高速鐵路隧道勘察鉆探與物探綜合應(yīng)用分析

劉 猛

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

在高速鐵路建設(shè)過程中，隧道工程往往面臨多種復(fù)雜地質(zhì)問題，成為建設(shè)工期及工程安全的制約因素。隧道工程的勘探方式主要有鉆探、物探等，鉆探作為傳統(tǒng)的勘探方式，其主要優(yōu)點是可以直觀反映探測目標地質(zhì)體的物理力學(xué)性質(zhì)。然而鉆探也有較明顯的缺點，鉆探揭示的地質(zhì)體情況是一個個孤立的點，點與點之間的地質(zhì)體情況往往基于地質(zhì)規(guī)律和經(jīng)驗的推斷，有較大不確定性，并且由于鉆探的成本比較昂貴，采取增加鉆探孔來提高勘探精確度一般難以實現(xiàn)[1]。相較于鉆探這種直接勘探方法，物探屬于間接勘探方法，其從宏觀層面探測目標地質(zhì)體的整體情況，可以彌補鉆探過程中一孔之見的局限[2]。物探方法具有勘測周期短、準確率高、勘察范圍大等特點[3]，在各類工程中的使用十分普遍，在某些特定的作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、鉆探難以施工的領(lǐng)域，發(fā)揮著主導(dǎo)的作用。但是由于物探作為一種間接勘探方式，難以驗證和確認目標地質(zhì)體存在的異常情況。

由于鉆探和物探本身均具有局限性，如果只采用其中一種勘測方式，往往結(jié)果比較片面，難以全面反映出隧道工程復(fù)雜的地質(zhì)條件。為此，部分學(xué)者開展相關(guān)方法的研究，劉偉等通過鉆探與音頻大地電磁法研究了云桂線富寧隧道的地質(zhì)問題[4]，關(guān)蕾蕾等采用綜合勘察方法對烏東德K25巖溶形成發(fā)育地質(zhì)機理進行研究[5]。在前人研究的基礎(chǔ)上，以具有復(fù)雜地質(zhì)問題的鄂西山區(qū)某高速鐵路隧道工程為例，對采用鉆探和兩種不同的物探方式(音頻大地電磁法、高密度電法)的綜合勘探方式開展研究。

2 自然條件

2.1 地形地貌

隧道工程位于鄂西山區(qū)邊緣，地表主要為低山或坡度平緩的高階地，植被發(fā)育。地勢主要由西北傾斜向東南，地面高程為80～400 m，高差為50～240 m，坡度一般為5°～30°，局部可達45°～60°。

2.2 地層巖性

隧址區(qū)內(nèi)，地表為第四系坡殘積可塑至硬塑粉質(zhì)黏土、含礫黏性土層，以及中密至密實卵礫土層，分布于山麓和山間溝谷地帶，厚0～10 m。下伏基巖層主要為白堊系上統(tǒng)鈣質(zhì)膠結(jié)的礫巖，以及泥質(zhì)膠結(jié)的粉砂巖，局部風化層厚度可達30 m。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)所處地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造上屬于新華夏系一級構(gòu)造的第三隆起帶南段和淮陽山字形構(gòu)造體系的復(fù)合部位，南臨第二坳陷帶江漢盆地[6]。震旦紀以前，巖漿活動十分劇烈，由此產(chǎn)生多類噴出巖，同時伴隨產(chǎn)生多種變質(zhì)巖類。從震旦紀至三疊紀，由于海水不斷侵入，期間不同時代的巖性主要以淺海相沉積為主。晚期三疊紀的燕山運動，區(qū)內(nèi)形成內(nèi)陸盆地，同時產(chǎn)生侏羅紀、白堊紀和第三紀的陸相沉積[7]。該隧道工程位于楊子準地臺的鄂中褶斷區(qū)，并且臨近于遠安地塹，隧址區(qū)主要發(fā)育通城河斷裂，由多條北北西向斷裂構(gòu)成，北起保康后坪，南至玉泉寺(消失于白堊系厚層沉積巖地層)，長120 km，走向為345°，傾角約為70°，自形成斷裂以來發(fā)生早第四紀運動，在N2～Q2均有活動，主要活動期為Q1～Q2。

2.4 氣象特征

隧址區(qū)位于中亞熱帶與北亞熱帶的過渡地帶，四季分明，雨熱同期，寒旱同季的氣候特征，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，2月至4月多為陰雨天，5月至9月天氣炎熱，常年溫度高，日夜溫差小，極端氣溫變幅不大，無霜期長，多年平均降水量949～1 213.6 mm。其多年平均氣溫為16.1～17.6 ℃，最高氣溫為43.1 ℃，最低氣溫為-15.6 ℃。區(qū)內(nèi)主導(dǎo)風向為東南風和西北風，最大風速為34 m/s，區(qū)內(nèi)最大積雪厚度為12～20 cm。

