鄭龍金，羅海權(quán)，鄒 磊，楊小龍

(江西有色地質(zhì)勘查五隊，九江 332000)

0 前言

隨著我國交通網(wǎng)建設(shè)的需要，隧道工程在交通網(wǎng)建設(shè)中所占的比重越來越大、隧道長度也越來越長，施工難度越來越大[1-2]。我國浙江省西部地區(qū)地質(zhì)條件較為復(fù)雜，廣泛存在構(gòu)造發(fā)育帶、斷裂帶、巖溶發(fā)育區(qū)等復(fù)雜地形地貌。建設(shè)中的公路和鐵路路線不可避免地會穿越這些復(fù)雜地質(zhì)條件地區(qū)。對于建設(shè)中的隧道，如果未進(jìn)行任何前期勘測而進(jìn)行盲目開挖，很容易發(fā)生各種各樣的地質(zhì)災(zāi)害(如：突水、突泥、塌方、巖爆、瓦斯爆炸等)。針對于公路或是鐵路建設(shè)施工前的路線設(shè)計階段，采用物探等相關(guān)工程技術(shù)對擬建隧道地質(zhì)條件進(jìn)行前期勘測，可以給設(shè)計部門是否決定更改設(shè)計路線或是采取怎樣的防護(hù)措施會起到?jīng)Q定性資料參考作用，從而降低隧道施工風(fēng)險和保證工程質(zhì)量[3-5]。

然而單一的物探方法方法在解決復(fù)雜地質(zhì)(如浙西地區(qū)地形)問題中往往顯得力不從心，不能滿足勘察要求。綜合物探法是指運(yùn)用各種物探技術(shù)手段[6-10]，主要有電法勘探(如瞬變電磁法、大地電磁法、核磁共振法及直流電法等)、地震勘探(如地震折射法、地震反射法、地震面波法及地震CT等)及探孔技術(shù)等。根據(jù)不同地質(zhì)情況進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，綜合分析從而探明探測對象的物理屬性和空間位置屬性。

不同的物探方法有不同的適用條件，如何根據(jù)不同地質(zhì)條件，合理選擇適用的物探方法，這是綜合物探的關(guān)鍵。依據(jù)勘察目的不同，隧道勘察中的常用物探方法[11-12]見表1。這里主要就浙西地區(qū)擬建隧道勘察為背景，綜合論述大地電磁法、高密度電法及地震CT相結(jié)合相對單一物探方法在擬建隧道前期勘察中的優(yōu)點。

表1 隧道勘察中的常用物探方法

1 方法原理

1.1 高密度電阻率法

高密度電法與常規(guī)的視電阻率測深相比，其一次布線可獲取二維龐大數(shù)據(jù)體。通過對數(shù)據(jù)的整理分析，可獲得視電阻率斷面圖,由此劃分工區(qū)內(nèi)巖土介質(zhì)的視電阻率值及不同視電阻率介質(zhì)的分布變化形態(tài)。對于高密度成果圖異常分析可以總結(jié)為以下兩點：①當(dāng)工區(qū)內(nèi)介質(zhì)為水平均質(zhì)或無其他不良地質(zhì)作用時，視電阻率等值線一般呈有規(guī)律的均勻分布，近水平層狀；②當(dāng)工區(qū)內(nèi)存在一定規(guī)模的巖溶、夾層、破碎帶、斷層、軟弱結(jié)構(gòu)面時，則視電阻率等值線將發(fā)生變化，表現(xiàn)為梯度變化大，出現(xiàn)“U”字或“V”字形等異常形態(tài)。

1.2 可控源音頻大地電磁法(CSAMT)

可控源音頻大地電磁法是一種利用人工場源的頻率域電磁測深方法，其方法原理與音頻大地電磁法大體相同。區(qū)別在于其場源是由人工通過有限長接地導(dǎo)線電流源,向地下發(fā)送不同頻率的交變電流進(jìn)行激發(fā)，不同的發(fā)射頻率決定不同的探測深度。CSAMT運(yùn)用于擬建隧道勘察時，其施工方法是通過平行于擬探測隧道主線方向，在距7倍至8倍探測深度(收發(fā)距)處布置接地導(dǎo)線AB(AB之間的距離應(yīng)保證擬測隧道段在與接地導(dǎo)線AB成60°張角的扇形區(qū)域內(nèi))，并通過AB向地下供入已設(shè)定好的音頻f的諧變電流，在擬測隧道主線上,進(jìn)行逐點觀測沿測線方向相應(yīng)頻率的電場分量Ex和與之正交的磁場分量By，進(jìn)而計算卡尼亞視電阻率：

