綜合物探技術在城市山嶺隧道勘察中的應用研究

閆強剛，何壽迎，何松

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島巖土工程技術中心，山東 青島 266032)

1 引 言

隨著國民經濟的發展，我國城市軌道交通工程建設的步伐不斷加快，據不完全統計，目前已有40余個城市開展了城市軌道交通工程的建設工作。由于城市軌道交通工程向近郊延伸，城市山嶺隧道逐漸增多。巖土工程勘察作為城市軌道交通工程提供基礎資料的一個重要環節，越來越受到高度重視。現行的國家、行業規范、規程均強調在勘察過程中要采用綜合勘探的方法，以確保勘察成果資料的可靠性[1～3]。在地質環境復雜尤其是地形起伏劇烈、隧道埋深大，造成巖土工程勘察工作受到局限的情況下，在隧道掘進施工過程中，有必要在開挖面進行多手段聯合超前地質預報工作，提供詳細的地質特征來指導施工建設[2，4]。綜合勘察方法就是根據地形、地質條件、勘察階段、工程類型等，采用多種勘察手段密切配合，使取得的地址資料相互驗證、取長補短[5]。在山嶺隧道中，大多以遙感結果為指導，大面積地質調繪、水文地質調查等為基礎，利用綜合物探解譯成果結合必要的地質鉆探，綜合測試，并通過綜合分析、研究，以達到提高巖土工程精度的要求。黃勇[6]在蘭渝鐵路木寨嶺特長隧道工程中，采用多種勘察手段，發揮遙感的宏觀控制作用，以地質調繪為基礎，利用綜合物探的解譯，輔以鉆孔加以驗證，在實際工作中收到了很好的效果。鄭國棟[7]在某工程中采用多種物探技術結合鉆探手段揭示場地地層結構及其分布變化規律，尤其是碎卵石層的埋藏分布情況取得成功的案例。祁曉燕[8]以風力發電場工程勘察為例，介紹了綜合勘察技術在不同的地形地貌、地層和水文地質條件中的應用。李軍等[9]利用高密度電法與高頻大地電磁法對湘桂鐵路石山嶺隧道進行探測研究，很好地查明了斷層構造的發育情況。李慎崗[10]在蘭渝鐵路長壽山隧道勘察中采用了遙感、大面積地質調繪、物探、鉆探、綜合試驗、測試等綜合勘察技術。

當然，綜合勘察技術也不是手段越多越好，而應具體問題具體分析，各種技術手段密切配合，優勢互補，綜合研究，以最優的技術組合、最少的工作量布置，取得最好的勘察效果。本文以青島藍色硅谷城際鐵路隧道工程為例，介紹綜合勘察技術的應用研究情況。

2 藍色硅谷城際鐵路隧道工程的特點

2.1 工程概況

青島市藍色硅谷城際鐵路工程是位于東岸城區東部的一條南北向軌道交通快線，線路全長 58.44 km。嶗山隧道位于北九水站～王哥莊站區間中部，現狀濱海公路仰口隧道西側，隧道兩端與路基段相接，兩端車站為高架車站，嶗山隧道為藍色硅谷城際鐵路工程的關鍵控制節點。隧道起點K31+735位于大嶗村，終點K36+315位于黃泥崖村，全長 4 580 m，屬山嶺長隧道。隧道擬采用單洞雙線，斷面寬約 12 m、高約 9 m，擬采用鉆爆法施工。藍色硅谷線全線路布展情況如圖1所示。

圖1 藍色硅谷線布展圖

2.2 地質特點

(1)地形地貌復雜

隧道場區地貌單元為中低山，地形起伏較大，地面標高 30 m～500 m，局部為山間溝谷地貌單元。場區山體受構造抬升而隆起，侵蝕剝蝕作用強烈，山峰尖峭，多呈尖脊狀，沿北西向構造侵蝕谷地十分發育，植被密集，多懸崖峭壁。隧道根據埋深可分為兩段：隧道中部K31+940～K35+630為深埋段，埋深 35 m～290 m；隧道起點K31+735～K31+940、K35+630～隧道終點K36+315為淺埋段，埋深小于 35 m。

