巖溶區特大斷面小凈距隧道群綜合探測成果分析

劉遠鵬，鄧榮斌，王子茂，張衛中，康欽容，李夢玲

1. 中鐵隧道集團二處有限公司，河北 三河 065201；2. 重慶鐵公基工程安全檢測技術有限公司，重慶 400050；3. 武漢工程大學興發礦業學院，湖北 武漢 430074

特大斷面隧道的建設，在隧道的開挖技術［1-2］及施工方法［3-4］、力學行為［5-6］、隧道襯砌結構［7］、隧道的斷面形式［8］、初期支護結構模式［9］、支護參數等方面出現了新的、更高的要求。淺覆土條件下小凈距平面［10］與立體交叉特大斷面［11］暗挖隧道群結構形式復雜，做好該類隧道勘察工作，對指導隧道設計施工尤為重要。高密度電阻率法［12］是一種重要的工程物探方法，是集電探測和剖面法于一體的一種多裝置、多極距的組合方法。其基本原理［13］是以地質體的電性差異為基礎，通過觀測和研究與這些差異有關的電場或電磁場在空間和時間上的分布特點和變化規律來查明地下地質構造的地球物理方法，并廣泛運用于地下水的分布特征［14］、含水構造［15］、采空區探測［16-17］等方面。本文應用高密度電阻率法、工程地質調查等定量與定性的綜合分析方法，開展小凈距與特大斷面等復雜巖溶環境下隧道群物探勘察的研究。

1 研究區地質概況及地球物理特征

1.1 研究區地質概況

研究區處貴州高原中部，地表形態主要受溶蝕構造作用的影響，地貌類型主要為緩丘谷地，地形起伏和緩，丘體圓滑，谷地較寬闊。地處揚子準地臺黔北臺隆遵義斷拱貴陽復雜構造變形區與黔南臺陷貴定南北向構造變形區的交接部位，以北西向褶皺斷裂為主。區域內海拔在1 214.02～1 306.45 m 之間，線路軸線通過地面高程為1 246～1 316.8 m，相對高差70.8 m。

貴安騰訊數據中心位于貴安新區馬場科技場內，占地約0.517 333 km2，在研究區棲鳳坡山體內設置8 條隧道，隧道總長1 478.67 m，單洞寬6.9～20.5 m，高8.15～16.8 m。山體內隧道群主要具有小凈距、特大斷面等特點，隧道群整體平面布置見圖1。A1 隧道起終點里程為A1K0+020～A1K0+291.09，B1 隧道起終點里程為B1K0+060～B1K0+292.5，B2 隧 道 起 終 點 里 程B2K0+040～B2K0+316.4，B3 隧 道 起 終 點 里 程B3K0+040～B3K0+316.4，B4 隧 道 起 終 點 里 程B4K0+040～B4K0+316.4，B5 隧 道 起 終 點 里 程B5K0+040～B5K0+316.4，B6 隧 道 起 終 點 里 程B6K0+025.3～B6K0+079.0。

1.2 地球物理特征

1.2.1 覆蓋層 綜合地質調查及鉆探資料，場地覆蓋層主要是紅黏土（Qel+dl），黃褐色，具有上硬下軟、失水收縮的特性，但其承載力相對較高，場地紅黏土復浸水性為Ⅰ類，即收縮后復浸水膨脹，能恢復到原位。場區均有分布，厚度為0～3 m。

圖1 隧道群整體平面布置圖Fig.1 Overall layout drawing of tunnel group

1.2.2 基巖 研究區下伏基巖為三疊系下統安順組（T1a）薄～中厚層狀白云巖夾泥質白云巖，巖層綜合產狀為290°～300°＜6°～15°。區內無斷層出現，巖層連續、穩定，受構造影響巖體節理發育，節理產狀185°～215°＜65°～70°和295°～305°＜65°～75°為主，為密閉型節理，節理間距為20～350 mm，延伸長度在1.0～8.0 m 不等，切割深度在1.0～5.0 m 不等，節理面較平直，一般為泥質、碎屑充填，結合很差。

強風化層：灰黃色，薄至中厚層狀，節理裂隙發育，巖體破碎，呈碎石狀松散結構，巖質軟，巖芯呈塊狀、碎塊狀，據鉆探揭露厚度為1.0～5.8 m。

中風化層：灰白色、褐色，薄～中厚層狀，節理裂隙發育，巖體較破碎～較完整，巖芯呈塊狀及柱狀。泥質白云巖夾層厚度為2～10 cm，平均厚度約4 cm，因巖體節理裂隙發育，局部泥質白云巖層面風化嚴重，有泥化現象。

1.2.3 地球物理參數 根據測區野外巖土體主要物理量測量結果，測區黏土電阻率為20～100 Ω·m，而受風化及裂隙影響的白云巖夾泥質白云巖電阻率為50～4 000 Ω·m。場區地形起伏大于25°，按照地形條件分類標準為Ⅳ類地形。場區荊棘較發育，按照障礙條件分類標準為Ⅳ類障礙。

為了查明研究區內覆蓋層、風化層厚度及巖溶發育等地質情況，高密度電阻率法物探工作量見表1，物探測線布置參數見表2。

表1 高密度電阻率法物探工作量Tab.1 Geophysical prospecting workload of high density resistivity method

表2 物探測線布置參數Tab.2 Layout parameters of geophysical prospecting detection line

2 高密度電阻率法物探研究

2.1 工作原理

高密度電阻率法是一種重要的工程物探方法，是集電探測和剖面法于一體的一種多裝置、多極距地組合方法，具有觀測精度高、數據采集量大、地質信息豐富、速度快、探測深度靈活、數據采集自動化的特點，其工作原理如圖2 所示。

