大地電磁法在九寨溝-綿陽高速松柏隧道中的應用

摘要 大地電磁法是隧道評價中預判巖性、斷層、富水構造探測的重要方法。以九寨溝—綿陽高速松柏隧道為典型案例，在介紹基本工程地質條件基礎上，分析了在隧道區選取大地電磁法的依據，采用大地電磁測深法（EH-4）在隧道上方地面中線進行勘察。根據物探試驗成果，并結合既有地質資料，給出松柏隧道沿線工程地質特性，確定隧道沿線可能存在的巖溶、斷層位置和產狀以及軟弱巖層等不良地質區段的具體范圍，為施工提供參考依據。

關鍵詞 大地電磁法； 松柏隧道； 地質構造； 巖土體特征

中圖分類號 U452.1+1 文獻標志碼 B

0引言

近年來，我國西部山區的大量交通線路在加速建設，就會伴隨大量隧道開挖［1］。西部地區隧道工程地質條件和水文地質條件均是十分復雜的，斷層、褶皺、滑坡、巖溶等地質現象也是交錯橫生［1］，而這些不良地質現象處，也是最易導致隧道安全事故之處，所以是十分有必要在隧道建設之初，對隧道的工程地質條件進行整體把握，做好相應的應對措施。

目前，采取的地質勘察方法主要有鉆探和物探［2］。受多種因素（地形地貌、隧道埋深等）影響，導致隧道全線采取鉆探方法是極其困難的，加之鉆孔為一孔之見，一點帶線的方法也是不可取的［3］。物探方法能夠在一定程度上避免鉆孔的一孔之見，一點帶線的缺點，受到地質勘察人員的青睞。近年來，鉆探與物探結合的方法逐漸成為主流勘察手段，能夠相互互補，從而達到快速、經濟、有效的目的。

物探方法能夠對隧道沿線的地質環境進行勘察，預防不良地質災害的發生，一定程度上明確地質構造的位置和規模［4］。采用的物探方法有地震波類、高頻電磁波、電法、電磁法類等［5-7］。由于不同方法的原理不同，各個方法的探測距離、精度和適用環境等是不同的［1］。在利用物探方法進行勘探時，應根據現場環境條件等影響因素，選取合適的物探方法。

本文以九寨溝—綿陽高速松柏隧道物探勘察為例，采用大地電磁法探測區內各條測線上斷層的分布及埋深情況，根據解譯得到的綜合成果，對各條測線上的施工條件作出評價，為后續的施工提供科學的依據。

1工程區概況

松柏隧道位于四川省阿壩藏族羌族自治州九寨溝縣雙河鄉境內，進口位于雙河鄉抹地村，緊鄰省道S301，出口位于雙河鄉松柏村村口，緊鄰省道S205，進口距九寨溝縣城僅15 km，出口距九寨溝縣城僅12 km，交通極為便利。隧道為分離式雙線隧道，左線起止里程樁號為ZK11+745～ZK15+166，長3 405.273 m；右線起止里程樁號為YK11+750～YK15+152，長3 382.038 m，屬特長隧道，隧道最大埋深860 m，單洞寬10.25 m，洞凈高5 m。

隧道進口位于白水江右岸山體中，出口位于湯珠河右岸山體中，所在山體最高海拔2 750 m，最低處位于隧道進口白水江水面高程1 245 m，相對高差近1 505 m。湯珠河近NE向匯入白水江后向東流淌，場地總體S高N低。隧區主要為高山和河曲，屬侵蝕堆積地貌。隧道進口位于白水江右側省道S301內側，斜坡坡度30°～50°，覆蓋層松散，植被稀少，沖溝發育；隧道出口位于湯珠河右側斜坡，斜坡坡度約40°～55°，坡體覆蓋層較厚，植被不發育，坡腳為菜地。

根據區域地質資料、地質測繪和鉆探揭露，隧址區出露地層為第四系全新統沖洪積層（Q₄^al+pl）卵石土；第四系全新統坡積層（Q₄^dl）碎石土；第四系更新統崩坡積層（Q4c+dl）碎、塊石土；第四系更新統沖洪積層（Q₃^al+pl）含碎石角礫和含碎石粉土；上古生界二疊系下統（P₁^2-4、P₁^2-2）灰巖為主，夾互板巖和炭質千枚巖。

