劉芃呈，曲興輝

（遼寧省大伙房水庫(kù)輸水工程建設(shè)局，遼寧沈陽100166）

0 引 言

遼寧省大伙房水庫(kù)輸水（二期）工程輸水隧洞段全長(zhǎng)29.1 km，為有壓隧洞，圓形斷面，成洞洞徑6 m，水頭高約50 m。洞線穿越撫順市南郊，區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜。受中等強(qiáng)度構(gòu)造作用和長(zhǎng)期剝蝕切割作用，基巖埋深較淺，風(fēng)化嚴(yán)重。隧洞于此地貌單元的埋藏深度一般為30～50 m，出口段近2 km處于丘陵區(qū)與平原區(qū)的過渡部位，平均埋深僅25 m左右，部分地段洞室上部圍巖厚度小于2倍洞徑。洞室圍巖主要為第三系頁(yè)巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及第四系坡積碎石土，均為軟巖。其中巖石以全風(fēng)化、弱風(fēng)化為主：全風(fēng)化巖多呈土狀或原巖碎粒與粘土相膠結(jié)，巖層產(chǎn)狀345°∠33～60°，其走向基本與軸線平行。弱風(fēng)化巖體較破碎～破碎，局部完整性差，呈薄層～互層狀，局部碎裂結(jié)構(gòu)，節(jié)理面閉和，平直光滑，洞室開挖過程中易發(fā)生涌突水、突泥、塌方等不良工程地質(zhì)現(xiàn)象，一旦事故發(fā)生，將造成巨大的工程損失甚至延誤工期。因此，采用先進(jìn)的地球物理探測(cè)技術(shù)——可控源音頻大地電磁測(cè)深法（CSAMT）和電阻率層析成像（RT）開展地球物理探測(cè)工作，以探查隧洞段的斷層構(gòu)造、地下水空間分布特征，同時(shí)探查各段的覆蓋層厚度、各類巖層分界以及風(fēng)化程度等等，并結(jié)合地質(zhì)鉆孔勘探成果進(jìn)行相互比對(duì)，綜合分析和判別，為不良地質(zhì)段施工方案的制定提供指導(dǎo)。

1 CSAMT和RT探測(cè)技術(shù)的基本原理

1.1 CSAMT法

CSAMT法是在大地電磁法(MT)和音頻大地電磁法（AMT）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種人工源頻率域電磁測(cè)深方法，它克服了天然場(chǎng)源的隨機(jī)性和信號(hào)弱的缺陷。通過人工接地場(chǎng)源(電偶源)向地下發(fā)送不同頻率的交變電流，在地面一定范圍內(nèi)測(cè)量正交的電磁場(chǎng)分量，計(jì)算卡尼亞電阻率及阻抗相位，達(dá)到探測(cè)不同埋深的地質(zhì)目標(biāo)體的一種頻率域電磁測(cè)深方法。CSAMT原理是將大地看作水平介質(zhì)，大地電磁場(chǎng)是垂直投射到地下的平面電磁波，則在地面可觀測(cè)到相互正交的電磁場(chǎng)分量為Ex，Ey，Ez，Hx，Hy，Hz。通過測(cè)量相互正交的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量，可以確定介質(zhì)的卡尼亞電阻率值?；诶硐胱杂煽臻g麥克斯韋方程組，考慮電磁波傳播法、切向分量和電位的邊界條件，可得地下視電阻率公式：

式中：ρ——電阻率；f——頻率；Ex——沿x方向的電場(chǎng)強(qiáng)度；Hy——沿y方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論，導(dǎo)出了趨膚深度公式：

式中：H——探測(cè)深度,m；ρ——電阻率；f——頻率。

從公式（2）可見，當(dāng)?shù)乇黼娮杪使潭〞r(shí)，電磁波的傳播深度（或探測(cè)深度）與頻率成反比。高頻時(shí)，探測(cè)深度淺；低頻時(shí)，探測(cè)深度深?？梢酝ㄟ^改變發(fā)射頻率來改變探測(cè)深度，從而達(dá)到頻率測(cè)深目的。

1.2 RT法

電阻率層析成像（RT）是從20世紀(jì)80年代中期開始發(fā)展起來的一種電阻率陣列探測(cè)方法，與常規(guī)電阻率法相比，其特點(diǎn)是設(shè)置了較高的測(cè)點(diǎn)密度，儀器利用多路電極轉(zhuǎn)換裝置，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多種電極排列和多參數(shù)測(cè)量，可快速準(zhǔn)確地測(cè)量地下二維或三維地質(zhì)體在橫向和縱向的電阻率變化。其基本原理是利用地下物質(zhì)成分的電性差異，電阻率值與地層巖性、孔隙度及其所充填物的性質(zhì)有密切的關(guān)系，通過地表不同電極距的設(shè)置可采集到地下不同地點(diǎn)、不同深度的視電阻率，再對(duì)蘊(yùn)含有各種地質(zhì)體信息的視電阻率值，采用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理、解釋及成圖，從而推演出地質(zhì)體的大小、形狀、分布和構(gòu)造特征。在非均勻介質(zhì)中，電位由Poisson積分給出：