圖2 高密度電阻率法工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of high density resistivity method

根據工作任務的要求、工地的地質條件及各種裝置的特點，高密度電阻率法以溫納四級為主，以獲得最大的測量電位。在A、B 兩點供電、任意M/N 點測量其間的電位差，來反算地下介質的電阻率，其電極排列圖如圖3 所示。其中，各點產生的電位與其參數之間的關系如式（1）所示。

圖3 溫納四級測量裝置電極排列圖Fig.3 Electrode arrangement diagram of Wenner four-stage measuring device

式（1）中，Uij為i點供電在j點產生的電位；ρ為均勻大地電阻率；I為供電電流；rij為電極距（供電i與測量點j的距離）。

若AM、MN、BN 之間的間距相等，即rAM=rMN=rBN=a，地表A 點供電在M、N 點處的電位表達式和地表B 點供電在M、N 點處的電位表達式：

MN 間的電位差為

令電極排列系數K=4πa，則視電阻率

2.2 成果分析

2.2.1 解釋方法 對采集得到的數據，先使用Surfer 軟件和二維電阻率反演成像軟件的數據處理功能進行預處理，同時輸入測線地面高程數據，作地形校正，再據經驗在軟件中合理設置解釋所必須的參數。運行軟件進行反演解釋，在解釋過程中隨時調整參數，以便使結果真實合理，計算結果用視電阻率等值線圖和視電阻率反演色度圖表現，兩者結合，綜合解釋。

2.2.2 成果分析及地質解釋 根據勘探結果及實際分析，勘探深度在30～55 m之間。以DF1～DF1’測線為例，DF1～DF1’測線視電阻率等值線圖和視電阻率反演色度圖如圖4 所示，其中圖4（a）中橫坐標表示測線距離，縱坐標表示深度，色度條不同顏色對應不同視電阻率，圖4（b）縱坐標表示高程。測線內覆蓋層厚度在0～1.3 m 之間，強風化層厚度在4.0～21.0 m 之間，基巖表面溶溝溶槽發育。其中，B1K0+123 深16 m 巖溶裂隙發育，推測可能存在溶洞；B1K0+125～B1K0+246 發育一條豎向裂隙，推測可能存在溶洞。

研究區9 條物探測線參數及測量結果見表3。

圖4 DF1～DF1’測線：（a）視電阻率等值線圖，（b）視電阻率反演色度圖Fig.4 DF1-DF1’detection line：（a）chorisogram of apparent resistivity，（b）inversion chromaticity diagram of apparent resistivity

3 鉆孔驗證

3.1 聲波測試成果

本次勘察在隧道測試了26 個鉆孔的彈性縱波聲波，根據巖樣測試及各鉆孔波速結果計算出巖石完整性指標，確定了巖體的完整性，測區巖體聲波分析如表4 所示。

根據表4 和巖石室內實驗分析結果及GBT50218-2014 工程巖體分級標準中巖體完整性系數與巖體完整程度的對應關系可知：B1～B5隧道進口及淺埋段白云巖夾泥質白云巖完整性系數值主要集中在0.34～0.42，巖體較破碎；A1 隧道進口、B1～B5 隧道出口及淺埋段白云巖夾泥質白云巖完整性系數值大部分分布在0.56～0.59，稍微偏向巖體較完整；隧道整體圍巖完整性系數值主要集中在0.49～0.64 之間，屬于堅硬巖。

表3 物探測線參數及測量結果Tab.3 Parameters and measurement results of geophysical exploration detection line

據地表巖溶情況、物探異常情況綜合分析顯示，場區存在的不良地質主要為巖溶，已施工的37 個鉆孔中，有2 個遇溶洞/裂隙，鉆孔遇洞率5%，綜合地質調繪及鉆孔狀況，場地巖溶發育程度為微發育，現場鉆孔情況見表5。

表4 測區巖體聲波分析Tab.4 Acoustic analysis of rock mass in detection area

3.2 物探成果與鉆孔成果比較

從物探分析結果與鉆孔情況來看，鉆孔實測有2 個遇溶洞/裂隙，且巖層節理裂隙發育，巖體破碎，與聲波測試計算所得的巖體完整性系數Kv分析結果一致。最終所得的物探成果與鉆孔實際測得的地下地質體信息吻合，故高密度電阻率法探測結果可以作為隧道設計、施工的初步依據。

4 結 論

根據高密度電阻率法的物探結果及現場實際鉆孔對比結果，可得到以下結論：

1）隧道區圍巖為可溶巖，巖溶微發育，隧道圍巖完整性系數主要集中在0.49～0.64 之間。由于巖溶發育具有隱蔽性及無規律性，采用高密度電阻率法可以準確地了解巖溶分布情況。

表5 現場鉆孔情況Tab.5 Drilling conditions on site

2）從工程地質調查及鉆孔驗證結果與隧道群高密度電阻率法探測分析結果對比可知，鉆孔過程中，有2 個遇溶洞/裂隙，鉆孔遇洞率為5%，故高密度電阻率法勘探與聲波測試得到的地下地質體信息吻合。

3）研究結果表明綜合物探成果很好地解釋了隧道群圍巖的地質情況，因此高密度電阻率測試分析方法結合鉆探聲波測試綜合研究成果可以作為巖溶區特大斷面小凈距隧道群設計、施工的初步依據。