(1)

式中：μ為大地的磁導(dǎo)率；ω為角頻率。在所設(shè)計的音頻段內(nèi)逐個改變供電和測量頻率,就可以測出ρs隨頻率的變化，完成頻率測深觀測。

1.3 地震波層析成像法(地震CT)

跨孔地震波層析成像技術(shù)，是一種通過鉆孔孔間成像的地下物探方法。其基本原理是在某一鉆孔設(shè)計位置激發(fā)地震波，其他鉆孔通過檢波器接收彈性波各種震相運(yùn)動學(xué)(走時、射線路徑)和動力學(xué)(波形、振幅、相位、頻率)特征值。利用這些特征值進(jìn)行分析并反演地下介質(zhì)速度分布情況，從而判定兩鉆孔間地質(zhì)異常信息。該方法通?？捎糜谔綔y規(guī)模小，要求精度高的地下介質(zhì)細(xì)結(jié)構(gòu)。地震波在地質(zhì)體中傳播時，巖土體縱波傳播速度為式(2)。

(2)

式中:vp為縱波速度；E為介質(zhì)的楊氏彈性模量；ρ為介質(zhì)密度；μ為介質(zhì)的泊松比。

不同的巖體彈性參量不相同，傳播速度也就不同，當(dāng)某條射線通過目標(biāo)地質(zhì)體時，將產(chǎn)生旅行時差。但僅根據(jù)一條波射線所產(chǎn)生的速度差異難以判別異常體的位置，因為它可能位于射線路徑的任何一處。假如再利用另一條與該射線在異常體部位相交的射線走時，就可以對前一條射線在異常位置上進(jìn)行必要的約束。當(dāng)采用相互交叉的致密射線網(wǎng)絡(luò)時，就會對異常地質(zhì)體在空間上產(chǎn)生強(qiáng)有力的約束。地震波跨孔層析成像采用一發(fā)多收的扇形穿透，經(jīng)過逐點激發(fā)，在被測區(qū)域內(nèi)形成密集的射線交叉網(wǎng)絡(luò)(圖1)。

圖1 跨孔CT射線網(wǎng)絡(luò)示意圖

2 工程實例

2.1 工程概況及勘察任務(wù)

以衢州市雷公嶺隧道為例，雷公嶺隧道全長為1 408 m，最大埋深約為279 m。設(shè)計隧道路線在該區(qū)穿越地層分別為石炭系上統(tǒng)船山組(C3c)，巖性主要為青灰色灰?guī)r；石炭系中統(tǒng)黃龍組(C2h)，巖性主要為石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r；志留系上統(tǒng)唐家塢組二段(S3t2)砂巖；志留系上統(tǒng)唐家塢組一段(S3t1)砂巖；志留系下統(tǒng)大白地組(S1d)砂巖、泥巖。對隧道勘察的主要任務(wù)是：①查明設(shè)計隧道地段巖性分界面、覆蓋層厚度、基巖面起伏形態(tài)；②探明設(shè)計隧道地段不良地質(zhì)體分布情況，包括構(gòu)造破碎帶、巖溶發(fā)育帶等。

2.2 物探方法選擇及物探工作布置

依據(jù)測區(qū)內(nèi)的巖土條件，測區(qū)內(nèi)覆蓋層與基巖以及不良地質(zhì)體(構(gòu)造破碎帶、巖溶發(fā)育帶),與圍巖之間都存在明顯的電阻率差異及密度差異，且埋深大于40 m，故本項目擇優(yōu)選擇可控源音頻大地電磁法和高密度直流電法以及地震CT。根據(jù)地形地貌及隧道走向等現(xiàn)場條件，沿著隧道主線布置一條可控源音頻大地電磁法測線(K2+180 m～K3+440 m)，長度為1 260 m。沿隧道洞身走向布置了兩條高密度電法剖面LGL-G1(K2+171 m～K2+432 m)和LGL-G2(K2+300 m～K2+938 m)，長度分別為261 m和638 m，主要布置在隧道穿越的灰?guī)r、灰?guī)r與砂巖交接地段。作為驗證探測。同時，在ZK1(K3+248 m)和ZK2(K3+300 m)這對鉆孔間進(jìn)行地震CT探測，作為驗證探測。

