大地電磁法在西南復雜山區巖溶隧道中的應用
——以漢廣高速天星隧道為例

熊 坤,田文豐,陳 彬

四川省交通勘察設計研究院有限公司,四川 成都 610017

0 引言

隨著成渝雙城經濟圈戰略的迅速推進,川渝地區交通線路建設加速推進,同時涌現了大量隧道工程。由于川渝地區地質環境特殊,地層巖性多樣化,地質構造、巖溶、采空區等不良地質現象錯綜復雜,是隧道工程施工和運營期間的控制性因素[1]。故在隧道建設初期,即對隧道工程地質條件進行把控,對隧道施工風險性評估就顯得尤為重要。

隧道勘察常規手段一般為地質調繪和鉆探[2],但采用常規手段對埋深較大、地質情況復雜、伴隨采空區、存在巖溶等隧道就顯得力不從心,對不良地質的判斷手段較為單一[3]。近年來大地電磁在隧道勘察中應用越來越廣泛,物探可以對隧道沿線地質環境進行勘察,一定程度上可以明確隧道洞身段的構造、富水帶位置,其在一定程度上可以彌補常規勘察手段的不足,深受地質勘察者的青睞[4-5]。

本文以漢廣高速天星隧道為例,采用大地電磁法對隧道中線進行物探勘察,根據解譯成果綜合判定巖溶隧道富水帶位置,對隧道后期施工涌突水風險點、面進行科學預判。

1 工程區概況

擬建天星隧道位于旺蒼縣天星鄉青峰村至木瓜村一帶,擬設計雙洞雙向3車道隧道,洞軸線為曲線形。隧道左線進出口里程樁號為ZK19+946～ZK25+421,軸向走向250°～204°,隧道洞身呈人字坡,隧道頂板最大埋深約440.2m,全長5 475 m,屬特長隧道;右線進出口里程樁號為K19+770～K25+200,軸向走向250°～204°,設計路面標高1 156.96～1 201.67 m,隧道頂板最大埋深約432.8 m,全長5 430 m,屬特長隧道。單洞寬16 m,洞凈高8 m。

隧道整體頂部位于區內二級夷平面內,高程1 400～1 500 m,整體地勢相對較平緩,山體渾厚,東側與北側被切割為陡崖。進口位于山體北側斜坡坡腳位置,高程1 176 m,自然斜坡坡度33°～42°,坡度較陡;出口位于木瓜村斜坡地帶,高程1 156 m,自然斜坡坡度24°～39°,整體地表較順直,斜坡植被多為灌木。整體隧址區地處中山區,屬于構造剝蝕中山地貌,山勢較為陡峻。

隧址區位于揚子準地臺的北緣,屬呂梁期構造層之上的蓋層構造,包括加里東及印支構造層組成。該區構造總的特點是具過渡帶特征,地質構造主體為米倉山構造帶,以E-W走向的短軸狀、箱狀及線狀不對稱褶皺為主,斷裂構造除與基底構造銜接帶外,一般都不發育。擬建隧道走向大體呈S-N向展布,隧址展布區域未見斷層分布,主要穿越的褶皺為福慶場復式向斜及其次級褶皺。

2 物探測試

2.1 選取物探方法的依據

為選取適用于天星隧道的物探方法,首先對工程區及周邊地形地貌、地層巖性及影響因素等進行調查,調查得出結論如下。

1)工程區地表分布土層較厚,且土層濕潤,接地良好。

2)工程區周圍工業不發達,電磁干擾較弱。

3)工程區覆蓋層與基巖有明顯的電阻差異。

因此,選取大地電磁法應用在隧道上方查明隧道地層界線、圍巖強度、巖溶、富水帶、構造行跡等工程地質條件及不良地質問題完全可行。

2.2 物探試驗設計

物探試驗線路沿隧道頂部中線進行布設,總長5.50 km,物探測點間距20～30 m,其中可溶巖區測點間距為20 m,非可溶巖測點間距為30 m,共布設測點172個,同時采集典型巖石標本105塊,測定標本電性進行電性統計。

儀器采用美國Geometrics公司制造的EH4連續電導率剖面儀,系統主要參數為:采集頻率范圍為1～100 kHz,極距高頻模式下最大50 m,低頻模式極距可以大于50 m,疊加次數為10次,干擾較大時疊加14次。