圖2 青島市構造綱要圖

(2)地質構造特點

場區巖性主要為中生代燕山晚期侵入巖。場區構造屬區域華夏式構造體系低級別、低序次、伴生與派生的構造成分。對本工程影響最大的為劈石口斷裂，該斷裂位于隧道東南側約 300 m。該斷裂自三標山南經嶗山張村至浮山所，全長約 28 km，斷裂帶走向40°～45°，傾向北西，傾角約80°。結構面力學性質以壓性～壓扭性為主。上下盤均為燕山晚期花崗巖，沿斷裂帶發育煌斑巖及正長巖巖脈。斷裂寬幾米～幾十米，以碎裂巖為主，可見糜棱巖。青島市構造發育情況如圖2所示。

(3)地層巖性

隧道場區結晶巖系為元古代侵入巖，缺失古生代地層，分布中生代燕山晚期侵入巖。新生代地層主要發育有第四系山前組、泰安組及人工填土。

3 綜合物探技術在藍色硅谷城際鐵路隧道工程的應用

針對藍色硅谷城際鐵路隧道工程位于山區，線路長、深埋大且地形、地質復雜的特點，結合前人的研究成果和應用效果分析，確定勘探方法的原則是采用多種勘探手段密切配合，在廣泛收集資料、認真研究場區遙感影響的基礎上，深化工程地質調繪工作，根據地質調繪的結果修正后續工作布置，以物探測試為主與鉆探驗證相結合，以最少的勘察工作量達到最佳的勘察效果。

3.1 遙感技術

遙感技術在山嶺隧道的勘察中具有很重要的作用。利用遙感影像的宏觀性、穿透性、全面性，可以迅速查清區域地質構造特征。隨著遙感技術的發展，遙感影像的分辨率越來越高，場區的地質構造特征既直觀又清晰。在本工程中，我們調用青島市勘察測繪研究院不同時期的衛星影像和航空影像圖進行了分析研究，最后以高分辨率的衛片和航片判譯成果指導了地面地質調繪工作，大大提高了勘察效率，取得了很好的效果。

3.2 大面積地質調繪

在全面收集、研究區域地質、第四紀地質、區域地質構造、水文地質、地震以及新構造運動資料的基礎上，充分利用遙感影像判譯成果，對線路開展 1∶1 000工程地質調繪工作，調繪范圍為線路兩側 100 m。對進出洞口部 100 m～200 m范圍內進行 1∶500工程地質調繪工作。對于對工程設計、施工有影響的工程地質現象，結合素描圖、照片、節理玫瑰花圖、赤平投影圖等進行重點記錄分析。查明了進出洞口部的地形地貌、地層、巖體、構造及地下水的基本特征和分布規律，查明了不良地質作用的分布范圍和對工程的影響。在此基礎上，對物探、鉆探和測試等工作進行了優化布置。

3.3 物探技術

根據擬建隧道特征和工程需要，以查清場區構造特征，尤其是斷裂及破碎帶的分布位置、延展特征等地質信息為主要任務，在現場試驗測試的基礎上，選擇了可控源電磁方法(CSAMT)、淺層折射波法、高密度電法和地質雷達4種物探手段，以達到相互補充，突出重點的目的。在深埋段(K31+940～K35+630)工作區地形起伏較大，局部通行條件不佳，如高分辨率的地震勘探等受地形影響較大，難以取得分辨率可觀的數據，應用受到限制，采用CSAMT方法；在淺埋段(K31+735～K31+940、K35+630～K36+315)隧道口位置，埋深相對較淺且工程施工風險較大，所以選用探測精度較高的方法厘清構造發育情況，布設了電阻率剖面及淺震方法；在隧道出口附近的新近堆積塊石土位置，由于鉆探的局限性較大，布置了地質雷達對其厚度進行了探測。

(1)CSAMT法

可控源音頻大地電磁測深法CSAMT法最早由加拿大多倫多大學的D.W.Strangway教授和他的研究生Myron Goldtein于1971年提出[11]，最大探測深度接近 2 km，遠超其他物探方法是該方法的突出優點。本次勘察，在深埋段(K31+940～K35+630)布置CSAMT法測線2條。CSAMT測線電阻率橫向變化較大，呈現高低阻相間的格局；縱向電阻率變化不大。電阻率值介于 200 Ω·m～2 000 Ω·m之間，其中，低電阻率區域主要分布于溝谷地區及構造節理發育部位，反映了地層巖性及構造特征。高電阻率區域分布較廣，反映了地層巖性主要為較完整的花崗巖等。揭露的隧道沿線視電阻率普遍表現為低阻特征明顯，推測其由于斷裂或者節理發育，導致地層充水，造成電阻率減低，形成電阻率凹區。圖3為測量反演視電阻率斷面圖。通過該方法揭露斷裂13條(F1～F13斷裂)，對于工程施工而言，應對13條斷層區別對待。其中，F1、F3、F4、F5及F11等5條較為重要的斷裂，存在透水崩塌的可能性較大，應加強監測，保證施工安全。

