劉遠(yuǎn)鵬，鄧榮斌，王子茂，張衛(wèi)中，康欽容，李夢(mèng)玲

1. 中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 三河 065201；2. 重慶鐵公基工程安全檢測(cè)技術(shù)有限公司，重慶 400050；3. 武漢工程大學(xué)興發(fā)礦業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430074

特大斷面隧道的建設(shè)，在隧道的開(kāi)挖技術(shù)［1-2］及施工方法［3-4］、力學(xué)行為［5-6］、隧道襯砌結(jié)構(gòu)［7］、隧道的斷面形式［8］、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)模式［9］、支護(hù)參數(shù)等方面出現(xiàn)了新的、更高的要求。淺覆土條件下小凈距平面［10］與立體交叉特大斷面［11］暗挖隧道群結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，做好該類隧道勘察工作，對(duì)指導(dǎo)隧道設(shè)計(jì)施工尤為重要。高密度電阻率法［12］是一種重要的工程物探方法，是集電探測(cè)和剖面法于一體的一種多裝置、多極距的組合方法。其基本原理［13］是以地質(zhì)體的電性差異為基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)和研究與這些差異有關(guān)的電場(chǎng)或電磁場(chǎng)在空間和時(shí)間上的分布特點(diǎn)和變化規(guī)律來(lái)查明地下地質(zhì)構(gòu)造的地球物理方法，并廣泛運(yùn)用于地下水的分布特征［14］、含水構(gòu)造［15］、采空區(qū)探測(cè)［16-17］等方面。本文應(yīng)用高密度電阻率法、工程地質(zhì)調(diào)查等定量與定性的綜合分析方法，開(kāi)展小凈距與特大斷面等復(fù)雜巖溶環(huán)境下隧道群物探勘察的研究。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況及地球物理特征

1.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)處貴州高原中部，地表形態(tài)主要受溶蝕構(gòu)造作用的影響，地貌類型主要為緩丘谷地，地形起伏和緩，丘體圓滑，谷地較寬闊。地處揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)黔北臺(tái)隆遵義斷拱貴陽(yáng)復(fù)雜構(gòu)造變形區(qū)與黔南臺(tái)陷貴定南北向構(gòu)造變形區(qū)的交接部位，以北西向褶皺斷裂為主。區(qū)域內(nèi)海拔在1 214.02～1 306.45 m 之間，線路軸線通過(guò)地面高程為1 246～1 316.8 m，相對(duì)高差70.8 m。

貴安騰訊數(shù)據(jù)中心位于貴安新區(qū)馬場(chǎng)科技場(chǎng)內(nèi)，占地約0.517 333 km2，在研究區(qū)棲鳳坡山體內(nèi)設(shè)置8 條隧道，隧道總長(zhǎng)1 478.67 m，單洞寬6.9～20.5 m，高8.15～16.8 m。山體內(nèi)隧道群主要具有小凈距、特大斷面等特點(diǎn)，隧道群整體平面布置見(jiàn)圖1。A1 隧道起終點(diǎn)里程為A1K0+020～A1K0+291.09，B1 隧道起終點(diǎn)里程為B1K0+060～B1K0+292.5，B2 隧 道 起 終 點(diǎn) 里 程B2K0+040～B2K0+316.4，B3 隧 道 起 終 點(diǎn) 里 程B3K0+040～B3K0+316.4，B4 隧 道 起 終 點(diǎn) 里 程B4K0+040～B4K0+316.4，B5 隧 道 起 終 點(diǎn) 里 程B5K0+040～B5K0+316.4，B6 隧 道 起 終 點(diǎn) 里 程B6K0+025.3～B6K0+079.0。

1.2 地球物理特征

1.2.1 覆蓋層 綜合地質(zhì)調(diào)查及鉆探資料，場(chǎng)地覆蓋層主要是紅黏土（Qel+dl），黃褐色，具有上硬下軟、失水收縮的特性，但其承載力相對(duì)較高，場(chǎng)地紅黏土復(fù)浸水性為Ⅰ類，即收縮后復(fù)浸水膨脹，能恢復(fù)到原位。場(chǎng)區(qū)均有分布，厚度為0～3 m。

圖1 隧道群整體平面布置圖Fig.1 Overall layout drawing of tunnel group

1.2.2 基巖 研究區(qū)下伏基巖為三疊系下統(tǒng)安順組（T1a）薄～中厚層狀白云巖夾泥質(zhì)白云巖，巖層綜合產(chǎn)狀為290°～300°＜6°～15°。區(qū)內(nèi)無(wú)斷層出現(xiàn)，巖層連續(xù)、穩(wěn)定，受構(gòu)造影響巖體節(jié)理發(fā)育，節(jié)理產(chǎn)狀185°～215°＜65°～70°和295°～305°＜65°～75°為主，為密閉型節(jié)理，節(jié)理間距為20～350 mm，延伸長(zhǎng)度在1.0～8.0 m 不等，切割深度在1.0～5.0 m 不等，節(jié)理面較平直，一般為泥質(zhì)、碎屑充填，結(jié)合很差。

