巖溶隧道地質勘察中的綜合物探法探測

邱 鍇，肖 強

(寧夏公路勘察設計院有限責任公司，寧夏 銀川 750001)

1 引言

我國西南地區是巖溶分布最為集中和典型的地區[1]。巖溶作為一種不良地質，在公路、鐵路和水利建設中造成諸多地質難題，對工程建設穩定性構成極大危害[2]。尤其是巖溶區隧道，具有構造帶發育，地下水豐富，溶蝕分布不規律等特點，采用單一的勘察手段很難查明其地質情況，且因地形條件差，鉆探可實施性亦受局限。相比傳統鉆探而言，地球物理探測具有成本低、效率高、線性追蹤性強等優勢，常用方法有高密度電阻率法[3，4]、大地電磁法[5]、瞬變電磁法[6，7]、地質雷達法[8，9]等。近年來，這些物探方法在工程勘察設計中應用廣泛，研究成果和學術貢獻成效顯著。其中：孫英勛[10]首次將可控源音頻大地電磁法(CSAMT法)應用于水麻高速公路深埋隧道地質勘察中，成功揭示了軟弱層、斷層破碎帶及地下水分布，并較準確地劃分了圍巖類別，為高速公路隧道探索出新的勘察方法 。何燦高等[11]在某水利工程輸水隧洞中采用高密度電法、瞬變電磁法及綜合測井法，查明了研究區內的地質構造、地層結構及巖溶空間分布特征，為設計選線提供了重要依據。崔阿李等[12]應用探地雷達法對黃河萬家寨水庫巖溶進行檢測，劃分了該區域溶蝕地質的空間分布范圍。其他學者專家[13～17]亦使用超前地質預報、電測深法、管波法、地震波法、CT法等手段對巖溶進行探測分析，并取得可靠結論。以上研究成果和學術貢獻充分證明了綜合物探手段在解決巖溶地質難題中具有可行性、高效性、準確性及必要性。

本文以廣西壯族自治區東北部平樂縣境內一高速公路中的隧道工程為例，闡述并分析了綜合物探法探測的應用效果。收集前期地質資料可知隧址區巖溶發育，為查明其隱伏構造及巖溶分布特征，詳細勘察階段采用高密度電法、瞬變電磁法相結合的地面綜合探測方法，并進行鉆孔驗證及孔內聲波測試，施工階段又使用地質雷達超前預報探測，綜合各方法取得了較好的研究效果，為設計及施工方案提供了充足的依據。

2 工程概況

該隧道總長542 m，洞身最大埋深79.7 m。地貌屬緩坡丘陵，西南面背靠江水，地勢起伏較大，植被茂盛，以雜草、灌木等為主。地面標高約為141.3～237.2 m，擬建隧道入口及出口均處于山區，進洞口自然坡度為20°～30°，出洞口自然坡度為50°～60°，出洞口緊靠江水，交通不便。

隧址區地層巖性主要為石炭系大唐階(C1d)灰巖。洞口處地層主要為坡積土、砂巖風化土、殘積土及溶蝕發育灰巖，洞身處地層主要為砂巖殘積土、溶蝕發育灰巖及相對完整灰巖。地下水主要為松散巖類孔隙水和碳酸鹽裂隙巖溶水。其中松散巖類孔隙水主要分布于山坡坡麓松散堆積層中，由大氣降水補給，多沿松散層與基巖接觸面滲出，水量甚小。碳酸鹽裂隙巖溶水主要賦存于山體的灰巖裂隙及溶蝕孔洞中，以潛水的形式存在，經山體裂隙或地下溶洞、暗河等排泄。

3 探測方法與工作布置

3.1 高密度電法

高密度電法屬直流電阻率法的一種，集電測深和電剖面為一體，具有采集數據量大，觀測點密度高等特點[18，19]。它利用覆蓋層、溶蝕巖層、相對完整巖層等不同介質的電阻率差異，可直觀、清晰地反應淺層巖溶分布形態，故本工程具備開展該方法的前提地球物理條件。

