綜合物探方法在黏土地區開挖隧道的應用

吳慶良， 唐彬雪， 王惠賢

1. 西南大學 工程技術學院，重慶 400715；2. 招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067

土體的含水率會對地質環境造成一定的影響, 特別是影響土體的強度以及變形情況[1-2]． 地下工程建設中, 水的存在會影響整體結構的穩定性[3], 因土體含水率變化引發的工程災害時有發生, 而土質的不同也造成了災害的差異性, 比如, 泥巖遇水膨脹崩解常引起仰拱底鼓[4]; 黃土在含水率增加時, 其多孔、 濕陷的性質會加劇隧道襯砌變形等[5-6]; 粉質黏土會隨含水率的變化極大地改變圍巖的變形和受力情況[7]． 在我國南部, 黏土分布較廣, 對于黏土地區隧道, 水會導致黏土層軟化, 降低圍巖的自穩能力[8]． 如重慶某隧道, 該隧道位于黏土地區, 在K15+900～K16+200K標段的工程施工初期, 土體含水率低, 圍巖穩定性高, 隨著施工的進行, 黏土逐漸潮濕并引起圍巖土體失穩, 接著發生大面積塌方, 導致工程中斷． 若僅通過地質資料調查事故原因, 得到的結果是不準確的, 還需借助物探方法進行調查[9]． 目前物探方法主要有電法、 探地雷達、 瞬變電磁法等[10], 為提高物探方法的準確性, 通常采取多種物探方法結合的方式進行綜合探測, 并將其運用到各水文環境的地質調查中[11-13], 以更好地確定水源及事故原因．

針對上述工程中黏土含水率增大導致失穩這一現象展開調查, 根據地調結果推斷, 可能是地表河流底部滲漏, 水流進入了黏土層． 為了驗證這一推斷, 考慮各物探方法的適用范圍, 本文采用AGI高密度電法、 EH4大地電導率法相結合的綜合物探方法對該隧道進行探測, 將擬開挖區域一定范圍內地層斷面的電阻率變化信息繪制成圖, 分別分析每條AGI測線、 EH4測線的電阻率大小及變化范圍, 根據電阻率與含水率的關系[14], 得出探測區域土體的含水情況, 繼而推斷出導致黏土含水率高的原因．

1 材料與方法

1.1 工程概況

隧道開挖區(圖1)為構造剝蝕、 溶蝕形成的背斜山, 山體呈東北—西南向延伸． 隧道大致沿山體走向從下部穿越兩山, 兩山之間地勢起伏不大, 在兩山之間、 隧道上方有河流穿過, 河流寬度約占兩山間距的一半． 該河流沿槽谷方向發育延伸, 是季節性溪流, 全長約15 km, 最大流量可達2 500～5 500 L/s左右． 隧道進口前部為兩溝相交部分, 由東向西發育的沖溝為主溝, 雨后流量可達2.5 L/s; 東南向西北方向的沖溝為次級沖溝, 雨后流量為0.5 L/s．

圖1 隧道匯水區示意圖

地調顯示, 隧址區出露地層為三疊系下統嘉陵江組(T1j)、 中統雷口坡組(T21)、 上統須家河組(T3xj)、 侏羅系下統珍珠沖組(J1z)、 中下統自流井組(J1-2z)、 中統新田溝組(J2x)、 第四系(Q4), 以第四系全新統作為主要調查對象, 該全新統中多為黏土, 其特性為: 灰、 褐黃色, 硬塑狀, 含較多角礫, 角礫成分為灰巖、 砂巖及頁巖, 粒徑2～50 mm, 含量5%～15%, 厚0～22.96 m, 主要分布在隧道進、 出口段及洞身段地形坡度較小的地段地表．

1.2 方案實施過程

本文選用AGI高密度電法、 EH4大地電導率法相結合的綜合物探方法進行探測． 其中, AGI高密度電法利用電極轉換開關和高密度電法主機控制器實現數據的采集工作; EH4大地電導率法是一種采用電磁儀觀測離地表一段距離內地層斷面電性變化信息, 基于斷面電性信息進行分析研究的方法．

受地形復雜、 空間有限等因素的影響, AGI測線布置8條, 探測總長度924 m; EH4大地電導率法布置測線4條, 探測總長度611 m．

1.2.1 AGI現場探測方案實施

根據AGI測線布置要求和現場地形條件, 保證單個區域內測點的連續性, 本次測線按網狀布置, 具體布線情況如表1所示．

表1 AGI測線布置表

1.2.2 EH4現場探測方案實施

根據EH4測點布置要求和現場地形條件, 本次測量測點的選取遵循區域控制原則, 即以待測隧道擬開挖軸線為中心劃分區域, 保證單個區域內測點的連續性, 而整個測量范圍內的測點在空間上呈網狀布置, 最后將區域連為整體, 得到沿隧道擬開挖區域一定范圍內地層斷面的電性變化信息． 具體測線布置情況如表2所示．