3 物探解譯成果分析

通過室內解譯EH4電磁測深數據,獲取可視化隧道洞身電阻率等值線斷面圖(見圖1),視電阻率成果圖符合沉積巖沉積特性,二疊系灰巖視電阻率值較高,志留系、三疊系泥質巖類視電阻率值相對較低,整條線視電阻率曲線圖對地質構造反應較好。測線全長5 430 km,里程樁號為K19+770～K25+200,由大地電磁測深反演斷面圖可知以下情況。

圖1 天然場大地電磁測深反演斷面

1)隧道進口段里程K19+770～K20+170段隧道圍巖巖性主要為志留系龍馬溪組砂巖、頁巖等。通過對巖塊測試獲取頁巖巖塊電阻率值分布于500～1 100 Ω·m,砂巖巖塊電阻率分布于500～1 500 Ω·m,大地電磁法獲取該段巖體電阻率主要分布于300～500 Ω·m。巖體電阻率普遍低于對應巖塊電阻率值,推測該段圍巖整體完整性較差,巖體呈破碎～較破碎狀,地下水較豐富,圍巖穩定性較差,建議在該段隧道圍巖設計和施工中,加強排水和支護,預防塌方和冒頂風險。

2)隧道第1段里程K20+170～K20+726段圍巖巖性主要為志留系龍馬溪組砂巖、頁巖等。通過對巖塊測試獲取頁巖巖塊電阻率值為500～1 100 Ω·m,砂巖巖塊電阻率為500～1 500 Ω·m,大地電磁法獲取該段巖體電阻率主要分布于600～800 Ω·m,巖體電阻率普遍與應巖塊電阻率值相當,推測該段圍巖巖體較完整,巖體呈較完整～完整狀,地下水一般,由于圍巖巖質較軟,圍巖穩定性一般,建議在該段隧道圍巖設計和施工中要加強支護。

3)隧道第2段里程K20+726～K21+036段圍巖巖性主要為二疊系棲霞組、茅口組灰巖。通過對巖塊測試獲取灰巖巖塊電阻率值分布于1 000～2 500 Ω·m,大地電磁法獲取該段巖體電阻率主要分布于500～600 Ω·m。巖體電阻率普遍低于對應巖塊電阻率值,推測該段圍巖巖體完整性差,巖體呈較破碎～破碎狀,地下水豐富,圍巖穩定性較差,且該段電阻等值線呈明顯“漏斗狀”,位于天星向斜核部,地下巖溶強～極強發育。建議隧道圍巖設計和施工中,加強排水和支護,預防塌方、涌突水和突泥等風險。

4)隧道第3段里程K20+726～K22+840段圍巖巖性主要為二疊系下統棲霞組、茅口組灰巖,上統砂巖、頁巖等。通過對巖塊測試獲取灰巖巖塊電阻率值約分布于1 000～2 500 Ω·m,頁巖巖塊電阻率值分布于500～1 100 Ω·m,砂巖巖塊電阻率值分布于500～1 500 Ω·m,大地電磁法獲取該段巖體電阻率主要分布于600～2 500 Ω·m。電阻率變化范圍較大,巖體電阻率與對應巖塊電阻率值相當,局部巖體電阻率略低于對應巖性電阻率值,推測該段為天星背斜核部,且背斜頂部地表巖溶極強發育,隧道洞身段地下巖溶發育相對較弱,圍巖巖體較完整,巖體呈較完整狀,地下水一般,建議該段隧道圍巖設計和施工中加強支護,背斜核部段要預防涌水風險。

5)隧道第4段里程K22+840～K23+540段圍巖巖性主要為三疊系下統飛仙關組鈣質泥巖。通過對巖塊測試獲取鈣質泥巖巖塊電阻率值分布于400～500 Ω·m,采用大地電磁法獲取該段巖體電阻率主要分布于400～600 Ω·m。巖體電阻率與對應巖塊電阻率值相當,局部巖體電阻率略低于對應巖性電阻率值,推測該段為趙家山向斜區域,向斜核部為傾角較陡,兩翼傾角較緩,圍巖巖體較完整,巖體呈較完整狀,地下水一般。建議該段隧道圍巖設計和施工中加強支護,預防塌方,向斜核部預防涌水風險。