圖3 CSAMT測量反演視電阻率斷面圖

(2)淺層折射波法

淺層地震中的折射方法是常規的地震勘探方法，它是基于人工地震源產生地震波，在速度差異較大的地層界面上產生折射，在外業地震記錄上拾取折射波初至，進行分析，以探測目標體的速度差異為前提進行的[12]。該方法采集數據信息量大，可以進行成像計算，成圖直觀性強。根據以往的探查經驗證明該方法對速度差異大的地質體具有很強的探查能力。

根據測量解譯，該測線區段基巖面很淺，區段覆蓋層厚度均小于 1.0 m，測線尾端 60 m范圍內較深，達 1.5 m。基巖中縱波速度較高，介于 3 200 m/s～4 200 m/s，其波速稍低于隧道南入口波速；在測線 K35+965 m～K35+970 m及 K36+118 m～K36+122 m范圍內，巖體波速較低，約為 2 400 m/s，時距曲線上地震波走時增大且出現跳躍，推斷為斷層破碎帶，其他區段巖體相對均勻。圖4為隧道北出口測線DZ2時距曲線(上)與波速斷面圖(下)。

圖4 隧道北出口測線DZ2時距曲線(上)與波速斷面圖(下)

(3)高密度電法

高密度電阻率法是在常規電法基礎上發展起來的新型物探方法，以巖土介質的導電性差異為基礎，通過觀測和研究人工建立的地下穩定電流場的分布規律從而來解決地下地質問題[13]。其原理與普通電阻率法相同，所不同的是在觀測中設置了高密度的觀測點，增加了空間供電和采樣的密度，提高了縱橫向分辨能力和工作效率。

從成果圖上可以看出，DZ2斷面視電阻率等值線中部具有一處明顯的高阻異常區，并在相鄰的右側存在一處形狀較規則的低阻異常區，低阻異常極值位于地表以下 22 m處。其他低阻異常區規模均較小。其中，DZ2測線 25 m～30 m區段深部的高阻區域推測為致密巖體，其淺部等值線出現下凹趨勢，推測為基巖頂面風化層或者節理所致。42號點異常區范圍較大，且低阻極值較明顯，推測為破碎賦水部位或煌斑巖侵入脈巖。DZ2視電阻率斷面圖如圖5所示。

圖5 DZ2視電阻率斷面圖

結合電法和地震的勘查資料，淺層折射波法推測的斷裂與高密度電法所解譯的斷裂對應比較好的為F16、F17和F18，尤其是F16、F17及F18斷裂為重點關注斷裂或者不良地質體發育部位，在工程施工中存在安全隱患，主要體現在巖體碎裂或者裂隙發育導水，應在施工前進行查實，保證施工順利開展。

(4)地質雷達

地質雷達應用于工程地質勘察中是利用高頻電磁波(主頻為數十兆赫至數百兆赫至上千兆赫)以寬頻帶短脈沖形式，由地面發射天線T向地下發射，碰到地下地層或目的體(物性有差異)經反射后，利用地面接收天線R接收并經數字化處理，送入計算機內存貯、顯示。雷達圖像常以脈沖反射波的波形形式記錄，根據雷達圖像可以判斷出地下地層的變化及目標體的形狀。

共布置地質雷達布置測線11條。從地質雷達探測的結果看，第四系與基巖界面明顯，結合鉆探結果分析：場區基巖強風化帶較薄，在地質雷達剖面中未明顯體現；中風化帶與微風化帶界限不明顯，由中風化帶至微風化帶呈漸變走勢，雷達剖面中未明顯體現；場區基巖有花崗巖、片麻巖等多種巖性巖石，相同風化程度的不同巖性巖石性質較接近，在地質雷達剖面中其界限反應不明顯。