表2 EH4測線布置表

整體布線如圖2所示(綠色線條代表AGI測線走向, 紫色線條代表EH4測線走向), AGI、 EH4現場布置如圖3所示．

圖2 河流附近AGI法和EH4法測量現場布線圖

圖3 河流附近AGI、 EH4法測線現場布置圖

1.3 理論基礎

1.3.1 非均勻介質中的穩定電流場及視電阻率計算

非均勻介質條件下得到的電阻率是地下半空間體的綜合響應, 稱其為視電阻率ρs[15]:

(1)

將電阻率與電場的分布聯系起來, (1)式的電位差可表示為:

(2)

式中EMN和jMN為測量電極間任意點沿MN方向的電場強度分量和電流密度分量;ρMN為測量電極間任意點的巖石電阻率;dl為測量電極間任意點沿MN方向的長度單元． 將(2)式代入(1)式可得出:

(3)

對于地下均勻各向同性的巖石, 其電阻率為ρ,MN間電流密度為J0, 此時(4)式可寫為:

(4)

此時,ρs應等于ρ, 于是視電阻率的微分公式可表示為:

(5)

根據此式進行反演分析, 掌握數據的變化規律并發現和探查地下介質的分布狀況．

1.3.2 最小二乘反演法

最小二乘反演法[16]的反演過程不需要提供初始模型, 在首次迭代時采用一個均勻介質地下模型作為初始模型, 平滑限定的最小二乘方法方程表示為:

(6)

2 結果分析

采用AGI高密度電法和EH4大地電導率法相結合的綜合物探方法探測電阻率, 其中AGI的探測范圍為0～100 m, 有效范圍為測線長度的1/5～1/3; EH4的探測范圍為40～1 000 m, 有效范圍為40～500 m．

2.1 AGI高密度電法

對AGI每條測線進行溫納和偶極排列反演分析, 得到的結果效果較好, 如圖4所示．

圖4 探測河流測線1-1溫納排列高密度電法反演分析圖

圖4為探測河流測線1-1(溫納排列方式測量)反演分析圖, 探測剖線反演圖形顯示: 電阻率變化范圍在5.5～10 000 Ω·m, 電阻率分布較為均勻, 地電水平分層特征明顯．

圖5為探測河流測線1-2(偶極排列方式測量)反演分析圖, 從探測剖線反演圖中可以看出: 電阻率變化范圍在10.2～10 000 Ω·m, 整體電阻率偏高, 沿布線走向地表以下淺埋層電阻率較低, 該低電阻率區域沿河道走向分布．

圖5 探測河流測線1-2偶極排列高密度電法反演分析圖

圖6為探測河流測線1-3(溫納排列方式測量)反演分析圖, 從探測剖線反演圖中可以看出: 電阻率變化范圍在8.8～8 491 Ω·m, 電阻率變化明顯, 電阻率分布較為均勻, 整體電阻率偏高, 在距測線起點83～90 m的地表下方有電阻率較低的區域． 該異常區域整體位于河床附近, 沿河道走向分布．

圖6 探測河流測線1-3溫納排列高密度電法反演分析圖

圖7為探測河流測線1-4(溫納排列方式測量)反演分析圖, 從探測剖線反演圖中可以看出: 電阻率變化范圍在2.7～6 301 Ω·m, 電阻率變化明顯, 電阻率分布較為均勻, 整體電阻率并不高, 在距測線起點36～48 m的淺埋層有電阻率較低的區域． 該異常區域整體位于河床附近, 沿河道走向分布．

圖7 探測河流測線1-4溫納排列高密度電法反演分析圖

圖8為探測河流測線1-5(溫納排列方式測量)反演分析圖, 從探測剖線反演圖中可以看出: 電阻率變化范圍在9.8～10 000 Ω·m, 電阻率變化明顯, 電阻率分布較為均勻, 整體電阻率偏高, 在距測線起點85～115 m的淺埋層有電阻率較低的區域． 該異常區域整體位于河床附近, 沿河道走向分布．

圖8 探測河流測線1-5溫納排列高密度電法反演分析圖

圖9為探測河流測線1-6(施倫貝格排列方式測量)反演分析圖, 從探測剖線反演圖中可以看出: 電阻率變化范圍在11.8～5 438 Ω·m, 電阻率變化明顯, 電阻率分布較為均勻, 整體電阻率并不高, 在距測線起點6～72 m的淺埋層有電阻率較低的區域． 該異常區域整體位于河床附近, 沿河道走向分布．

圖9 探測河流測線1-6施倫貝格排列高密度電法反演分析圖

圖10為探測河流測線1-7(偶極排列方式測量)反演分析圖, 從探測剖線反演圖中可以看出: 電阻率變化范圍在9.6～10 000 Ω·m, 電阻率變化明顯, 整體電阻率偏高, 在距測線起點3～9 m、 105～110 m的淺埋層有電阻率較低的區域; 在距測線起點110～116 m處的淺埋層存在低電阻率的區域． 該異常區域整體位于河床附近, 沿河道走向分布．

