綜合物探方法在復(fù)雜環(huán)境廢棄礦區(qū)勘察中的應(yīng)用

徐旺興，趙子越

(1.福建省龍巖市城市建設(shè)投資發(fā)展有限公司，福建 龍巖 364000；2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731 )

隨著城市公共交通網(wǎng)的全面拓寬，更多復(fù)雜的工程地質(zhì)問(wèn)題需要工程科技人員去解決處理[1]，其中，針對(duì)廢棄礦區(qū)等范圍小、年代久、資料少的情況，單一物探方法的局限性就會(huì)被放大，無(wú)法準(zhǔn)確探明采空區(qū)位置和大小，將產(chǎn)生極大的安全隱患[2]。探明廢礦區(qū)的工作也是對(duì)采礦行業(yè)的完美收尾，完善的勘察資料將對(duì)后續(xù)工作起到極大幫助。為此本文利用綜合物探方法，解決廢棄礦區(qū)勘察存在的困難，通過(guò)多種方法綜合勘察分析對(duì)比，對(duì)實(shí)際施工進(jìn)行指導(dǎo)，解決地質(zhì)先驗(yàn)信息匱乏的問(wèn)題，驗(yàn)證地球物理方法在復(fù)雜地質(zhì)條件下勘察的能力[3,4]。

本文將以華蓮西路二期道路工程地質(zhì)勘察實(shí)際工作為例，其隧道工程穿過(guò)資料不完善的廢礦區(qū)，還存在富水區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)，下文將結(jié)合綜合物探方法成果進(jìn)行分析介紹。

1 工程概況

擬建的華蓮西路二期(西外環(huán)--紅田路東)道路工程總體呈東西走向，設(shè)計(jì)起點(diǎn)K0+000位于龍門組團(tuán)西外環(huán)交叉口，位于龍巖市新羅區(qū)龍門鎮(zhèn)赤水村；設(shè)計(jì)終點(diǎn)K2+454.782位于紅田路交叉口以東579.129m，位于龍巖市新羅區(qū)紅坊鎮(zhèn)下洋村，道路全長(zhǎng)2454.782m。

本次勘察的隧道工程為分離式雙線雙洞隧道，其中左線（即N線）進(jìn)出口樁號(hào)K0+200～K1+320，全長(zhǎng)1120m，凈寬10.25×5.0m（寬×高），設(shè)計(jì)標(biāo)高393.00～357.399m，設(shè)計(jì)坡度為-2.697%；右線（即S線）進(jìn)出口樁號(hào)K0+200～K1+380，全長(zhǎng)1180m，凈寬10.25×5.0m（寬×高），設(shè)計(jì)標(biāo)高387.607～355.78m，設(shè)計(jì)坡度為-2.697%；左右兩線隧道均屬長(zhǎng)隧道，2014年勘察時(shí)最大埋深95.20m，洞門型式均采用端墻式。擬建隧道為山嶺隧道，采用礦山法施工。

由于該工區(qū)位于龍巖市虎中煤礦采礦區(qū)，據(jù)調(diào)查該地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，對(duì)隧道設(shè)計(jì)、施工影響很大，且處理難度大，嚴(yán)重影響隧道安全。故采取綜合物探方法進(jìn)行勘察，為后續(xù)工作提供有力保障。

2 地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

隧址區(qū)屬低山丘陵區(qū)地貌，呈雞爪狀地形，洞身地形中部高，兩出口地段地形較低，地形起伏較大。隧道線位內(nèi)地表最大標(biāo)高476.28m,最低標(biāo)高359.68m，相對(duì)高差約116.6m。隧道進(jìn)口位于山體斜坡下部，與等高線斜交，自然斜坡坡度較緩，坡角25°～28°；隧道出口位于山體斜坡下部，與等高線斜交，自然斜坡坡度較陡，坡角52°～56°。山體植被發(fā)育，為雜草、灌木，出口段分布少量民房。洞身段分布較多采煤洞（均已廢棄），在K1+070處存在2座高壓電塔，隧道右線從中間穿過(guò)。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