4 工程地質鉆探

4.1 鉆探驗證

鉆探是地質勘察中最常用、直接、可靠而有效的手段[14]，可以直接獲取巖芯，從而直觀反映地層巖性、厚度、完整性、破碎程度、含水情況以及穩定水位等工程地質和水文地質參數。在遙感判譯、野外地質調繪和物探測試成果的基礎上，結合規范要求，本次鉆探工作布置如下：①隧道淺埋段(K31+735～K31+940、K35+630～K36+315)埋深較淺，在充分利用現有資料的基礎上，左右交錯按 30 m間距共布置勘探孔25個。②隧道深埋段(K31+940～K35+630)洞身整體埋深較大，在充分利用前面成果的基礎上，兼顧區間風井，經綜合考慮布置勘探孔6個。③在斜井洞口處布置勘探孔1個，在斜井洞身中部推測的斷裂發育處布置勘探孔1個，以查明該斷裂特征、洞身圍巖破碎程度、圍巖透水性等工程地質條件。

4.2 綜合試驗、測試

結合布置的鉆探工作，分別在鉆孔內外布置了一系列的試驗、測試工作。孔內測試主要包括原位測試、水文地質測試、綜合測井[15]、孔內電視等。孔外主要對巖土(水)樣進行了一系列的物理、力學試驗測定，為設計及施工等提供詳細而可靠的地質資料。

5 綜合分析

通過在場區開展的地質測繪和工程鉆探等工作對上述物探成果進行了驗證和補充，總體分析后得到以下主要結論：①場區對隧道工程有重要影響的不良地質作用主要為斷裂發育，場區崩塌危巖體對隧道主體基本無影響。②場區北東、北西向斷裂較為發育，其內碎裂巖巖體破碎且易形成富水帶。FY1、FY5、F3～F5、F7、F11、F13、F15～F19斷裂推測其巖體破碎程度較高，透水、崩塌的可能性大，應加強監測，保證施工安全。③場區特殊性巖土主要為人工填土，尤其是隧道出口附近堆填的塊石堆，對出洞口部工程影響較大。在基巖中脈巖較為發育、煌斑巖脈中見有球狀風化現象，在隧道開挖和超前支護時應注意基巖可能具有軟硬相間、上硬下軟的特點。④隧道圍巖放射性污染主要是γ射線污染，沿線圍巖的γ射線測試結果不超過ICRP年有效劑量平均值1mSv，可不進行輻射防護。隧道圍巖無有害氣體。

6 結 論

已于2015年12月底順利貫通的青島藍色硅谷城際鐵路隧道工程，勘察成果的現場符合率高、圍巖變更少，施工開挖過程沒有遇到突發性的不良地質情況。通過對勘察及施工過程情況進行總體分析，可以得到以下結論：

(1)野外工程地質調繪的詳盡程度在很大程度上決定了物探和鉆探工作量的布置，在山嶺隧道的勘察工作中必須充分深化野外地質調繪工作。隨著遙感技術的發展，高分辨率的影像資料的利用可以極大提高野外工程地質調繪的效率。

(2)對于下伏基巖的塊石土堆積區域，地質雷達對于探測填土厚度具有較好的適應性。地下水賦存狀態在花崗巖地區基本與斷裂破碎帶的特征相一致，反映在電阻率參數表現為低阻異常。而波速信息對于地下水的反映相對很弱，基本表現為波速降低。

(3)結合電法和地震的勘查資料，淺層折射波法推測的斷裂與高密度電法所解譯的斷裂對應比較好的為F16、F17和F18，其中F17、F18為高密度電法探測破碎程度較發育的兩條斷裂。可見，高密度電法對電阻率變化非常敏感，能夠識別規模較小的電性異常體，地震方法對波阻抗變化較敏感，兩者聯合可以從不同角度揭示地下介質的分布特征。

(4)正式測定前，各物探手段必須重視現場物性測量及試驗工作，以確定合理的相關測試參數。

(5)物探結果具有多解性，地形、地貌以及地質環境等因素都影響著物探技術的應用和成果的解譯，在對物探技術與場區特點適應性研究的基礎上再布置物探工作，做到多種測試手段各展所長、優勢互補，才能更好地發揮物探技術的作用，提高勘察效率，減少鉆探等工作量。

(6)綜合勘察技術的運用，是復雜隧道工程巖土工程勘察的必要手段，必須聯合運用，才能保證勘察成果資料的準確性。