2.5 水文地質(zhì)條件

隧址區(qū)地下水的埋藏形式及其賦存情況主要受區(qū)域氣候、地勢類型、基巖裂隙發(fā)育程度及斷層等綜合作用，地下水埋深16～37 m，隧址區(qū)礫巖多為鈣質(zhì)膠結(jié)，局部發(fā)育小型溶蝕裂隙及溶腔，泥質(zhì)膠結(jié)粉砂巖為相對隔水層，地下水的類型主要為上層滯水、巖層裂隙水以及巖溶水。上層滯水以大氣降雨補給為主，水位隨季節(jié)性變化比較明顯，多聯(lián)通于地表水系。巖層裂隙水主要分布于節(jié)理、裂隙較多的基巖中，富水性較弱，一般地帶水量不大，但在斷層破碎帶、向斜槽谷、兩種不同地層不整合接觸帶附近水量豐富，富水性相對較好。巖溶水主要分布在鈣質(zhì)膠結(jié)的礫巖中，由于溶蝕裂隙及溶腔規(guī)模不大，巖溶水發(fā)育程度一般。

2.6 不良地質(zhì)

受地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、差異風化、地形及水動力條件的控制和人為活動影響，隧址區(qū)重力不良地質(zhì)較為發(fā)育，主要有滑坡，崩塌，危巖落石等。區(qū)域內(nèi)鈣質(zhì)膠結(jié)的礫巖，部分存在有溶蝕裂隙及溶腔。

3 隧道物探

物探主要以通過觀測和探究不同地球物理場的變化從而揭示目標地質(zhì)體異常情況的一種較普遍運用的勘察手段[8]。

音頻大地電磁法的工作原理是通過采用宇宙中發(fā)射到大地上的自然電磁性信號作為引發(fā)源[9]，通過相關(guān)計算可以探測大地表層千米以內(nèi)的地質(zhì)剖面的電性信號差異[10]。音頻大地電磁法可以應(yīng)用于地下水分析、監(jiān)測環(huán)境與礦產(chǎn)探查、地熱勘察及工程地質(zhì)勘察等[11-12]。該種物探方式具有抗外部因素干擾力強、解譯準確率高、成像清晰度好、探測深度較深等優(yōu)點[13]。

下一步將在引入優(yōu)良谷子品種基礎(chǔ)上，進行谷子種業(yè)、谷子規(guī)模化種植、谷子及秸稈飼料化、小米深加工產(chǎn)品開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，全面發(fā)展小米“種植、養(yǎng)殖、加工”全產(chǎn)業(yè)鏈，立足保加利亞，形成可復(fù)制的盈利模式，并逐步輻射到歐洲其它國家，為我國農(nóng)業(yè)“走出去”做出貢獻。

高密度電法的工作原理主要是利用目標地質(zhì)體與其周邊地質(zhì)體不同的電性特征為根本，創(chuàng)設(shè)穩(wěn)定的人工電場，通過提前設(shè)立的多道電極，采取事先安設(shè)布列式樣開展掃描及觀測，獲得目標地質(zhì)體的電阻率分布規(guī)律，分析和探查相應(yīng)的工程地質(zhì)問題[14-15]。通過獲得的目標地質(zhì)體視電阻率信息，開展反演分析、解譯，從而可得到目標地質(zhì)體電阻率信息的空間展布情況，進而推測不同地質(zhì)體賦存位置，具有對地質(zhì)構(gòu)造分辨率高的優(yōu)點[16]。

根據(jù)該隧道的結(jié)構(gòu)埋深、地形地貌及巖性等特點，通過采取音頻大地電磁法及高密度電法兩種不同的勘察方式布置物探剖面，音頻大地電磁法實際測點布設(shè)距離為25 m，高密度電法實際測點布設(shè)距離為10 m。目的如下：①探測巖性界線、構(gòu)造(斷層、破碎帶)位置、寬度、產(chǎn)狀及延伸等；②查明表層第四系土層厚度、基巖風化深度和不良地質(zhì)體的分布情況；③探測巖溶發(fā)育帶、洞穴等位置特征情況；④探測地下水發(fā)育情況及富水帶等；⑤提供各地層電阻率值。

3.1 音頻大地電磁法

根據(jù)物探測試及實際地質(zhì)勘探情況，得出物性及地質(zhì)剖面結(jié)果(如圖1及圖2所示)，并對該剖面的物探解釋進行詳細描述。

圖1 音頻大地電磁法物探成果剖面

圖2 音頻大地電磁法物性地質(zhì)剖面

(1)隧道覆蓋層淺，局部地表基巖出露，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)紅花套組泥質(zhì)粉砂巖及白堊系上統(tǒng)羅鏡灘組礫巖，完整礫巖電阻率為120～630 Ω·m。

