安 鑫
(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院,新疆 昌吉 831100)
目前我國國內(nèi)的引調(diào)水工程(南水北調(diào)第一期工程隧洞最大埋深為1 100 m、滇中引水工程隧洞最大埋深為1 450 m)埋深在300~600 m,埋深普遍較大,對于此類工程的勘察手段比較局限,常規(guī)的地震方法勘探深度不夠,電法信息比較單一,很難直觀判斷洞線附近的地層變化情況,而EH4音頻大地電磁法則能夠較好解決這一問題,EH4法可根據(jù)勘測精度要求,合理布置測點(diǎn),對于異常部位亦可加密測點(diǎn),測試成果可通過suffer生成等ρs斷面圖,可以比較直觀的判斷洞線附近的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況。對于后期的隧洞施工,特別是TBM施工的隧洞[3],掌子面附近無足夠空間進(jìn)行超前探測試時,通過地表的EH4測試,結(jié)合掌子面附近的工程地質(zhì)情況,經(jīng)綜合分析可為施工方提供掌子面前方工程地質(zhì)條件判斷。
EH4支持音頻大地電磁測深(AMT)和可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)[4], 是一種部分可控源與天然場源相結(jié)合的一種大地電磁測深系統(tǒng)[5],其野外采集工作布置示意見圖1。
當(dāng)天然交變電磁場入射大地,在地下以波的形式傳播時,地面電磁場的觀測值由于電磁感應(yīng)的作用,會包含地下介質(zhì)的電阻率分布信息[6]。而由于不同頻率的電磁場信號具有不同穿透深度[7],因此,大地電磁測深通過研究地表采集電磁數(shù)據(jù)能夠反演地下不同深度介質(zhì)電阻率分布信息[8]。地下不同介質(zhì)的視電阻率ρ和f頻率的關(guān)系用趨膚深度[9]δ表示,其計算公式見式(1):
圖1 EH4野外數(shù)據(jù)采集示意
(1)
某引水工程的引水隧道埋深較大,全線主洞線埋深為200~600 m,沿線跨越不同的地貌單元,地層巖性也變化較大,為查清沿線的地層巖性接觸帶和隧洞線上發(fā)育規(guī)模較大斷層帶的發(fā)育情況[10],在遙感解譯和區(qū)域地質(zhì)資料分析基礎(chǔ)上,對于洞線附近的可能存在斷層的樁號段進(jìn)行了EH4測試,確定主洞線附近巖性特征及完整性。通過物探測試,對于異常部位布置鉆孔進(jìn)行驗證,進(jìn)一步提高工程的勘探精度。
1) 1#EH4測試剖面
1#測試剖面長為350 m,設(shè)計洞線埋深為410 m,該段區(qū)域構(gòu)造較復(fù)雜,大小交錯。通過測試發(fā)現(xiàn),50 m以上普遍為視電阻率小于200 Ω·m的低阻地層,在剖面樁號100~200 m處,從地表向下延伸至450 m發(fā)育一個條帶狀的低阻異常帶,視電阻率在50~350 Ω·m,推測為地層擠壓所形成斷層破碎帶;低阻體左右兩側(cè)的地層視電阻率從低阻從350 Ω·m逐漸增大到2 500 Ω·m,推測遠(yuǎn)離破碎帶,巖體逐漸完整。為查明洞線附近的巖性完整性在剖面樁號210 m處布置ZK1,鉆孔揭露,0~50 m為碎石土,50~300 m巖體破碎,且其中夾雜斷層泥,300 m以下巖體較完整。綜合分析洞線附近巖體較破碎,施工時需提前做好支護(hù)和排水(見圖2所示)。
圖2 1#EH4測試剖面示意
2) 2#EH4測試剖面