強(qiáng)風(fēng)化層：灰黃色，薄至中厚層狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，呈碎石狀松散結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)軟，巖芯呈塊狀、碎塊狀，據(jù)鉆探揭露厚度為1.0～5.8 m。

中風(fēng)化層：灰白色、褐色，薄～中厚層狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎～較完整，巖芯呈塊狀及柱狀。泥質(zhì)白云巖夾層厚度為2～10 cm，平均厚度約4 cm，因巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，局部泥質(zhì)白云巖層面風(fēng)化嚴(yán)重，有泥化現(xiàn)象。

1.2.3 地球物理參數(shù) 根據(jù)測(cè)區(qū)野外巖土體主要物理量測(cè)量結(jié)果，測(cè)區(qū)黏土電阻率為20～100 Ω·m，而受風(fēng)化及裂隙影響的白云巖夾泥質(zhì)白云巖電阻率為50～4 000 Ω·m。場(chǎng)區(qū)地形起伏大于25°，按照地形條件分類標(biāo)準(zhǔn)為Ⅳ類地形。場(chǎng)區(qū)荊棘較發(fā)育，按照障礙條件分類標(biāo)準(zhǔn)為Ⅳ類障礙。

為了查明研究區(qū)內(nèi)覆蓋層、風(fēng)化層厚度及巖溶發(fā)育等地質(zhì)情況，高密度電阻率法物探工作量見(jiàn)表1，物探測(cè)線布置參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 高密度電阻率法物探工作量Tab.1 Geophysical prospecting workload of high density resistivity method

表2 物探測(cè)線布置參數(shù)Tab.2 Layout parameters of geophysical prospecting detection line

2 高密度電阻率法物探研究

2.1 工作原理

高密度電阻率法是一種重要的工程物探方法，是集電探測(cè)和剖面法于一體的一種多裝置、多極距地組合方法，具有觀測(cè)精度高、數(shù)據(jù)采集量大、地質(zhì)信息豐富、速度快、探測(cè)深度靈活、數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化的特點(diǎn)，其工作原理如圖2 所示。

圖2 高密度電阻率法工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of high density resistivity method

根據(jù)工作任務(wù)的要求、工地的地質(zhì)條件及各種裝置的特點(diǎn)，高密度電阻率法以溫納四級(jí)為主，以獲得最大的測(cè)量電位。在A、B 兩點(diǎn)供電、任意M/N 點(diǎn)測(cè)量其間的電位差，來(lái)反算地下介質(zhì)的電阻率，其電極排列圖如圖3 所示。其中，各點(diǎn)產(chǎn)生的電位與其參數(shù)之間的關(guān)系如式（1）所示。

圖3 溫納四級(jí)測(cè)量裝置電極排列圖Fig.3 Electrode arrangement diagram of Wenner four-stage measuring device

式（1）中，Uij為i點(diǎn)供電在j點(diǎn)產(chǎn)生的電位；ρ為均勻大地電阻率；I為供電電流；rij為電極距（供電i與測(cè)量點(diǎn)j的距離）。

若AM、MN、BN 之間的間距相等，即rAM=rMN=rBN=a，地表A 點(diǎn)供電在M、N 點(diǎn)處的電位表達(dá)式和地表B 點(diǎn)供電在M、N 點(diǎn)處的電位表達(dá)式：

MN 間的電位差為

令電極排列系數(shù)K=4πa，則視電阻率

2.2 成果分析

2.2.1 解釋方法 對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)，先使用Surfer 軟件和二維電阻率反演成像軟件的數(shù)據(jù)處理功能進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)輸入測(cè)線地面高程數(shù)據(jù)，作地形校正，再據(jù)經(jīng)驗(yàn)在軟件中合理設(shè)置解釋所必須的參數(shù)。運(yùn)行軟件進(jìn)行反演解釋，在解釋過(guò)程中隨時(shí)調(diào)整參數(shù)，以便使結(jié)果真實(shí)合理，計(jì)算結(jié)果用視電阻率等值線圖和視電阻率反演色度圖表現(xiàn)，兩者結(jié)合，綜合解釋。