松柏隧道區位于新構造活動強烈川西北地區，位于由塔藏斷裂、文縣—康縣斷裂所組成的文縣弧形斷裂帶，岷江斷裂、雪山斷裂及虎牙斷裂所組成的西部邊界斷裂帶及其東南部的龍門山斷裂帶三大主斷裂帶所圍限成的楔形地塊內部。

2現場物探試驗

2.1選取大地電磁法的依據

為選取適用于九寨溝-綿陽高速松柏隧道物探勘察的技術手段，首先對周邊的地形地貌、地質條件以及人類工程活動等進行詳細調查。調查得出：

（1）工區周圍工業不發達，電磁干擾一般。

（2）工區地表土層濕潤，接地良好。

（3）區內覆蓋層與深部圍巖有明顯的電阻性差異，且地質條件相對簡單，地層分布也較簡單。

因此，最終應用大地電磁法在測區內隧道上方查明存在的斷層產狀及破碎帶寬度，巖溶、富水區的埋深和規模，地層分界線等不良工程地質問題，是完全可行的。

2.2物探試驗設計

勘察路線沿隧道上方地面中線進行布設，布設一條物探勘探線（圖1），總長2.90 km，物探測點點距為25 m，共布設124個。儀器采用20世紀90年代由美國EMI公司和Geometrics公司聯合推出的EH4連續電導率剖面儀，大地電磁測深法EH4工作參數如下：點距25 m，MN極距為40 m，采集高頻及低頻數據，采集范圍為1～100 kHz，疊加次數為6次［3］。

3物探結果分析

通過對EH4電磁測深數據進行室內處理，獲取可視化電磁測深斷面（圖2）。測線全長2.9 km，里程為ZK12+220～ZK15+120，由大地電磁測深反演斷面（圖2）可知：

（1）物探資料顯示隧道進口段由于地形較陡無法布置EH-4測量點，隧道里程ZK12+220～ZK12+490附近受到高壓線影響（距工點50～200 m不等），為抑制干擾，適當將測點遠離高壓線并合理調整磁探頭方向，適當縮短電極距，但各頻段均出現數據異?，F象，該段數據失真，此段干擾較為嚴重，應結合其他資料使用，結合地質調查等資料，本段圍巖巖性主要為灰巖、板巖及千枚巖，板巖的電阻率約在1 000 Ω·m左右，灰巖電阻率值約為1 000～10 000 Ω·m，千枚巖電阻率值約為1 000～3 000 Ω·m，而本段實測EH4卡尼亞視電阻率普遍低于其對應巖性電阻率值，推測為巖體極破碎—破碎，巖質軟，圍巖穩定性較差—差，巖溶弱發育，設計和施工中，整段均需加強支護，預防塌方和涌水。

（2）物探資料顯示隧道里程ZK12+490～ZK12+940電阻率變化范圍較小，結合地質調查資料，本段圍巖巖性主要為灰巖、板巖及千枚巖，板巖的電阻率約在1 000 Ω·m左右，灰巖電阻率值約為1 000～10 000 Ω·m，千枚巖電阻率值約為1 000～3 000 Ω·m，而本段實測EH4卡尼亞視電阻率普遍低于其對應巖性電阻率值，推測為巖體較破碎～破碎，巖質較硬～軟弱，圍巖穩定性較差～差，巖溶弱發育，設計和施工中，建議整段加強支護，預防塌方和涌水。

（3）物探資料顯示隧道里程ZK12+940～ZK13+260電阻率變化范圍較小，結合地質調查資料，本段圍巖巖性主要為灰巖、板巖及千枚巖，板巖的電阻率約在1 000 Ω·m 左右，灰巖電阻率值約為1 000～10 000 Ω·m，而本段實測EH4卡尼亞視電阻率普遍略低于其對應巖性電阻率值，推測為巖體較完整，巖質較硬，圍巖穩定性一般，巖溶弱發育，設計和施工中，建議加強支護，預防塌方和涌水。