據(jù)鉆探揭露、工程地質(zhì)調(diào)繪成果及對(duì)照福建省區(qū)域地質(zhì)圖表明，場(chǎng)地內(nèi)及其附近無(wú)新近形成的活動(dòng)斷裂。但根據(jù)補(bǔ)充地質(zhì)測(cè)繪，隧址區(qū)沿線見(jiàn)有較多的小型褶皺及煤層、煤洞，局部見(jiàn)有泥巖軟弱夾層。據(jù)前期勘察，隧址區(qū)煤系分布無(wú)規(guī)律性，部分地段夾泥巖，且節(jié)理、裂隙傾角大多小于75度，對(duì)隧道的穩(wěn)定性及施工影響較大。且區(qū)域內(nèi)分布有較多的斷層帶，其中對(duì)隧道影響較大的斷層有F2、F9、F10、F15、F34等5條斷層，總體走向南北，傾向東的單斜構(gòu)造，與隧道近垂直相交或大角度斜交。隧址區(qū)發(fā)現(xiàn)的斷層及破碎帶降低了隧道的圍巖級(jí)別，對(duì)隧道的穩(wěn)定性及施工影響較大。

2.3 物探條件綜合分析

隧道所穿越煤礦于2013年3月已關(guān)閉，缺失煤礦開(kāi)采情況的完整資料，此外煤礦還存在無(wú)序開(kāi)采情況；目前煤礦洞口已經(jīng)封閉，并做了破壞性處理，無(wú)法進(jìn)行礦下調(diào)查。其中，礦區(qū)內(nèi)分布較多平洞、斜井、風(fēng)井及采空區(qū)等；并分布有多種主要斷裂構(gòu)造及兩條破碎帶，洞身段分布較多采煤洞，在K1+070處存在2座高壓電塔，這都對(duì)隧道設(shè)計(jì)、施工影響很大，且處理難度大，嚴(yán)重影響隧道安全。洞身段山頂現(xiàn)改造為公園，現(xiàn)狀地面標(biāo)高約390m～428m，現(xiàn)狀地面下隧道最大埋深約56m。本次綜合物探主要目的是探測(cè)隧址區(qū)分布的斷裂構(gòu)造、褶皺核部、采空區(qū)、老窯積水等具備物性差異的部位。隧址區(qū)現(xiàn)階段洞頂上部開(kāi)挖整平改造，洞頂上部相對(duì)平整，洞身埋深減小(最大埋深約56m)，有利于進(jìn)行物探測(cè)試。

3 綜合物探方法

3.1 高密度電法

（1）工作原理

高密度電阻率法是20世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的一種電阻率方法，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟，穩(wěn)定應(yīng)用于解決各種工程問(wèn)題。它結(jié)合了電剖面和電測(cè)深法的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)合理地進(jìn)行高密度布點(diǎn)，完成二維地電斷面測(cè)量。實(shí)施的地球物理屬性前提是：地下介質(zhì)空間內(nèi)待測(cè)區(qū)域存在導(dǎo)電性差異，通過(guò)布設(shè)電極建立外加電場(chǎng)，研究其作用下地下傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，推斷出具有不同電阻率地質(zhì)體的賦存情況。根據(jù)實(shí)測(cè)的視電阻率剖面，進(jìn)行計(jì)算、分析，便可獲得地層中的電阻率分布情況，從而可以劃分地層，判定異常等。由于提供的數(shù)據(jù)量大，信息多，并且觀測(cè)精度高，速度快，探測(cè)的深度也很靈活，因此在工程地質(zhì)勘察和水文地質(zhì)勘察中有著廣闊應(yīng)用前景。

3.2 微動(dòng)探測(cè)

（1）工作原理

微動(dòng)探測(cè)方法（The Microtremor Survey Method，簡(jiǎn)稱MSM）是從圓形臺(tái)陣采集的地面微動(dòng)信號(hào)中通過(guò)空間自相關(guān)法提取出面波（瑞利波）頻散曲線，經(jīng)反演獲取臺(tái)陣下方S波速度結(jié)構(gòu)，以探查地質(zhì)構(gòu)造的地球物理探測(cè)方法。微動(dòng)速度剖面能準(zhǔn)確、直觀地反映地層巖性變化及異常體形態(tài)、規(guī)模。這一方法在國(guó)外，特別是在日本已廣泛應(yīng)用于盆地結(jié)構(gòu)調(diào)查、工程地質(zhì)勘察、場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等多個(gè)領(lǐng)域。