測線沿隧道洞身方向布置，采用溫納爾裝置，電極數60根/1排列，單位電極距10 m，共1個排列，隔離系數為19，最大供電電壓360 V，有效剖面水平長度為590 m。使用儀器為重慶萬馬物探儀器公司生產WDJD-4型電法儀。

高密度電法探測深度可按照式(1)估算：

(1)

式(1)中：h為深度(m)；AB為供電極距(m)。

3.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method，簡稱TEM)是利用不接地回線或電極向地下發送脈沖式一次電磁場，在一次場斷電后通過觀測二次渦流場隨時間的變化規律，研究探測介質的電性特征，進行分析處理，達到探測地下地質體空間展布的目的[20]。該方法對接地要求不高，可在基巖裸露區取得較好效果，應用在本工程中合理、可行。

測線沿隧道洞身方向布設，與高密度電法測線基本重合。采用不接地回線裝置，測點間距5 m，測點間距5 m，共125個測點，采樣率為1.25MH，發射頻率為16 Hz，發射電流為60 A，有效剖面水平長度為589.51 m。使用儀器為重慶璀陸探測技術有限公司生產的FCTEM拖拽式瞬變電磁系統。

3.3 單孔聲波測井

單孔聲波測試通過讀取初至波速信號到達不同深度點的時間[21]，計算出各深度點的速度值并繪制聲速—孔深曲線，以此劃分不同巖體或同一巖體不同強度的速度層位，進一步確定巖體風化卸荷深度及裂隙密集帶、溶蝕發育帶及巖溶、軟弱夾層、相對隔水層空間分布[22]，同時結合巖芯測試結果應用式(2)計算完整性系數(Kv)。

Kv=(Vp/Vpr)2

(2)

式(2)中：Vp為風化巖體縱波速度(m/s)；Vpr為完整巖體縱波速度(m/s)。

本次測試布置于鉆孔裸巖段，采用一發雙收換能器自下而上觀測，測點距0.2 m，每5 m進行深度校正。探頭與孔壁巖體以井液耦合，共完成測試2孔/114.6 m。使用儀器為重慶奔騰數控研究所生產WSD-2A數字聲波儀和35 kHz孔內單發雙收聲波換能器。

3.4 地質雷達探測

地質雷達(Ground Penetrating Radar簡稱GPR)是利用超高頻窄脈沖電磁波來確定介質分布規律的一種地球物理方法[23]。其探測原理為發射天線向隧道掌子面前方發射電磁波信號，電磁波在傳播的過程中，當遇到不同界面或目標體時發生反射，經接收天線接收后，通過疊加、整形、放大等方式對數據進行處理和分析[24]，所得相關參數可推斷掌子面前方巖土體的含水、破碎、巖溶和軟弱夾層等情況。

本次隧道掌子面超前探檢測采用地質雷達法，每隔25 m 探測一次。使用儀器為美國勞雷公司生產的SIR-4000 型探地雷達。

4 成果分析

4.1 地面物探分析

高密度電法探測資料分析與解釋如下：

自上而下地層劃分為2個電性結構層：上部為覆蓋層，相對低阻反應推斷為黏土，成層性一般，說明層內介質不均一，電阻率值一般為5～300 Ω·m，層厚約0～10 m，局部基巖幾乎裸露地表。下部為灰巖層，電阻率值較高，多在300 Ω·m以上。圖1中虛線為隧道位置，隧道高程附近地層電阻率可分為2個單元體：①樁號K116+330～K116+550 m段，推測為溶蝕裂隙發育灰巖，電阻率值一般為300～800 Ω·m；②樁號K116+550～K116+890 m段，推測為相對完整灰巖，電阻率值一般大于800 Ω·m。

