觀地反映及電性異常體的形態及縱、橫向展布情況。因此，高密度電法廣泛應用于隱伏區基巖斷裂構造勘查、隱伏巖溶勘察等。

隧道工程勘察中，高密度電法一般采用對稱四極裝置，基本極距5～10m。

2.3 大地電磁測深法（EH-4）

EH-4全稱為EH-4連續電導率剖面儀，是一套應用大地電磁法原理的雙源型電磁系統。EH-4連續電導率剖面儀可使用人工電磁場和天然電磁場兩種場源。既具有有源電探法的穩定性，又具有無源電磁法的節能和輕便，接收頻點多，具有較高的分辨率，可探測具一定電性差異的地質構造和地層分層。

3? 應用實例

3.1 某鐵路隧道進口段綜合物探勘察

區域地質資料反映：某鐵路隧道進口段基巖巖性為粉砂巖、砂質板巖，巖性接觸關系為斷層接觸。地質任務是查明巖性分界線即斷層接觸帶位置。

3.1.1 地震折射法資料

此測段進行地震折射法時距曲線顯示，第6排列第18道至第7排列第3道，基巖波速為2450m/s，小里程段基巖波速為3250m/s，在里程段基巖波速為3800m/s（見圖1）。

依據地震折射法時距曲線推斷：第6排列第18道至第7排列第3道為低速異常段。該測段設計隧道洞身與地面高程差小于100m，因此以此段為中心布置了高密度電法剖面。

3.1.2 高密度電法資料

高密度電法視電阻率斷面資料顯示：高、低阻區接觸面位置與折射低速異常段吻合，接觸面傾向小里程。小里程段為相對低阻區，依據基巖波速與電性推斷基巖為粉砂巖;大里程段高阻區為砂質板巖區（見圖2）。

3.1.3 綜合解釋

綜合地震折射資料與高密度電法資料，編制了該測段綜合地質斷面圖。覆蓋層底部未至設計洞身深度，此測段無淺埋段。此測段為粉砂巖與砂質板巖巖性分界段，為斷層接觸，斷層傾向小里程方向（見圖3）。根據巖性與速度等資料，推定斷層位置圍巖級別為Ⅴ級，兩側圍巖為Ⅲ級。

3.2 云南某公路隧道洞身段綜合物探勘察

地質資料反映，本測段基巖巖性為泥質粉砂巖。地質任務是查明基巖巖性和可能發育的斷裂構造位置。

3.2.1 地震折射法資料

此測段進行地震折射法時距曲線顯示，第5排列第22道至第6排列第3道，基巖波速為2450m/s，小里程段基巖波速為3850m/s，在里程段基巖波速為3650m/s（見圖4）。

依據地震折射法時距曲線推斷：第5排列第22道至第6排列第3道為低速異常段。該測段設計隧道洞身與地面高程差小于100m，因此以此段為中心布置了高密度電法剖面。

3.2.2 高密度電法資料

高密度電法視電阻率斷面資料顯示：高、低阻區接觸面位置與折射低速異常段吻合，接觸面傾向小里程。小里程段為相對低阻區，依據基巖波速與電性推斷基巖為粉砂巖;大里程段高阻區為砂質板巖區（見圖5、圖6）。

3.2.3 綜合解釋

綜合地震折射資料與高密度電法資料，編制了該測段綜合地質斷面圖。覆蓋層底部未至設計洞身深度，此測段無淺埋段。此測段為粉砂巖，斷面中段發育一傾向大里程方向斷裂構造。根據巖性與速度等資料，推定斷層位置圍巖級別為Ⅴ級，兩側圍巖為Ⅲ級。

3.3 大地電磁測深（EH-4）

設計隧道洞身高程與山項高程差較大時，高密度電法勘察深度受限，斷裂構造的勘察可采用大地電磁測深法（EH-4）。

3.3.1 某公路隧道大地電磁測深（EH-4）資料

此測段地層為一套厚度較大的火山巖系，為深灰色、暗灰色英安巖、英安玢巖、凝灰巖。設計洞身與地面高程差在200～350m。地質調查資料反映本測段巖性較復雜、構造發育。物探工作的地質任務是查明斷裂構造的位置、產狀等，推斷設計洞身位置斷裂構造的發育位置。

該段EH-4視電阻率斷面反映：剖面中段有一傾向大里程方向的低阻條帶狀異常，傾角較陡，推斷為斷裂破碎帶位置（見圖7）。

3.3.2 某鐵路隧道大地電磁測深（EH-4）資料

此測段基巖為凝灰巖。設計洞身與地面高程差在150～350m。地質調查資料反映地表基巖出露段有斷裂破碎現象。物探工作的地質任務是查明斷裂構造位置、產狀等，推斷設計洞身位置，斷裂構造的發育位置。

該段EH-4視電阻率斷面反映：剖面中段有一傾向小里程方向的低阻條帶狀異常，傾角較陡，推斷為斷裂破碎帶位置（見圖8）。

4? 結語

綜合物探方法廣泛應用隧道工程物探勘察，主要的地質目的是：查明覆蓋層厚度，圈定淺埋段位置;確定基巖波速，查明構造破碎帶位置、產狀等，并依據基巖波速、構造破碎帶位置來確定圍巖級別。應用地震折射法查明覆蓋層厚度、基巖淺部低速異常段位置;應用高密度電法、大地電磁測深法（EH-4）查清構造破碎帶發育位置、產狀等。合理選擇不同的物探方法組合進行綜合物探勘察，可取得良好的勘察效果。

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