2.3 成果解譯

圖2是CSAMT(K2+180 m～K3+440 m)電阻率等值線圖；圖3和圖4分別是高密度測線LGL-Z1(K2+171 m～K2+432 m)和LGL-Z2(K2+300 m～K2+938 m)電阻率等值線圖；圖5和圖6分別是地震波層析成像ZK1-ZK2剖面圖及異常推斷解譯圖；圖7是雷公嶺隧道綜合地質(zhì)解譯剖面圖。水平坐標(biāo)代表里程樁號，垂直坐標(biāo)代表地面高程。

圖2 可控源音頻大地電磁法剖面圖(K2+180 m-K3+440 m)

圖3 高密度直流電法剖面圖(K2+171 m-K2+340 m)

圖4 高密度直流電法剖面圖(K2+300 m-K2+940 m)

圖5 地震波層析成像剖面圖(ZK1-ZK2)

圖6 地震波層析成像異常推斷解譯圖(ZK1-ZK2)

圖7 雷公嶺隧道綜合地質(zhì)解譯剖面圖(K2+180 m-K3+440 m)

根據(jù)地質(zhì)和鉆探成果資料，隧道進(jìn)洞口K2+180 m至K3+440 m段為低山地形，地表植被發(fā)育，表部覆蓋坡洪積含黏性土碎石、殘坡積粉質(zhì)黏土，厚約3 m～10 m；剖面淺部的不連續(xù)高阻異常推測為不含水的松散巖土體、砂巖、礫石等所致。依據(jù)圖2成果剖面圖來可以圈定三個異常區(qū)：

1)I區(qū)：沿隧道設(shè)計路線K2+180 m至K2+260 m，深在3 m～10 m范圍內(nèi)，出現(xiàn)低電阻率異常區(qū)，結(jié)合地質(zhì)資料，該異常推測可能為因表部覆蓋坡洪積含黏性土碎石、殘坡積粉質(zhì)黏土引起，或因溝谷中堆積的土、碎石，下部為巖溶溶蝕、巖溶裂隙引起。總體而言，巖體穩(wěn)定性較差，但從電阻率值來看發(fā)育溶洞的可能性不大。

2)II區(qū)：沿隧道設(shè)計路線K2+880 m至K3+040 m，深在40 m～150 m范圍內(nèi)，出現(xiàn)低電阻率異常區(qū)，該地段圍巖主要為志留系上統(tǒng)唐家塢組二段砂巖，該異常區(qū)可能由于砂巖節(jié)理裂隙較發(fā)育所致。

3)III區(qū)：沿隧道設(shè)計路線K3+240 m至K3+320 m，深在20 m～120 m左右范圍內(nèi)，出現(xiàn)低電阻率異常區(qū)，該異常區(qū)推測可能為該地段志留系上統(tǒng)唐家塢組一段砂巖與下伏基巖中志留系下統(tǒng)大白地組砂巖垂向連續(xù)密集裂隙發(fā)育所致。受該節(jié)理裂隙發(fā)育的影響，圍巖巖體可能較為破碎。

對于局部富水，高密度電法具有極大優(yōu)勢，作為驗證性探測的高密度測線LGL-G1(K2+171 m～K2+432 m)和LGL-G2(K2+300 m～K2+938 m)主要布置在隧道穿越的灰?guī)r、灰?guī)r與砂巖交接地段。根據(jù)圖3和圖4，斷面淺部電阻率多為層狀低阻，局部為中高阻，往深部電阻率逐漸升高，可以圈定四個異常區(qū)。

1)I區(qū)：沿隧道設(shè)計路線K2+220 m～K2+258 m(圖3)范圍淺部出現(xiàn)一低阻異常區(qū)，推測上部為溝谷中堆積的土、碎石，下部為巖溶溶蝕、巖溶裂隙引起，這與圖2中I區(qū)異常對應(yīng)，同時也細(xì)化了CSAMT等值線中的I區(qū)異常。

2)II區(qū)：沿隧道設(shè)計路線K2+290 m～K2+320 m(圖3)范圍淺部洞身上方出現(xiàn)圈閉的低阻異常，異常范圍較小，推測可能為灰?guī)r中局部發(fā)育的小巖溶引起。