6)隧道第5段里程K23+540～K24+572段圍巖巖性主要為三疊系下統飛仙關組泥灰巖,二疊系上下統砂巖、頁巖、灰巖等。通過對巖塊測試獲取灰巖巖塊電阻率值約分布于1 000～2 500 Ω·m,頁巖巖塊電阻率值分布于500～1 100 Ω·m,砂巖巖塊電阻率值分布于500～1 500 Ω·m,泥灰巖電阻率值分布于600～1 500 Ω·m,大地電磁法獲取該段巖體電阻率主要分布于600～2 000 Ω·m。電阻率變化范圍較大,巖體電阻率與對應巖塊電阻率值相當,局部巖體電阻率略低于對應巖性電阻率值,推測該段為李家山背斜區域,且背斜頂部地表巖溶中等～強發育,隧道洞身段地下巖溶發育相對較弱,圍巖巖體完整性較好,圍巖穩定性一般,地下水一般。建議該段隧道圍巖設計和施工中加強支護,預防涌水、突水、突泥等風險。

7)隧道出口段里程K24+572～K25+200段圍巖巖性主要為三疊系下統飛仙關組泥灰巖、鈣質泥巖等,通過對巖塊測試獲取泥灰巖巖塊電阻率值分布于600～1 500 Ω·m,鈣質泥巖巖塊電阻率值分布于400～500 Ω·m,大地電磁法獲取該段巖體電阻率主要分布于300～400 Ω·m,巖體電阻率普遍低于對應巖塊電阻率值,推測該段圍巖巖體完整性差,巖體呈破碎～較破碎狀,地下水較豐富,圍巖穩定性較差。建議在該段隧道圍巖設計和施工中加強支護,預防塌方、冒頂等風險。

4 物探解譯成果與勘察成果對比分析

結合已有的現場地質調繪、勘察等資料,綜合分析得出天星隧道工程地質縱斷面(見圖2),從物探解譯成果與勘察成果對比分析可知,大地電磁法獲取的天星隧道地球物理特征與實際勘察成果吻合度極高,說明大地電磁法在天星隧道中運用可行,且測試成果可信度較高。

圖2 天星隧道工程地質縱斷面

1)隧道穿越天星向斜核部位置:物探解譯該段電阻以低阻為主,呈“漏斗”狀;鉆探揭露向斜核部巖性主要為二疊系下統棲霞茅口組灰巖,地下溶洞呈串珠狀發育,地表、地下巖溶強～極強發育,是該隧道施工中涌水和突水、突泥的最大風險點,成果較為一致。

2)隧道穿越天星背斜核部位置:物探解譯該段巖體較為完整,地下巖溶發育相對較弱;鉆探揭露背斜核部位置巖性主要為二疊系下統棲霞茅口組灰巖、志留系砂巖、頁巖和白云質灰巖等,洞身段主要以志留系砂巖夾頁巖和灰巖透鏡體等為主,溶蝕現象不明顯,成果較為一致。

3)隧道穿越趙家山向斜核部位置:物探解譯該段電阻以低阻為主,整體巖體完整性較好,巖質較軟,圍巖穩定性一般,地下水一般,地下巖溶弱發育;鉆探揭露趙家山向斜核部位置巖性為三疊系下統飛仙關組鈣質泥巖,巖質較軟,裂隙較發育,巖體完整性一般,未見明顯溶蝕現象,成果較為一致。

4)隧道穿越李家山背斜核部位置:物探解譯該段電阻以高阻為主,隧道洞身段地下巖溶發育相對較弱,巖體完整性較好,圍巖穩定性一般,地下水一般;鉆探揭露李家山背斜核部位置巖性主要為二疊系下統茅口組灰巖為主,裂隙稍發育,巖體較完整,溶隙現象不明顯,巖溶弱發育,成果較為一致。

5 結論

通過大地電磁法對天星隧道天然場地球物理特征解譯成果分析,推測隧道洞身地層界線、圍巖強度、巖溶、富水帶、構造行跡等工程地質條件及不良地質問題,為后續施工提供可靠的科學依據[6]。

1)大地電磁法用于天星隧道的地質勘察可行,且物探成果與勘察成果吻合度較高,大地電磁法測試成果具有較高可信度。

2)通過大地電磁法對隧道圍巖工程地質條件分段分析評價,推測不同區段圍巖條件和存在的工程地質問題,為應對隧道洞身不良地質分布的點、面、線提前進行風險評估,為制訂防治措施提供科學依據,有效指導現場施工。

3)隧道穿越天星向斜核部位置(K20+726～K21+036段),隧道圍巖主要為二疊系下統可溶巖,電阻率均以低阻率為主,電阻率等值線斷面圖呈“漏斗”狀,推測該段地下巖溶強烈發育,巖體極富水,涌水、突水、突泥等風險性極高,開挖時須高度重視。且該段開挖后可能疏干地表水,須提前考慮應對措施。