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        綜合物探方法在隧道地質(zhì)工程勘查中的研究應(yīng)用

        2015-05-04 21:46:22張標(biāo)東
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年13期
        關(guān)鍵詞:折射波風(fēng)化層高密度

        張標(biāo)東

        摘 要:為查明隧道工程中可能存在的不良地質(zhì)情況,文章從應(yīng)用地球物理學(xué)領(lǐng)域以高密度電法、地震折射波法、地震反射波法、電測深法的原理和優(yōu)缺點出發(fā),根據(jù)現(xiàn)場實際情況,采用三種物探方法對某隧道地下地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測,結(jié)果表明,綜合三種物探方法在隧道地質(zhì)勘查過程中具有節(jié)約成本、省時、準(zhǔn)確的特點。

        關(guān)鍵詞:隧道勘查;綜合物探;地質(zhì)勘查

        前言

        近年來我國社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,地面交通需求越來越大,以公路和鐵路為主,路面交通線一般由路基、涵洞、隧道等工程建筑物組成。隧道是修建在地層中的地下工程,被廣泛用于國防、礦山、水利、市政、公路和鐵路等方面。我國地形地貌具有復(fù)雜性和多樣性,在隧道施工過程中,由于斷裂破碎帶的存在會帶來坍塌風(fēng)險,含水性強(qiáng)的地層會在施工過程中帶來透水事故,從而嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和效率。地球物理方法具有成本低、精度高、連續(xù)性強(qiáng)、破壞性小等優(yōu)點,綜合利用不同的物探方法可以非常準(zhǔn)確地確定地下地質(zhì)情況,因此工程物探技術(shù)在隧道地質(zhì)勘察中表現(xiàn)出其優(yōu)越性。

        1 常見隧道地質(zhì)災(zāi)害

        1.1 圍巖變形破壞

        圍巖變形破壞的表現(xiàn)形式包括:軟弱巖層、膨脹性巖土變形、位移,松散層塌落,堅硬巖層巖爆等。

        1.2 涌水、突水

        涌水、漏水主要發(fā)育于節(jié)理裂縫密集帶、破碎帶,突水主要發(fā)生于巖溶、洞穴和含水層帶。

        1.3 地面塌陷

        主要由隧道內(nèi)長期涌水和大量抽取地下水造成。

        2 常用物探方法簡介

        地球物理勘探是以巖石的電性、磁性、放射性、力學(xué)性質(zhì)的差異為基礎(chǔ),運用不同的數(shù)學(xué)物理方法和物探儀器,探測地下地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)分布,并解決地下地質(zhì)問題的方法。解決不同的地質(zhì)問題,可選取不同的物探手段。而綜合利用不同的方法主要對解決某一地質(zhì)問題可以帶來更精確的解釋。

        2.1 地震折射波法

        彈性波發(fā)生折射遵循斯奈爾定律。地震折射波法是研究在速度分界面上滑行波引起的震動,當(dāng)?shù)卣鸩ㄒ耘R界角入射時,射線在速度分界面發(fā)生全反射,從而引起上邊介質(zhì)的掛點震動,并以某一角度返回地面,被地面檢波器接收。該方法可以進(jìn)行地層劃分,為圍巖分級提供速度資料,并判斷低速帶和斷層破碎帶。該方法勘探深度小,在斷層、破碎帶判定上有一定的局限性。

        2.2 電測深法

        電測深法是以地下巖石的電阻率差異為基礎(chǔ),以一定的極距觀測不同深度巖層的視電阻率,通過研究地電斷面,用以分析地下地質(zhì)構(gòu)造或解決地質(zhì)問題。該方法可以用來劃分地層,并查找地下不良地質(zhì)現(xiàn)象,如巖溶、斷層或破碎帶。該方法不能進(jìn)行準(zhǔn)確定量解釋,受地形起伏影響大。

        2.3 地震反射波法

        地震反射波法是在離震源較近的若干觀測點上,測定地震波從震源到不同彈性的地層界面上反射回到地面的時間,測線不同位置上的法線反射時間的變化可以反映地下地層的構(gòu)造形態(tài),從而達(dá)到劃分地質(zhì)層位、斷層、采空區(qū)和巖溶等地質(zhì)情況。但該方法勘探成本高,山地工作難度大,不能直接反映速度信息。

        2.4 高密度電法

        高密度電阻率是用高密度布點的原則,從二維地電斷面測量電阻率,并根據(jù)電阻率值的特征進(jìn)行地層的劃分、查找不良地質(zhì)體。但該方法受地形影響較大,不能做定量解釋,勘探深度有限。

        2.5 電磁測深法

        頻率域電磁測深法是以地殼中巖石和礦石的導(dǎo)電性與導(dǎo)磁性的差異為基礎(chǔ),分析電磁波在地下不同介質(zhì)傳播過程中的地表表現(xiàn)的不同特征,從而了解地下介質(zhì)的電性變化情況,以推斷地下地質(zhì)情況。

        電磁測深方法包括大地電磁測深(MT)、音頻大地電磁測深(AMT)、可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)等。

        以可控源大地電磁測深法為例,它是基于電磁法理論和麥克斯韋方程組,在音頻大地電磁法和大地電磁法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種人工源頻率域測深方法??煽卦匆纛l大地電送給法的卡尼亞視電阻率方程:

        (1)

        式中,Ex為電場,Hy為磁場,?籽s為視電阻率,f為頻率。

        趨膚深度公式如下:

        (2)