3)III區(qū)：沿隧道設(shè)計路線K2+300 m～K2+326 m(圖4)范圍，地段出現(xiàn)電阻率強(qiáng)度的變化，為石炭系上統(tǒng)船山組灰?guī)r和石炭系中統(tǒng)黃龍組白云質(zhì)灰?guī)r接觸部位，巖性接觸帶內(nèi)巖溶發(fā)育較強(qiáng)，巖體相對破碎，巖體強(qiáng)度及穩(wěn)定性相對較差，基巖裂隙水及巖溶裂隙水水量相對較為豐富。

4)IV區(qū)：沿隧道設(shè)計路線K2+450 m～K2+500 m(圖4)范圍，地段出現(xiàn)低電阻率異常區(qū)，該異常推測石炭系中統(tǒng)黃龍組白云質(zhì)灰相對破碎，巖體強(qiáng)度及穩(wěn)定性相對較差，基巖裂隙水及巖溶裂隙水水量相對較為豐富。

5)V區(qū)：沿隧道設(shè)計路線K2+570 m～K2+650 m(圖4)段出現(xiàn)一個帶狀低阻異常區(qū)，傾向北西，與地層產(chǎn)狀基本一致，據(jù)地質(zhì)資料，該地段為石炭系中統(tǒng)黃龍組白云質(zhì)灰?guī)r和志留系上統(tǒng)唐家塢組二段(S3t2)砂巖不整合接觸部位，推測接觸帶內(nèi)基巖裂隙較為發(fā)育，局部可能有巖溶發(fā)育，巖體較為破碎，地下水相對豐富，隧道開挖可能會出現(xiàn)滴雨或淋雨狀出水，局部可能存在巖溶裂隙水，隧道開挖時可能出現(xiàn)線狀出水或涌水現(xiàn)象。這與圖2中II區(qū)異常對應(yīng)，同時也細(xì)化了CSAMT等值線中的II區(qū)異常。

為驗證沿隧道設(shè)計路線K3+240 m～K3+320 m范圍內(nèi)，出現(xiàn)的低電阻率異常區(qū)是否為志留系上統(tǒng)唐家塢組砂巖與下伏基巖中志留系下統(tǒng)大白地組砂巖垂向連續(xù)密集裂隙發(fā)育所致。對ZK1(K3+248 m)和ZK2(K3+300 m)這對鉆孔間進(jìn)行地震CT探測(圖5)，探測范圍內(nèi)地層介質(zhì)波速變化范圍為800 m/s ～3500 m/s。

在水平位置K3+268 m～K3+290 m，深度40 m～60 m(紅色閉合曲線)范圍內(nèi)(圖6)，異常帶波速范圍為1 200 m/s～1 500，異常中心波速約為1 350 m/s，推測為破碎或巖溶發(fā)育區(qū)，巖溶溶蝕區(qū)位于基巖頂面附近，向下溶蝕造成基巖頂面下凹。這與圖2中III區(qū)異常對應(yīng)，同時也細(xì)化了CSAMT等值線中的III區(qū)異常。

將三種方法成果對比驗證分析，綜合形成雷公嶺隧道綜合地質(zhì)解譯剖面(圖7)，由圖7可以獲取較為可靠真實的四處異常區(qū)。這也體現(xiàn)了針對不同地質(zhì)條件和探測要求合理采用物探方法的優(yōu)越性，通過這次實例綜合物探驗證可以為日后物探工作提供較為有利的資料依據(jù)。

4 結(jié)論與建議

1)隧道勘察中的物探方法多種多樣，具有各自優(yōu)越性和局限性，面對復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，不能依據(jù)一種方法來解決全部問題，發(fā)展多種方法的綜合物探是十分有必要的，也將是大勢所趨。

2)通過綜合物探法在浙西擬建隧道地質(zhì)勘察的運(yùn)用表明，綜合物探技術(shù)的運(yùn)用可以彌補(bǔ)單一物探方法的不足。利用綜合物探所獲取的成果與鉆探等勘察驗證的實際情況基本吻合。該案例是擬建隧道勘察中綜合物探技術(shù)應(yīng)用的成功典范。

3)目前工程勘察中的綜合物探技術(shù)仍停留在單一物探方法反演成圖，為提高工程勘察的解譯精度，多數(shù)據(jù)聯(lián)合反演解釋，將是綜合物探技術(shù)發(fā)展的重要方向。