式中：j——電流密度；ρ——介質(zhì)的真電阻率；R——距離電源的距離；V——P點(diǎn)與電源點(diǎn)之間的電位差；Up——P點(diǎn)的電位，右側(cè)［r1］［r2］的二項(xiàng)分別相應(yīng)于一次場(chǎng)和二次場(chǎng)。問題歸結(jié)為如何反演公式（3），即由Up求得ρ。

測(cè)量系統(tǒng)裝置是一種組合式剖面裝置，支持14種測(cè)量裝置。其中α排列（溫納裝置AMNB），β排列（偶極裝置ABMN），γ排列（微分裝置）和聯(lián)合剖面裝置等適用于固定斷面掃描測(cè)量。像A—M二極法，NM—A單邊三極，A—MN—B（施貝1）等裝置適用于變斷面連續(xù)滾動(dòng)掃描測(cè)量。因而，此裝置測(cè)量與常規(guī)電法測(cè)量相比較，具有信息豐富、數(shù)據(jù)量大、野外施工簡(jiǎn)捷快速等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有較高的橫向分辨率和縱向分辨率。

2 CSAMT和RT物探成果解釋

為提高物探工作精度，綜合CSAMT和RT法優(yōu)點(diǎn)，采用兩種方法同期進(jìn)行。對(duì)新太河段、夜海溝段、朗士段、偏坎子段、英德堡段、英家至劉山段隧洞段6個(gè)輸水隧洞段進(jìn)行探測(cè)，主要探查輸水隧洞主洞線位置地下巖體的工程地質(zhì)情況，確定其斷裂帶、富水帶的分布狀況，以及覆蓋層巖土體的風(fēng)化情況等等。另外，采用CSAMT方法，在劉山水庫(kù)距離主洞線較近位置的3個(gè)剖面布設(shè)3條平行測(cè)線，目的是探查劉山水庫(kù)的地下水與隧洞主洞線位置地下水之間的互補(bǔ)連通關(guān)系。下文以朗士段為例。

2.1 CSAMT物探成果

綜合3條測(cè)線反映的電阻率信息，結(jié)合地質(zhì)資料綜合分析推斷，DK12＋720～DK13＋160段上部覆蓋層風(fēng)化強(qiáng)烈且含水較多，但隧洞埋深較深，風(fēng)化層破碎含水未影響到隧洞位置，局部地區(qū)有風(fēng)化裂隙延伸穿越洞線，裂隙帶含水較少，雨季施工注意頂板滲水現(xiàn)象。DK13＋160～DK13＋290段隧洞位于強(qiáng)風(fēng)化層中，局部含水較多，風(fēng)化裂隙發(fā)育，注意風(fēng)化裂隙處破碎巖土體滲水、局部塌方現(xiàn)象。DK13＋290～DK13＋430段隧洞埋深較淺，存在含水破碎帶，表層風(fēng)化層含水豐富，注意大范圍塌方、涌突水事故。DK13＋430～DK13＋560段有小型風(fēng)化裂隙帶延伸至洞線位置，風(fēng)化層含水較多，開挖時(shí)注意隧洞頂板滲水現(xiàn)象，雨季施工尤其提請(qǐng)注意。DK13＋560～DK13＋780段隧洞埋深較深，風(fēng)化層含水對(duì)隧洞開挖基本沒有影響。

