范祥泰，張志厚，蘇建坤，丁可，廖曉龍，石澤玉，劉鵬飛

(1.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756； 2.云南航天工程物探檢測股份有限公司，云南 昆明 650217)

0 引言

隱伏構(gòu)造在隧道施工過程中具有較強(qiáng)的致災(zāi)性，需要選擇合適的物探方法進(jìn)行勘察。目前，高密度電阻率法[1-2]、電阻率聯(lián)合剖面法[3]、瞬變電磁法[4]、CSAMT[5-7]、探地雷達(dá)[1,8]、電阻率測深[9]等地球物理勘探方法已廣泛應(yīng)用于工程前期隱伏構(gòu)造勘察工作并取得了較好的應(yīng)用效果[10-13]。但是，每種物探方法都有一定的局限性：儀器裝備易限制高密度電法的探測深度而使其難以滿足工程建設(shè)的需求[14]，地形和不均勻體會導(dǎo)致CSAMT曲線發(fā)生一定程度的畸變[15]，探地雷達(dá)的抗干擾能力較弱[16]且勘探深度小，瞬變電磁法對積水采空區(qū)反應(yīng)明顯但對高阻采空區(qū)反應(yīng)相對較弱[17]等，因此，這些方法都難以適應(yīng)復(fù)雜艱險山區(qū)長大深埋隧道隱伏構(gòu)造的探測。而直流電測深法在探測基巖埋深、劃分松散沉積層、測定潛水面深度和含水層分布等方面具有較好的應(yīng)用效果，相比其他物探方法，該方法具有抗干擾能力較強(qiáng)、技術(shù)靈活可靠、經(jīng)濟(jì)高效的特點，在鉆探施工不便以及難以通過地面地質(zhì)調(diào)查確定地下地質(zhì)體的地區(qū)具有較廣泛的應(yīng)用[18]，已有的數(shù)值模擬方法表明直流電測深法對高、低阻目標(biāo)層均具有較高的分辨能力[19]。

云南省臨滄市鳳慶縣在建云鳳高速公路安石隧道發(fā)生涌水突泥事故,通過對事故原因調(diào)查，發(fā)現(xiàn)地下隱伏構(gòu)造為此次事故的直接原因,因此需要迅速查明工區(qū)范圍內(nèi)隱伏構(gòu)造的空間位置及展布情況。針對安石隧道具有長大深埋、地表起伏大、地下水發(fā)育、巖性復(fù)雜、植被覆蓋度廣等地質(zhì)特點，選用了改進(jìn)電測深法進(jìn)行勘探，在傳統(tǒng)電測深法的基礎(chǔ)上引入正交投影法的地形校正技術(shù)和多電極一次布極的高供電電壓技術(shù)[20]，取得了較好的效果。

1 地質(zhì)背景

安石隧道位于鳳慶縣鳳山鎮(zhèn)安石村—勐佑鎮(zhèn)中和村，為分離式特長隧道。隧址區(qū)在區(qū)域構(gòu)造上位于前奧陶系變質(zhì)巖巖體與燕山早期花崗巖巖體接觸區(qū)帶內(nèi)(圖1),隧道軸線上無區(qū)域性斷裂、褶皺分布。隧道左線全長5 338 m，最大埋深約453.11 m；右線全長5 263 m，最大埋深約449.81 m。

圖1 安石隧道區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Regional geological structure of Anshi tunnel

本次物探工作的測區(qū)范圍為安石隧道某工段，測區(qū)屬低中山地貌，地形起伏較大，如圖2所示。山體自然坡度14°～31°，植被較發(fā)育，進(jìn)、出口均處于山前斜坡地帶。依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察，隧道內(nèi)掌子面前方圍巖為前奧陶系石英片巖、二云石英片巖、云母片巖，呈互層狀或漸變過渡狀賦存。巖體破碎呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，巖石礦物定向排列，片理發(fā)育，受構(gòu)造擠壓作用明顯。巖性主要呈現(xiàn)中風(fēng)化狀態(tài)，少量呈現(xiàn)全、強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)。巖層整體屬較軟巖。

圖2 測區(qū)地形地貌Fig.2 Topography of the survey area

隧址區(qū)巖體風(fēng)化破碎程度與富水性不一，遇水軟化及力學(xué)強(qiáng)度差異明顯，軟硬相間，具有明顯的電阻率值差異；擠壓剪切破碎帶巖體松散破碎含水，與周圍巖體也存在明顯電性差異(表1)，因此有利于電測深法開展工作。

表1 測區(qū)巖樣電阻率統(tǒng)計Table 1 Resistivity of rock samples in the measurement area

2 電測深法的改進(jìn)

2.1 地形改正

直流電測深法簡稱電測深法，其物性基礎(chǔ)為地下巖土體的電性差異，目前的電測深法主要用于水平地面勘察[21]。傳統(tǒng)電測深法在起伏陡峭的山地上進(jìn)行勘探時，地形因素常使觀測結(jié)果產(chǎn)生畸變，導(dǎo)致虛假異常掩蓋了地質(zhì)體的真實異常。為使勘探結(jié)果更接近地下真實情況，必須進(jìn)行地形影響校正。當(dāng)前已有多種方法用于地形校正，其中Res2dinv二維反演軟件和正演模擬法是目前普遍采用的地形校正方法[22]。然而這兩種方法均存在一個明顯的缺點，忽視了起伏地形條件下測深點反映的是地表法線方向上與電極距對應(yīng)深度的地質(zhì)情況，仍將MN中點垂直向下延伸探測深度L的點D′作為視電阻率的測深點，如圖3所示。因此地形校正后的結(jié)果仍有很大誤差，不能夠準(zhǔn)確反映出地下真實情況。