        式中D為探測深度,m;?籽為地表電阻率,Ω·m;f為頻率,Hz。

        3 應(yīng)用實例

        3.1 工區(qū)概況

        為設(shè)計一座地下管線隧道,隧道長190米。要求進(jìn)行綜合物探勘察,以查明隧道沿線60米深度范圍內(nèi)的地層情況,判斷不良地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)育情況,并對隧道圍巖進(jìn)行分組。隧道位于淺變質(zhì)巖低山丘剝蝕區(qū),具有低山溝谷,海拔在60~100米,地形平緩。從隧道附近的地表出露地層可以看出,自下而上依次為:中元古界長城系和第四系全新統(tǒng)。

        (1)中元古界長城系巖性以灰白色灰?guī)r和灰黑色板巖互層為主,板巖主要礦物成分為石英、長石、云母等,灰?guī)r主要成分為變晶結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造。

        (2)第四系全新統(tǒng)殘坡積巖性主要為黃褐色粉質(zhì)粘土、角礫呈棱角狀,主要為板巖風(fēng)化物。

        3.2 物探方法選擇

        隧道勘查共采取了三種物探方法,分別是地震折射波法、高密度電法和地震反射波法。其中地震折射波法測線三條,地震反射波法測線一條,高密度電法測線五條。具體工作布置如下:

        (1)地震折射波法測線三條,每條測線長115米,接收道數(shù)均為24道,道間距為5米;(2)高密度電法測線五條,其中沿隧道方向布置三條,與隧道軸線方向垂直布設(shè)兩條,平行軸線的測線長295米,垂直軸線的測線長145米;(3)地震反射波法沿隧道軸線布設(shè)一條測線,測線長277米。

        3.3 成果分析

        3.3.1 高密度電法

        通過資料處理,得到視電阻率等值線斷面圖,如圖1,分析成果圖可以看出:

        (1)地表為第四系覆蓋層、風(fēng)化層,深度在12米以上,電阻率低,一般在30~80Ω·m;在12~30米深度,視電阻率增大,一般在80~160Ω·m,為中等風(fēng)化層;再往下為弱風(fēng)化巖層,電阻率大于160Ω·m。(2)在SD2+60測點處視電阻率有級帶存在,推測有斷層存在,該斷層由東向西傾斜,但規(guī)模較小。

        圖1 高密度電阻率視電阻率等值線斷面圖

        3.3.2 地震折射波法

        圖2為地震折射波法成果,從地震折射波曲線圖可以看出,7~12米有一折射面,折射面以上為第一波速帶,折射面以下為第二波速帶。第一波速帶速度低,一般在500~660m/s之間,推測為覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化層。第二波速帶速度在2000~3000m/s之間,為中等風(fēng)化層。

        3.3.3 地震反射波法

        圖3為地震反射波法偏移時間剖圖,從圖中可以看出有兩個反射界面。第一反射界面深度在9~12米,反射時間在30~40ms之間,推測這一界面以上為覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化層;第二反射界面深度在24米,反射時間在50~60ms,推斷該段為中等風(fēng)化層,其底界深度在35米左右;隧道經(jīng)過中等風(fēng)化層,但反射波同相軸連續(xù)性較好,未發(fā)生明顯錯動,表明該段無斷層存在。

        圖3 地震反射波法偏移時間剖面

        3.4 綜合解釋

        結(jié)合地震折射波法、高密度電阻率法、地震反射波法,對工區(qū)進(jìn)行綜合地球物理勘探,處理解釋結(jié)果分析如下:

        (1)高密度電阻率法解釋結(jié)果中,覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化層電阻率值在30~80Ω·m,層界面在6~12米;地震折射波縱波速度在500~600m/s,層界面在7~12米;地震反射波第一反射界面在30~40ms,深度在9~12米。綜合推斷覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化層底界面在9~12米。(2)高密度電阻率法解釋結(jié)果中,中等風(fēng)化層電阻率值在80~160Ω·m,層界面在30~40米;地震反射波第二反射界面在50~60ms,深度在30~36米。綜合推斷中等風(fēng)化層底界面在30~36米。(3)弱風(fēng)華層在36米以下,電阻率大于160Ω·m,縱波速度大于3000m/s。(4)地震折射波法和地震反射波法結(jié)果中未發(fā)現(xiàn)斷裂帶存在,而高密度電阻率法結(jié)果中SD2+60處有一視電阻率梯度帶,推斷該處有一小規(guī)模斷層存在。(5)從不同物探綜合解釋成果中可以看出,隧道的圍巖分布于中等風(fēng)化巖層中,縱波速度在2200~2800m/s。(6)根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》,對該隧道的圍巖按BQ值法進(jìn)行分級,分級結(jié)果見表1。

        表1 隧道BQ值圍分組表

        4 結(jié)束語

        為準(zhǔn)確探測隧道施工中遇到的不良地質(zhì)情況,采用地球物理勘探方法可以達(dá)到事半功倍的效果。文章根據(jù)不同的地質(zhì)情況,分別闡述了高密度電法、地震折射波法、地震反射波法、電測深法的原理和優(yōu)缺點。在實際隧道地質(zhì)勘查過程中,采用三種物探方法對地下地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行勘探,結(jié)果表明,物探方法在隧道地質(zhì)勘查過程中具有成本低、精度高、破壞性小的特點。

        參考文獻(xiàn)

        [1]陳璋,劉璋捷.山區(qū)公路深埋隧道勘察中工程物探的運用[J].山地學(xué)報,2004,22(3):347-351.

        [2]王振東.淺層地震勘探應(yīng)用技術(shù)[M].北京:地質(zhì)出版社,1988.

        [3]楊成林,等.瑞雷波勘探[M].北京:地質(zhì)出版社,1993.

        [4]袁桂琴,熊盛青,孟慶敏,等.地球物理勘查技術(shù)與應(yīng)用研究[J].地質(zhì)學(xué)報,2011,85(11):1744-1802.

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