（4）物探資料顯示隧道里程ZK13+260～ZK13+450段以低電阻率值為主，結合地質調查資料，本段圍巖巖性主要為灰巖、板巖及千枚巖，板巖的電阻率約在1 000 Ω·m 左右，灰巖電阻率值約為1 000～10 000 Ω·m，千枚巖電阻率值約為1 000～3 000 Ω·m，而本段實測EH4卡尼亞視電阻率普遍遠低于其對應巖性電阻率值，推測為巖體破碎，巖質軟弱，圍巖穩定性差，巖溶弱發育，設計和施工中，建議整段加強支護，預防塌方和涌水。

（5）物探資料顯示隧道里程ZK13+450～ZK13+786段以較高電阻率值為主，推測為巖體較完整，巖質軟較硬，圍巖穩定性一般～較差，巖溶弱發育，設計和施工中，建議加強支護，預防塌方和涌水。

（6）物探資料顯示隧道里程ZK13+786～ZK14+140段以低電阻率值為主，結合地質調查資料，巖體擠壓揉皺嚴重，巖層產狀不穩定，推測為巖體破碎，巖質較軟—軟，圍巖穩定性差，巖溶弱發育，設計和施工中，建議整段加強支護，預防塌方和涌水。

（7）物探資料顯示隧道里程ZK14+140～ZK14+620附近電阻率變化范圍較大，且以低電阻率為主，并存在由地表向深部延伸的低電阻區域，結合地質調查資料，推測為溶蝕破碎帶或斷層碎碎帶，巖體極破碎、富水，巖質軟，圍巖穩定性差，設計和施工中，建議整段加強支護，預防塌方和涌水。

（8）物探資料顯示隧道ZK14+620～ZK15+120段電阻率變化范圍較小，且以中、高電阻率為主，結合地質調查資料，本段圍巖巖性主要為灰巖、板巖及千枚巖，板巖的電阻率約在1 000 Ω·m左右，灰巖電阻率值約為1 000～10 000 Ω·m，千枚巖電阻率值約為1 000～3 000 Ω·m，而本段實測EH4卡尼亞視電阻率值普遍略低于其對應巖性電阻率值，推測為巖體較完整—較破碎，巖質較硬—軟弱，圍巖穩定性一般，巖溶弱發育，建議設計和施工中加強支護，預防塌方和涌水。

結合物探成果以及已有的現場勘察資料，綜合分析得出，采用大地電磁法所獲得的松柏隧道的地球物理特征與實際所得踏勘、鉆探等測量成果是較為一致，該物探成果具有較高可信度。松柏隧道中ZK13+786～ZK14+140段（褶皺段）和ZK14+140～ZK14+620段（斷層段）均以低電阻率為主，推測褶皺和斷層地質構造中富水，開挖時應予以重視，以防發生突水事故。最終確定松柏隧道K13+600～K14+140附近存在一褶皺，導致巖體破碎（圖3）；K14+140～K14+650段附近存在一規模較大的斷層帶，該斷層及影響帶寬540 m左右，斷層導致影響帶巖體極破碎、富水，巖質軟。同時，利用大地電磁法除能夠預測大規模的地質構造外，也能夠對于表觀看似完整，實則巖體質量較差的巖體進行預測，

為隧道的開挖一定程度的超前預報。利用物探技術也能夠在一定程度上避免鉆孔的一孔之見。

4結論

通過天然場大地電磁測深成果，推斷出探測區內測線上巖土地質特性、斷層的分布及埋深情況，軟弱巖層、巖溶情況，為后續的施工提供科學依據。

（1）根據前期勘察成果，比選得出大地電磁法更適用于九寨溝—綿陽高速松柏隧道的地質勘察。

（2）通過大地電磁法測深成果，對隧道不同區段的工程地質條件進行分析，推測出不同區段的巖體質量情況，并提前提出相應的工程災害預防措施和防治措施，有效指導現場施工。

（3）ZK13+786～ZK14+140段（褶皺段）和ZK14+140～ZK14+620段（斷層段）2段巖體均以低電阻率為主，推測地質構造中富水，開挖時應予以重視，以防發生突水事件，造成人員傷亡。

參考文獻

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