2.2.2 成果分析及地質(zhì)解釋 根據(jù)勘探結(jié)果及實(shí)際分析，勘探深度在30～55 m之間。以DF1～DF1’測(cè)線為例，DF1～DF1’測(cè)線視電阻率等值線圖和視電阻率反演色度圖如圖4 所示，其中圖4（a）中橫坐標(biāo)表示測(cè)線距離，縱坐標(biāo)表示深度，色度條不同顏色對(duì)應(yīng)不同視電阻率，圖4（b）縱坐標(biāo)表示高程。測(cè)線內(nèi)覆蓋層厚度在0～1.3 m 之間，強(qiáng)風(fēng)化層厚度在4.0～21.0 m 之間，基巖表面溶溝溶槽發(fā)育。其中，B1K0+123 深16 m 巖溶裂隙發(fā)育，推測(cè)可能存在溶洞；B1K0+125～B1K0+246 發(fā)育一條豎向裂隙，推測(cè)可能存在溶洞。

研究區(qū)9 條物探測(cè)線參數(shù)及測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

圖4 DF1～DF1’測(cè)線：（a）視電阻率等值線圖，（b）視電阻率反演色度圖Fig.4 DF1-DF1’detection line：（a）chorisogram of apparent resistivity，（b）inversion chromaticity diagram of apparent resistivity

3 鉆孔驗(yàn)證

3.1 聲波測(cè)試成果

本次勘察在隧道測(cè)試了26 個(gè)鉆孔的彈性縱波聲波，根據(jù)巖樣測(cè)試及各鉆孔波速結(jié)果計(jì)算出巖石完整性指標(biāo)，確定了巖體的完整性，測(cè)區(qū)巖體聲波分析如表4 所示。

根據(jù)表4 和巖石室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果及GBT50218-2014 工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中巖體完整性系數(shù)與巖體完整程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知：B1～B5隧道進(jìn)口及淺埋段白云巖夾泥質(zhì)白云巖完整性系數(shù)值主要集中在0.34～0.42，巖體較破碎；A1 隧道進(jìn)口、B1～B5 隧道出口及淺埋段白云巖夾泥質(zhì)白云巖完整性系數(shù)值大部分分布在0.56～0.59，稍微偏向巖體較完整；隧道整體圍巖完整性系數(shù)值主要集中在0.49～0.64 之間，屬于堅(jiān)硬巖。

表3 物探測(cè)線參數(shù)及測(cè)量結(jié)果Tab.3 Parameters and measurement results of geophysical exploration detection line

據(jù)地表巖溶情況、物探異常情況綜合分析顯示，場(chǎng)區(qū)存在的不良地質(zhì)主要為巖溶，已施工的37 個(gè)鉆孔中，有2 個(gè)遇溶洞/裂隙，鉆孔遇洞率5%，綜合地質(zhì)調(diào)繪及鉆孔狀況，場(chǎng)地巖溶發(fā)育程度為微發(fā)育，現(xiàn)場(chǎng)鉆孔情況見(jiàn)表5。

表4 測(cè)區(qū)巖體聲波分析Tab.4 Acoustic analysis of rock mass in detection area

3.2 物探成果與鉆孔成果比較

從物探分析結(jié)果與鉆孔情況來(lái)看，鉆孔實(shí)測(cè)有2 個(gè)遇溶洞/裂隙，且?guī)r層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，與聲波測(cè)試計(jì)算所得的巖體完整性系數(shù)Kv分析結(jié)果一致。最終所得的物探成果與鉆孔實(shí)際測(cè)得的地下地質(zhì)體信息吻合，故高密度電阻率法探測(cè)結(jié)果可以作為隧道設(shè)計(jì)、施工的初步依據(jù)。

4 結(jié) 論

根據(jù)高密度電阻率法的物探結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鉆孔對(duì)比結(jié)果，可得到以下結(jié)論：

1）隧道區(qū)圍巖為可溶巖，巖溶微發(fā)育，隧道圍巖完整性系數(shù)主要集中在0.49～0.64 之間。由于巖溶發(fā)育具有隱蔽性及無(wú)規(guī)律性，采用高密度電阻率法可以準(zhǔn)確地了解巖溶分布情況。

表5 現(xiàn)場(chǎng)鉆孔情況Tab.5 Drilling conditions on site

2）從工程地質(zhì)調(diào)查及鉆孔驗(yàn)證結(jié)果與隧道群高密度電阻率法探測(cè)分析結(jié)果對(duì)比可知，鉆孔過(guò)程中，有2 個(gè)遇溶洞/裂隙，鉆孔遇洞率為5%，故高密度電阻率法勘探與聲波測(cè)試得到的地下地質(zhì)體信息吻合。

3）研究結(jié)果表明綜合物探成果很好地解釋了隧道群圍巖的地質(zhì)情況，因此高密度電阻率測(cè)試分析方法結(jié)合鉆探聲波測(cè)試綜合研究成果可以作為巖溶區(qū)特大斷面小凈距隧道群設(shè)計(jì)、施工的初步依據(jù)。