綜合物探方法在山區(qū)特長(zhǎng)深埋隧道勘察中的應(yīng)用

彭 勇，段明杰，劉陽(yáng)飛，羅 術(shù)

（云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650011）

1 概述

工程物探技術(shù)方法門類眾多，它們依據(jù)的原理和使用的儀器設(shè)備也各有不同，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，工程物探技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，而且新的方法技術(shù)不斷涌現(xiàn)，幾年前還認(rèn)為無(wú)法解決的問(wèn)題，幾年后由于某種新方法、新技術(shù)、新儀器的出現(xiàn)迎刃而解的實(shí)例是常見(jiàn)的。它是地質(zhì)科學(xué)中一門新興的、十分活躍、發(fā)展很快的學(xué)科，它又是工程勘察的重要方法之一，在某種程度上講，它的應(yīng)用與發(fā)展已成為衡量地質(zhì)勘察現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。

擬建工程某特長(zhǎng)隧道具有地形起伏大、隧道長(zhǎng)、埋深大的特點(diǎn)，宜選用大地電磁法、高密度電法及聲波波速測(cè)井法作為物探勘察手段。高頻大地電磁法（EH4）是以天然電磁場(chǎng)為場(chǎng)源來(lái)研究地球內(nèi)部電性結(jié)構(gòu)的一種重要的地球物理手段，依據(jù)不同頻率的電磁波在導(dǎo)體中具有不同趨膚深度的原理，在地表測(cè)量由高頻至低頻的地球電磁響應(yīng)序列，經(jīng)過(guò)相關(guān)的數(shù)據(jù)處理和分析來(lái)獲得大地由淺至深的電性結(jié)構(gòu)[1]。它具有工作效率高、勘探深度大、受地形影響小、對(duì)低阻異常體靈敏等特點(diǎn)，尤其適合山區(qū)特長(zhǎng)深埋隧道勘察。

高密度電阻率法的基本原理和常規(guī)電阻率法相同，它是以巖土介質(zhì)的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)和研究人工建立的地下穩(wěn)定電流場(chǎng)的分布規(guī)律來(lái)解決地下地質(zhì)問(wèn)題[2]。只需一次布極，即可自動(dòng)獲取多種裝置的二維電性剖面。它具有效率高、信息量大、抗干擾強(qiáng)、結(jié)果直觀等特點(diǎn)。將高密度電法應(yīng)用于深埋隧道的勘察，可以彌補(bǔ)大地電磁法淺部分辨率不高的缺點(diǎn)。

聲波波速測(cè)井是獲取巖體波速的一種重要方法，它利用聲波在巖體中的傳播特性，來(lái)獲取巖體的波速，用于圍巖級(jí)別的分類及完整性參數(shù)計(jì)算。

將物探方法綜合運(yùn)用，可以相互驗(yàn)證，取長(zhǎng)補(bǔ)短，為隧道的地質(zhì)勘察提供必要依據(jù)，提高勘察的精度及效率。

2 工程概況

擬建工程為國(guó)家高速公路網(wǎng)項(xiàng)目，項(xiàng)目位于云南中北部山區(qū)，特長(zhǎng)隧道全長(zhǎng)9490m，最大埋深462.308m，地面高程1950～2420m，隧址區(qū)屬于中山侵蝕切割地貌。區(qū)域地質(zhì)顯示該隧道穿越一向斜構(gòu)造，有兩條斷層穿過(guò)隧道。沿線出露地層主要為隧道中段向斜核部的二疊系中統(tǒng)玄武巖，隧道進(jìn)出口向斜兩翼為震旦系上統(tǒng)至二疊系下統(tǒng)的地層，以砂泥巖、白云巖、灰?guī)r為主。隧道中部穿過(guò)煤系地層與采空區(qū)，出口發(fā)育一巨型古滑坡。調(diào)查無(wú)法準(zhǔn)確確定各巖層情況及斷層、煤層的具體位置、走向，隧道勘察需要準(zhǔn)確查明斷裂和巖層的空間展布，分析滑坡對(duì)隧道的影響，由此判定隧道圍巖級(jí)別。考慮到工期緊，地形復(fù)雜，擬采用物探方法結(jié)合地質(zhì)鉆探對(duì)隧道進(jìn)行綜合勘察。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)，音頻大地電磁法（EH4）勘察深度大，對(duì)斷層破碎帶、不同巖性接觸帶反映明顯；高密度電法能有效地進(jìn)行多種電極排列方式的掃描測(cè)量，可以獲得較豐富的關(guān)于地電斷面結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)信息，可以彌補(bǔ)EH4淺部分辨率不高的不足；波速測(cè)井能夠快速獲得鉆孔內(nèi)各巖層的波速情況，判定圍巖的質(zhì)量指標(biāo)，故楊林隧道的物探勘察采用此三種綜合手段完成。

3 物探綜合勘察

3.1 音頻大地電磁法（EH4）勘察

根據(jù)野外實(shí)際情況，此次測(cè)線布設(shè)沿隧道右幅左邊線布設(shè)，采用GPS手持?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量放點(diǎn)，點(diǎn)距25m，連續(xù)采集。采集數(shù)據(jù)的頻帶范圍為一頻組和三頻組。采集完成后，通過(guò)儀器自帶的處理軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯、剔除異常點(diǎn)、反演、Surfer成圖等處理，得到如圖1所示成果圖（僅顯示了隧道出口段）。

圖1 EH4縱斷面成果圖

綜合分析EH4成果，得出以下結(jié)論：

（1）進(jìn)出口段第四系覆蓋層較厚，基巖風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，電阻率值較低，等值線變化平穩(wěn)，一般小于200Ω·m，推測(cè)為第四系覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化基巖，巖層較破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育；