圖1 高密度電法測線電阻率斷面

瞬變電磁法探測資料綜合分析如下：

視電阻率100～450 Ω·m區域為覆蓋層、泥質充填型溶蝕發育帶或溶洞；視電阻率450～650 Ω·m區域溶蝕裂隙較發育或塊石充填型溶洞；視電阻率650～1000 Ω·m區域為相對完整基巖。圖2中虛線為隧道位置，可以看出測線在樁號K116+320～K116+420隧道高程附近主要為覆蓋層(粉質黏土)、泥質充填型溶蝕發育帶或溶蝕深槽；測線在樁號K116+420～K116+550、K116+580～K116+670、 K116+900～K116+910隧道高程附近主要為溶蝕裂隙相對較發育巖體，存在疑似塊石充填或半充填溶洞；測線樁號K116+550 ～K116+580、K116+670～K116+900基巖主要為相對完整巖體。

圖2 瞬變電磁法測線電阻率斷面

高密度電法主要揭示淺層巖溶發育情況，瞬變電磁法主要揭示較深層巖溶空間分布情況，二者互補驗證。

4.2 聲波測井及鉆孔驗證對比分析

驗證鉆孔ZK1、ZK2的巖性編錄描述和聲波測井成果對比分析如表1所示。

表1 聲波測井成果及鉆孔驗證對比

根據聲波測井成果所示，孔內溶蝕不發育灰巖段的聲波速度范圍值為3700～6000 m/s，平均值為4940 m/s，完整性系數范圍值為0.32～0.85，平均值為0.58，屬較完整巖體；溶蝕較發育灰巖或泥質充填、含水溶洞段的聲波速度范圍值為2930～4600 m/s，平均值為3790m/s，完整性系數范圍值為0.20～0.56，平均值為0.35，屬破碎～較破碎巖體。圖3、圖4為選取的洞線設計高程以上20 m至孔底的ZK1、ZK2鉆孔聲波測井曲線。

圖3 ZK1鉆孔聲波測試曲線

圖4 ZK2鉆孔聲波測試曲線

4.3 地質雷達超前預報成果分析

對面向隧道正前方采集的地質雷達數據進行靜態校正、增益調整、去直流漂移、濾波、壓制和剔除干擾波及突出有效波處理。處理結果如圖5所示。結合掌子面地質條件分析得出：掌子面前方0～25 m(相應里程樁號為YK116+520～YK116+545)范圍內，雷達反射信號以中低頻為主，推測該區域圍巖巖體結構面和節理裂隙發育，局部溶蝕明顯，結構面泥質膠結，結合度低，圍巖自穩能力差。建議該段施工圍巖等級按Ⅳ級考慮。

圖5 右洞K116+520掌子面地質雷達探測成果

4.4 效果綜合分析

ZK1鉆孔所示溶蝕發育灰巖或串珠狀溶洞高程位于176.5～148.8 m、131.8～124.3 m之間，聲波速度平均值為3640 m/s，ZK2鉆孔所示溶蝕發育灰巖或串珠狀溶洞高程位于198.2～182.7 m、156.7～145.9 m之間，聲波速度平均值為3640 m/s。以上巖性段的聲波測試完整性評價為破碎～較破碎，視電阻率值約在450～650 Ω·m。鉆孔地質資料、聲波測井和瞬變電磁法結論對應較一致，測試成果可信。綜合各方法得出，隧道前半段(樁號K116+670以前)洞線高程附近主要以泥質充填型溶蝕發育帶、溶蝕深槽及溶蝕裂隙相對較發育巖體為主，局部基巖相對完整。隧道后半段(樁號K116+670以后)洞線高程附近主要以相對完整巖體為主，局部溶蝕裂隙發育。綜合物探成果如圖6所示。

圖6 隧道綜合物探解釋成果

5 結論

(1)本次巖溶隧道的探測方法選擇適宜，各物探成果與鉆探資料基本一致，不同方法之間能互相驗證、補充，結論客觀，可信度強。

(2)通過綜合勘測手段已查明該隧道洞線附近隱伏構造及巖溶分布情況，圈定的巖溶發育位置及分布范圍準確，劃分的圍巖等級合理，為設計及施工方案提供了充足的依據。

(3)公路工程中巖溶隧道地質條件復雜多變，通過單一方法很難查明地質情況或解決地質問題，采用綜合物探結合鉆探的方法具有可行性、高效性、準確性及必要性。