4 資料采集及解釋

4.1 資料采集

高密度電法勘探采用EDJD-3分布式數(shù)字多功能直流電法儀，微動(dòng)探測(cè)設(shè)備是I-Nodal節(jié)點(diǎn)式全內(nèi)置地震采集站。根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)置合理的測(cè)量觀測(cè)系統(tǒng)，工區(qū)整體測(cè)線布置如圖1所示。

圖1 工區(qū)整體測(cè)線布置圖

4.2 成果綜合解釋

兩種方法的探測(cè)結(jié)果如圖2～3所示。

圖2 微動(dòng)勘探左右測(cè)線成果圖

圖3 左、右測(cè)線高密度電法電阻率反演解釋成果圖

（1）高密度電法

左線測(cè)線（ZK0+290～ZK0+870段）：測(cè)線測(cè)試范圍內(nèi)地表視電阻率值較高，高程390m以下，隧道洞身范圍除ZK0+620～ZK0+650段外，視電阻值極低，推測(cè)該里程段圍巖破碎～極破碎，巖層富水。左線測(cè)線（ZK1+170～ZK1+325段）：受方法及場(chǎng)地限制，該段測(cè)線僅ZK1+262～ZK1+288段測(cè)試深度達(dá)到隧道底標(biāo)高，隧道穿越區(qū)域視電阻值極低，推測(cè)該里程段圍巖破碎～極破碎，巖層富水。

右線測(cè)線（K0+260～K1+020段）：測(cè)線測(cè)試范圍內(nèi)地表視電阻率值較高，高程385m以下，隧道洞身范圍除K0+560～K0+610段外，視電阻值極低，推測(cè)該里程段圍巖破碎～極破碎，巖層富水。右線測(cè)線（K1+150～K1+360段）：受方法及場(chǎng)地限制，該段測(cè)線僅ZK1+245～ZK1+280段測(cè)試深度達(dá)到隧道底標(biāo)高，隧道穿越區(qū)域視電阻值極低，推測(cè)該里程段圍巖破碎～極破碎，巖層富水。

（2）微動(dòng)探測(cè)

左線測(cè)線（ZK0+330～ZK1+330段）：測(cè)線測(cè)試范圍內(nèi)整體視速度值低，隧道洞身范圍ZK0+997～ZK1+071段，視速度值變化較大，推測(cè)該段圍巖破碎；隧道洞身范圍ZK1+170～ZK1+203段，視速度值較高，推測(cè)該段圍巖較完整；其余里段視速度值極低，推測(cè)其余里程段巖層極破碎。此 外，由 于ZK0+610～ZK0+730，ZK0+860～ZK0+900，ZK1+205～ZK1+284里程段，存在與地表連通的極低視速度帶，推測(cè)為采空區(qū)影響段，巖層富水，且與地表水連通。

右線測(cè)線（K0+180～K0+360段）：測(cè)線測(cè)試范圍內(nèi)整體視速度值低，隧道洞身范圍K0+495～K0+595（K0+530～K0+580因施工無(wú)法施測(cè)）段，K0+680～K0+740段，視速度值起伏較大，推測(cè)該段圍巖較破碎；K0+293～K0+330段視速度值較高，推測(cè)該段圍巖較完整；其余里段視速度值極低，推測(cè)其余里程段巖層極破碎。在K0+650～K0+680，K0+780～K0+950，ZK1+160～ZK1+290里程段，存在與地表連通的極低視速度帶，推測(cè)為采空區(qū)影響段，巖層富水，且與地表水連通。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)綜合物探方法對(duì)廢礦區(qū)采空區(qū)、富水層及其它影響后續(xù)施工的安全隱患進(jìn)行全方面排查，準(zhǔn)確地檢測(cè)出異常區(qū)域的位置，合理地推斷分析出異常體的成因，為后續(xù)工作的開(kāi)展提供準(zhǔn)確的勘測(cè)資料。

（2）隧道在后續(xù)開(kāi)挖中驗(yàn)證了本次綜合物探所探測(cè)到的異常區(qū)，表明該綜合探測(cè)方法在復(fù)雜環(huán)境廢礦區(qū)地質(zhì)勘察中具有良好的結(jié)果，也為日后廢礦區(qū)整治提供了可靠的勘察資料。

（3）針對(duì)過(guò)去資料不足、勘察信息不完善的礦區(qū)，綜合多種物探方法的探測(cè)能提供更準(zhǔn)確的地下信息，有效預(yù)防相關(guān)施工事故的發(fā)生，具有廣闊的應(yīng)用前景。