（2）K13+580～K15+050、K21+450～K21+860段電阻率一般為200～1000Ω·m，推測(cè)為基巖巖性為頁(yè)巖、泥巖、砂巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖等，較完整；

（3）K14+195、K16+230前后電阻率值出現(xiàn)錯(cuò)斷、扭曲現(xiàn)象，推測(cè)為斷層，傾向進(jìn)口方向，傾角較陡，兩盤(pán)為同一巖層；

（4）K18+500～K19+420段：電阻率一般為100～400Ω·m，推測(cè)為強(qiáng)至中風(fēng)化基巖，基巖巖性為玄武巖等，較破碎，富水；

（5）K20+260前后電阻率值出現(xiàn)低阻條帶，推測(cè)為富水段落；或者是由于上部原來(lái)采煤主巷道爆破坍塌形成低阻屏蔽造成的“假異常”；

（6）其他段落電阻率一般為1000～3000Ω·m，推測(cè)為中—未風(fēng)化基巖，基巖巖性為白云巖、灰?guī)r等，較完整。

3.2 高密度電法勘察

根據(jù)EH4縱斷面勘察成果，分別于煤系地層地段沿路線縱向和隧道出口巨型古滑坡沿主滑方向布設(shè)了高密度電法斷面進(jìn)行有針對(duì)性的勘察。勘察結(jié)論如下：

（1）根據(jù)地質(zhì)調(diào)查資料，圖2中反映煤層于地表K20+500附近出露，巖層產(chǎn)狀287°∠12°，路線走向130°，煤層傾向路線小里程方向；

圖2 煤系地層地段高密度電法成果圖

（2）EH4、高密度電法資料顯示已知煤系地層或采空區(qū)的電阻率值與上下層（都為灰?guī)r）電阻率值差異較大，異常反應(yīng)極為明顯；

（3）根據(jù)地表出露煤層及電阻率變化趨勢(shì)推測(cè)，推測(cè)路線在K19+900前后穿越煤層；

（4）圖3高密度電法資料顯示滑坡界面較為明顯，滑動(dòng)面最大埋深約60m，為兩臺(tái)層疊式滑坡，在此段隧道埋深約為140m左右，這樣推斷滑坡規(guī)模雖然很大，但對(duì)洞室穩(wěn)定影響甚微。

圖3 古滑坡高密度電法成果圖

3.3 波速測(cè)井

勘察中對(duì)大部分鉆孔都進(jìn)行了孔內(nèi)波速測(cè)試。巖體波速是判定圍巖質(zhì)量的重要指標(biāo)，波速測(cè)試能為隧道圍巖級(jí)別劃分提供必要的參數(shù)。以K18+165鉆孔為例，波速測(cè)試結(jié)果如下：

（1）孔內(nèi)0～25m覆蓋層段有鉆探套管存在，未能進(jìn)行波速測(cè)試；

（2）圖4測(cè)井波速圖反映上部為玄武巖，巖體較破碎，縱波波速普遍2500～4000m/s，下部為厚層狀灰?guī)r，巖體較完整，縱波波速普遍位于4000～5500m/s區(qū)間內(nèi)；

圖4 K18+165豎井鉆孔波速測(cè)井成果圖

（3）鉆探揭示，玄武巖與灰?guī)r界線位于孔深約53m處，這在波速測(cè)井成果圖上也有明顯反映。

4 鉆探驗(yàn)證

工程物探、鉆探作為勘察的不同手段，在勘察過(guò)程中應(yīng)做到相互指導(dǎo)、相互印證，楊林隧道充分應(yīng)用了這兩種手段，在物探勘察揭示的異常區(qū)、構(gòu)造破碎帶、巖性接觸帶等部位分別布設(shè)了鉆孔進(jìn)行勘察和驗(yàn)證，充分提高了勘察的準(zhǔn)度和精度。

對(duì)比物探成果圖和工程地質(zhì)縱斷面成果圖（圖5），物探與鉆探揭示的地層界線是基本吻合的，結(jié)合孔內(nèi)水文試驗(yàn)、波速測(cè)試等工作，取得的設(shè)計(jì)所需的各項(xiàng)參數(shù)，達(dá)到了勘察的目的。

5 勘察結(jié)論

擬建隧道工程地質(zhì)條件復(fù)雜，沿隧道軸線構(gòu)造發(fā)育，同時(shí)發(fā)育有富水帶、煤系地層的特殊性巖土，本項(xiàng)目勘察采用了物探綜合手段結(jié)合鉆探、孔內(nèi)測(cè)試等方法，做到多種手段綜合勘察，效果顯著，總結(jié)起來(lái)，有以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）對(duì)于山區(qū)特長(zhǎng)深埋隧道，宜選用音頻大地電磁法（EH4）沿隧道軸線勘察，該方法能快速查明隧道穿越區(qū)域的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等。

（2）對(duì)煤系地層發(fā)育路段和滑坡體布設(shè)了高密度電法測(cè)線和EH4橫斷面進(jìn)行勘察，兼顧勘探深度和淺層分辨率，快速地查明了煤系地層和滑坡體的空間分布情況。

（3）對(duì)深鉆孔完成了巖體波速測(cè)試，取得了巖體質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)，為隧道圍巖級(jí)別劃分提供了必要的依據(jù)。

（4）多種物探手段的綜合勘察，能快速查明隧道地質(zhì)情況，尤其是山區(qū)特長(zhǎng)深埋隧道更加適合推廣綜合物探方法，綜合物探方法的使用能夠節(jié)約勘察成本，提高工作效率及勘察精度。