(2)DK168+070左右兩邊電阻率差異明顯，結(jié)合已知區(qū)域地質(zhì)資料推測此處為粉砂巖與礫巖分界面且為斷層所在位置，左邊巖體電阻率為24～220 Ω·m，推斷是淺表層第四系礫石土層、風化巖層，巖體破碎、潮濕，右邊電阻率值為220～630 Ω·m，推斷為完整礫巖。

(3)DK168+320～DK168+420段淺表部電阻率為46～120 Ω·m，根據(jù)調(diào)繪、區(qū)域資料得知此段測區(qū)巖性為礫巖，推斷此段礫巖膠結(jié)差，構(gòu)造節(jié)理裂隙多，巖體質(zhì)量比較差，破碎含水。

3.2 高密度電法

圖3 高密度電法物探成果剖面

圖4 高密度電法物性地質(zhì)剖面

(1)DK168+070左右兩邊電阻率有較明顯的區(qū)別，結(jié)合已知區(qū)域地質(zhì)資料，推斷此處為粉砂巖與礫巖的分界且為斷層所在，左邊地質(zhì)巖體的電阻率值處于83～320 Ω·m，推測為淺表層第四系礫石土層、風化巖層、巖體較破碎、且潮濕，右邊地質(zhì)巖體的電阻率值處于320～1 000 Ω·m，據(jù)此推測為完整礫巖。

(2)DK168+300～+450左右地表部存在一相對低阻區(qū)域，電阻率值為34～420 Ω·m，結(jié)合調(diào)繪、區(qū)域資料，推斷此段礫巖膠結(jié)差，構(gòu)造節(jié)理裂隙多，巖體質(zhì)量差，破碎含水。

4 隧道鉆探

為了查明該鐵路隧道的地質(zhì)情況，同時驗證物探解譯情況，在隧道物探異常區(qū)、地層分界線及構(gòu)造等隧道洞身處布置鉆探孔(如圖5所示)，鉆探孔ZK-1(DK168+056)勘探揭露的地層巖性為泥質(zhì)膠結(jié)粉砂巖及鈣質(zhì)膠結(jié)礫巖，風化巖面埋深1.8 m；鉆探孔ZK-2(DK168+085)勘探揭露的地層巖性是白堊系上統(tǒng)羅鏡灘組礫巖，風化巖面埋深1.7 m；鉆探孔ZK-3(DK168+352)勘探揭露的地層巖性是白堊系上統(tǒng)羅鏡灘組礫巖，風化巖面埋深1.9 m。鉆探過程中于鉆探孔ZK-1處勘探揭露泥質(zhì)粉砂巖與礫巖接觸帶，巖體破碎；于鉆探孔ZK-2處勘探揭露斷層泥，且礫巖巖體破碎，推測為通城河斷裂破碎帶；鉆探孔ZK-3勘探揭露兩處小型溶洞(洞高1.5～2.5 m)，且礫巖巖體破碎。

圖5 工程地質(zhì)剖面

5 鉆探與物探對比分析

對采用兩種物探形式所勘測出的異常位置的解譯進行分析，從圖1和圖3可以得知，隧道里程DK168+070兩側(cè)的電阻率差異明顯，左邊巖體電阻率值相對較低，推測為第四系覆蓋層、風化層、巖體破碎，右邊地質(zhì)巖體電阻率值較高，推斷為完整的鈣質(zhì)膠結(jié)礫巖；DK168+320～DK168+420左右淺表部地質(zhì)巖體電阻率值相對較低，推斷為礫巖破碎帶，構(gòu)造節(jié)理裂隙多，巖體質(zhì)量差，含水。根據(jù)鉆探勘探揭露巖性、斷層及溶洞的結(jié)果，與物探解譯地質(zhì)異常帶推測一致性較高，且與區(qū)域地質(zhì)資料相吻合。

6 結(jié)論

(1)在鐵路隧道勘察過程中，運用不同物探勘測方式，可以較形象得出目標地質(zhì)體的電性展布情況以及結(jié)構(gòu)特性。可劃分地層巖性、斷層分布情況、圈定破碎富水帶以及巖溶發(fā)育帶等異常地質(zhì)體，較準確劃分隧道圍巖等級，指導(dǎo)工程建設(shè)。

(2)如果勘測過程中受到周邊復(fù)雜環(huán)境干擾，不同物探勘測方式探測出的異常地質(zhì)體情況可能會不同，通過多種物探勘測方式進行綜合分析，可以提升物探成果的準確率。

(3)音頻大地電磁法、高密度電法科對隧址區(qū)鈣質(zhì)膠結(jié)礫巖區(qū)巖溶發(fā)育情況及斷層破碎帶分布進行針對性勘察；通過鉆探與物探的相互驗證，可以較好查清隧址區(qū)的地質(zhì)條件。