圖10 探測河流測線1-7偶極排列高密度電法反演分析圖

圖11為探測河流測線1-8(偶極排列方式測量)反演分析圖, 從探測剖線反演圖中可以看出: 電阻率變化范圍在5.6～10 000 Ω·m, 電阻率變化明顯, 整體電阻率較高, 在距測線起點8～50 m的淺埋層有電阻率較低的區域． 該異常區域整體位于山腳附近．

圖11 探測河流測線1-8偶極排列高密度電法反演分析圖

對以上信息進行匯總后, 得到表3．

表3 AGI探測河流物探異常區域匯總

根據表中信息, 將測量范圍內低電阻率異常區域標識出來, 即圖12中紅色圓圈劃出區域．

圖12 河流低阻體分布區域圖

圖13 河流低阻體分布斷面圖

經過對AGI高密度電法探測圖像的分析研究發現, 河流附近整體電阻率偏高, 地電水平分層特征明顯． 但在距測線1-3起點83～90 m、 埋深3～6 m范圍內(K15+980附近), 距測線1-4起點36～48 m、 埋深3～6 m范圍內(K15+970附近), 以及距測線1-7起點105～110 m, 埋深15 m附近(K15+975附近)出現低阻異常區域, 此區域黏土含水率較高, 由于該異常區域位于河道和山谷交界處下方, 處于易匯水地帶, 推斷造成此結果的原因是地表下方出現了破碎帶, 地表河流通過破碎帶進入地下, 導致淺層黏土層的含水率增大．

2.2 EH4大地電導率法

EH4大地電導率成像系統采集到的原始數據是時間序列的電場和磁場信號, 儀器通過預處理后, 對其進行FFT變換, 獲得電場和磁場虛分量、 實分量以及相位的數據, 并進行現場一維BOSTICK反演． 選取一維BOSTICK反演結果中合理的相關系數和平滑系數, 導出DAT數據文件, 利用二維分析處理軟件進行相應的二維反演分析; 最后, 對電導率數據進行成圖處理, 得到地層電性圖形, 如圖14～17所示．

圖14 探測河流2-1測線

圖15 探測河流2-2測線

圖16 探測河流2-3測線

圖17 探測河流2-4測線

在河流區域共布置了4條測線, 根據探測結果反演圖形可以看出, 地層電阻率分布范圍分別在-50～1 150 Ω·m、 -50～800 Ω·m、 0～2 500 Ω·m和0～2 800 Ω·m, 地層中電阻率的分布整體表現為自上而下電阻率逐步增加, 這與巖層分布信息吻合． 隧道下方地層電阻率較低, 且探測區域附近存在較多的河水, 表明隧道下方的黏土可能因小構造形成的破碎帶與上部河流連通發生滲漏, 改變了其原有的含水率．

對EH4探測圖像的分析研究發現, 地層電阻率分布范圍在0～480 Ω·m, 地層中電阻率的分布整體表現為自上而下逐步增加, 這與巖層分布信息吻合; 距離隧道下方較近區域的電阻率較低, 說明隧道下方黏土層的含水率較高．

2.3 綜合分析

通過AGI探測圖形發現, 在河床下20 m范圍內出現低阻異常, 可能是因為探測區域黏土含水率較高或處于匯水區域; 而在EH4探測中, 隧道下方也存在低阻區, 黏土含水率較高． 綜合AGI高密度電法以及EH4探測圖像結果, 初步分析得出: 河床至隧道下方一定區域內的電阻率較低, 此時巖層的黏土含水率較高． 已有的調查排除了地下本身存在孔隙水這一原因, 而隧址區處于易匯水地帶, 由此推斷水流可能因隧道下方破碎帶的存在, 通過黏土層與地表間形成的一個連通通道流入地下, 導致了地層中黏土含水率的增大．

3 結論

采用AGI高密度電法和EH4大地電導率法相結合的綜合物探方法進行探測, 通過電阻率繪制的反演結果圖和地層電性圖, 根據電阻率與含水率的關系, 得到以下結論:

(1) AGI測線的反演結果圖顯示: 沿布線走向地表以下淺層電阻率較低, 該低電阻率區域沿河道走向分布, 初步分析造成該現象的原因可能是河床下方淺層的黏土含水率較高或處于匯水區域．

(2) EH4測線的地層電性圖顯示: 地層中的電阻率自上而下逐步增加, 而隧道下方一定范圍內的地層電阻率較低, 初步分析造成隧道下方電阻率低的原因可能是巖層黏土的含水率由下至上越來越高．

(3) 在已知隧址區附近處于易匯水區域且排除原有地下水影響后, 綜合AGI高密度電法和EH4大地電導率法的電阻率結果, 推斷造成河床下方黏土含水率較高的原因是隧道破碎帶的存在使地表與巖層下部貫通, 地表河流通過形成的連通通道進入了黏土層． 將水泥注入黏土中, 在河床下方形成水泥土, 增加黏土層的強度并滿足防滲要求, 為黏土因水引起的失穩問題提供了一種解決方法, 這能在一定程度上減少工程中隧道開挖時災害的發生．