2.2 RT物探成果

根據(jù)電阻率反演繪制的剖面圖可知，DK12＋900～DK13＋180段隧洞位置巖體較完整，地表覆蓋層巖土體風(fēng)化強(qiáng)烈且含水豐富，但隧洞埋深較深，風(fēng)化層含水對(duì)隧洞開挖影響不大。DK13＋180～DK13＋310段上部覆蓋層風(fēng)化強(qiáng)烈且含水較多，其中DK13＋180～DK13＋270段地表處于低洼河谷區(qū)，隧洞位于全～強(qiáng)風(fēng)化層中，含水較多，開挖時(shí)可能出現(xiàn)松散巖土體塌方失穩(wěn)、滲水等現(xiàn)象，雨季開挖尤其值得注意。DK13＋310～DK13＋400段存在延伸較深的含水?dāng)嗔哑扑閹В_挖中極易造成涌突水、塌方事故，是該段異常最明顯的區(qū)域，建議采取必要的超前支護(hù)措施，保證隧洞順利開挖。DK13＋400～DK13＋850段隧洞位置工程地質(zhì)條件較好，未見明顯異常帶穿越洞線位置，其中DK13＋410～DK13＋500段隧洞位于強(qiáng)風(fēng)化層中，巖體松散破碎，主要由于上部風(fēng)化強(qiáng)烈產(chǎn)生的風(fēng)化裂隙延伸至此，含水較少，不會(huì)發(fā)生大型涌突水事故，注意滲水、局部巖塊塌落現(xiàn)象，但范圍較小，對(duì)隧洞正常開挖施工影響不大。需特別注意的是，DK13＋310～DK13＋400區(qū)段，存在的深大含水?dāng)嗔哑扑閹?，?huì)對(duì)隧洞開挖造成嚴(yán)重影響，可能出現(xiàn)巖體塌方失穩(wěn)、涌突水等現(xiàn)象，施工前需要制定合理的工程措施保證順利開挖，防止工程事故發(fā)生。其次是DK13＋180～DK13＋270段，風(fēng)化層含水較多，注意滲水較多，雨季尤其值得重視。建議根據(jù)實(shí)際情況制定合理的措施，防止事故發(fā)生影響施工 進(jìn) 程。DK13＋200～DK13＋250、DK13＋460～DK13＋500位于強(qiáng)風(fēng)化層中，含水不多，防止松散巖土體局部塌方、滲水現(xiàn)象，雨季施工在低洼河谷地段尤其需要注意，防止沿風(fēng)化裂隙帶出現(xiàn)隧洞頂板滲水現(xiàn)象。除以上區(qū)段外，其它地區(qū)巖體工程地質(zhì)條件對(duì)隧洞正常開挖施工影響不大。

2.3 CSAMT和RT物探成果

綜合分析CSAMT和RT 2種物探方法的反演成果，并結(jié)合地質(zhì)資料和鉆探資料推斷，DK13＋290～DK13＋400段的含水破碎帶，在開挖施工中可能出現(xiàn)范圍較大的涌突水、塌方事故。建議工前采取必要的支護(hù)措施并選擇合理的防排水措施，保證順利開挖。DK13＋180～DK13＋270段位于全風(fēng)化層中，含水豐富，注意涌水量大、塌方、以及滲水現(xiàn)象，尤其雨季施工更應(yīng)注意。DK13＋270～DK13＋310和DK13＋400～DK13＋500隧洞位于強(qiáng)～弱風(fēng)化層中，上部覆蓋層含水豐富，防止沿風(fēng)化裂隙帶滲水、局部巖塊塌落現(xiàn)象，雨季施工于低洼河谷地區(qū)尤其值得重視。該段其它地區(qū)隧洞位置巖體工程地質(zhì)條件較好，對(duì)開挖基本沒有影響。該段地質(zhì)條件較差地段主要位于河谷區(qū)，上部風(fēng)化層較厚且含水豐富，開挖時(shí)需引起注意。

3 結(jié) 語

選擇可控源音頻大地電磁法（CSAMT）對(duì)大伙房水庫(kù)輸水（二期）工程隧洞段進(jìn)行地球物理探測(cè)工作是可靠的。由于工區(qū)多位于低洼河谷地段，風(fēng)化強(qiáng)烈且含水豐富，此方法對(duì)水十分敏感，可以反映出主要的破碎含水區(qū)段。CSAMT方法探測(cè)深度較深，對(duì)目標(biāo)地質(zhì)體具有更好的分辨能力。可以從宏觀上整體把握整個(gè)工區(qū)內(nèi)較大的地質(zhì)構(gòu)造帶，推斷對(duì)工程所產(chǎn)生的影響。以上所做結(jié)果繪制的地表下150 m深度的電阻率反演剖面圖表明，當(dāng)反演深度超過500 m時(shí)，斷裂構(gòu)造不存在，說明該區(qū)不存在大斷裂構(gòu)造，對(duì)工程影響較大的是由于強(qiáng)風(fēng)化作用產(chǎn)生的風(fēng)化裂隙以及局部巖脈侵入引起的破碎斷裂。選擇電阻率層析成像（RT）方法對(duì)隧洞段進(jìn)行物探工作，此方法的橫向分辨率較高，將小的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造反映較細(xì)致，此方法數(shù)據(jù)反演可以進(jìn)行地形校正，圖更直觀。通過CSAMT方法和RT方法結(jié)合應(yīng)用，可以從宏觀和微觀2個(gè)角度把握工區(qū)的總體工程地質(zhì)情況。2種方法所得結(jié)論基本一致，分別從不同的角度反映出不利的地質(zhì)情況。2種方法的原理不同，相互之間有影響，野外工作時(shí)間不同，個(gè)別地區(qū)反映情況有所不同，可以獲知更多的地質(zhì)信息，并剔除假信息，最終獲取的物探信息更準(zhǔn)確可靠。