2#測試剖面長為1 640 m,設(shè)計洞線埋深為550 m,根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料結(jié)合地表巖性,推測在剖面樁號500 m處可能為巖性分界線。通過測試發(fā)現(xiàn),剖面樁號0~300 m自上而下為相對高阻地層,視電阻率在500~1 800 Ω·m;剖面樁號300~800 m有一低阻帶呈V字型向深部地層延伸到約650 m處,經(jīng)過設(shè)計洞線位置,視電阻率在200~500 Ω·m,推測為斷層破碎帶或巖體裂隙較發(fā)育;剖面樁號1 100 m附近有一斜向下的視電阻率分界線向地層深部延伸,其左地層視電阻率相對較高,在500~1 200 Ω·m;其右地層視電阻率相對較低,在100~400 Ω·m,推測為巖性分界線。在剖面樁號 1200 m布置鉆孔ZK2,根據(jù)鉆孔揭露,孔深360 m以上為泥質(zhì)砂巖,360~370 m為泥質(zhì)砂巖和凝灰?guī)r分界面,370 m以下為凝灰?guī)r,和物探測試成果吻合較好(見圖3所示)。
圖3 2#EH4測試剖面
1) 推測斷層超前探驗證成果
測試剖面長為460 m,設(shè)計隧洞埋深為300 m,根據(jù)施工現(xiàn)場編錄,剖面樁號60 m(掌子面)以前的圍巖類別為Ⅳ類圍巖,到掌子面后洞頂有線狀流水。EH4測試成果顯示,剖面樁號70~410 m為相對低阻帶,視電阻率在250~350 Ω·m,推測巖體較破碎;兩側(cè)視電阻率相對較高,在400~800 Ω·m,推測巖體相對較完整。通過掌子面掘進(jìn)記錄,剖面樁號60~100 m、360~420 m巖性完整性相對較差,局部含斷層泥,圍巖類別為Ⅴ類圍巖,其余測試段圍巖類別為Ⅳ類圍巖(見圖4所示)。
2) 推測巖性分界線超前探驗證成果
測試剖面長為410 m,設(shè)計洞線埋深為340 m,根據(jù)施工現(xiàn)場編錄,剖面樁號220 m以前的圍巖類別為Ⅲ類圍巖,220~250 m(掌子面)巖性發(fā)生變化,由凝灰質(zhì)砂巖變?yōu)樘假|(zhì)粉砂巖、頁巖,掌子面附近檢測到甲烷氣超標(biāo),為查明施工未完成洞段的碳質(zhì)粉砂巖、頁巖的分布位置,特別是甲烷氣含量超標(biāo)段的位置進(jìn)行了相關(guān)測試。EH4測試成果顯示,剖面樁號0~220 m為相對高阻區(qū),視電阻率在1 400~3 800 Ω·m,推測巖體較完整;剖面樁號230~250 m為相對低阻帶,巖體的視電阻率在800~1 300 Ω·m與掌子面的掘進(jìn)情況相符;剖面樁號在250~320 m巖體視電阻率在300~800 Ω·m,為低阻異常區(qū),推測該段巖體破碎,為甲烷氣含量超標(biāo)段;剖面樁號在320~410 m和230~250 m的特性相同,推測巖性變化帶。根據(jù)后序的掘進(jìn)記錄顯示,甲烷氣含量超標(biāo)段和EH4測試成果吻合較好(見圖5所示)。
圖4 推測斷層超前探驗證成果示意
圖5 推測巖性分界線超前探驗證成果示意
EH4在前期工程勘察中的測試成果,只是經(jīng)過鉆孔驗證,在巖體低阻和高阻分界線處布置鉆孔驗證,驗證結(jié)果較片面,如果鉆孔驗證到斷層,則認(rèn)為相對低阻帶的巖性都相對較破碎,但通過隧洞掘進(jìn)記錄顯示,EH4測試成果中高阻和低阻的分界線上確實(shí)存在巖體破碎或完整性相對較差的情況,但是低阻范圍中也可能存在巖體相對較完整的區(qū)域。
通過EH4測試成果在引調(diào)水工程隧洞的勘察和施工中的驗證情況來看,EH4在測試大埋深隧道的勘察中是一種比較可靠的方法[11],可以為類似工程提供一定的借鑒。