圖3 傳統(tǒng)電測深法在斜坡上探測示意Fig.3 Schematic diagram of traditional electric sounding method on slope detection

本文采用正交投影法確定與勘探深度L對應(yīng)的測深點D的坐標(biāo)。如圖4所示，在起伏地表確定一條測線并在該測線所在的剖面建立x—y直角坐標(biāo)系，其中x軸在水平方向，遠(yuǎn)離起點方向為正；y軸在深度方向，向上為正。從測線起點開始，等間距布置n個電極，將第1、2、3、4號電極視為A、M、N、B電極，坐標(biāo)如圖中所示。其中，線段MN的中點為O點，以O(shè)點為起點向下作線段MN的垂線，長度即探測深度為L，終點為測深點D。

圖4 基于正交投影法的地形校正示意Fig.4 Terrain correction sketch based onorthogonal projection method

過M點向下作垂線，與過N點作的水平線相交于點V，設(shè)∠MNV為θ，則：

過O點向下作垂線，與過D點作的水平線相交于點W，有：

∠DOW=∠MNV=θ。

由于O點為線段MN的中點:

則測深點D的坐標(biāo)及其對應(yīng)的視電阻率ρs為

式中：K為裝置系數(shù)，LAM、LAN、LBM和LBN分別代表AM、AN、BM、BN的距離，ΔUMN代表MN間的電壓，I代表AB間的電流強(qiáng)度。

2.2 跑極效率

傳統(tǒng)電測深法存在跑極造成的數(shù)據(jù)采集效率低下的問題。為了提高跑極效率，引入了多電極一次布極技術(shù)并利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機(jī)工程電測儀實現(xiàn)跑極和數(shù)據(jù)采集的自動化，如圖5所示。測量裝置為溫納裝置，電極間距為6 m，AB最大為960 m，MN最小為6 m，最大為20倍的等間隔間距(120 m)。測量單元在第一個測深點完成探測后通過多路電極轉(zhuǎn)換器順次向后移動，從而完成第一層所有測深點數(shù)據(jù)的采集。之后通過多路電極轉(zhuǎn)換器改變測量單元的電極間距來加大探測深度，完成下一層測深點探測。重復(fù)以上步驟即可得到整個測線剖面上測深點的坐標(biāo)以及視電阻率值。

圖5 電極布置Fig.5 Electrode arrangement

實際工作時，為了提高地下電流場的電流密度從而獲得更高的信噪比，采用向地下供較高的供電電壓的方法，電流從直流電瓶流出后經(jīng)過升壓裝置，其供電電壓最高可達(dá)1 200 V。為了提高探測深度，使用該方法應(yīng)盡可能提高單排列長度，其單排列長度可達(dá)4 km。

3 野外探測與分析

根據(jù)設(shè)計，安石隧道鳳慶側(cè)由大里程向小里程方向開挖。在進(jìn)行探測時，左線隧道出口端從ZK43+603開挖至ZK42+976.6，已開挖626.4 m；右線隧道出口端從YK43+593開挖至YK42+951.6m，已開挖641.4 m。

3.1 測線布置

為了查明隧道掌子面前方及上方是否存在隱伏構(gòu)造，如圖6所示，在YK42+410～YK43+210地表沿右幅軸線布置測線L1，點距6 m，測線總長960 m；在ZK42+560～ZK43+350地表沿左幅軸線布置測線L2，點距6 m，測線總長960 m；在YK42+870位置垂直隧道軸線布置測線L3，點距6 m，測線總長960 m。這種方式布置測線，可以通過兩種角度的探測結(jié)果對比來確定地下各地質(zhì)體的空間展布狀態(tài)，為地質(zhì)推斷提供更合理的物探依據(jù)。

圖6 測線與鉆孔布置示意Fig.6 Schematic diagram of measuring line and drilling arrangement

3.2 物探成果

野外數(shù)據(jù)采集完成后，先利用正交投影法對其進(jìn)行地形校正，然后采用Res2dinv軟件對改正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演[23]，得到3條測線的電測深法反演電阻率斷面(圖7～圖9)。總體上看，地表至地下20 m左右電阻率逐漸升高，電阻率等值線基本平行于地形線，因此該范圍內(nèi)無隱伏構(gòu)造發(fā)育，為地表第四系覆蓋區(qū)和不同程度的風(fēng)化基巖的綜合反映；深度20 m以下，電阻率曲線不平行、不光滑，多處呈現(xiàn)圈閉狀，數(shù)值變化較大，可能有隱伏構(gòu)造發(fā)育。

從L1線的反演剖面(圖7)可以看出，地表20 m以下，YK42+450～YK43+200范圍電阻率的分布總體表現(xiàn)為“低阻—局部高阻—低阻—局部高阻—低阻”。圖中①、②、③、④號低阻區(qū)的電阻率等值線閉合，形狀為方形或半圓形，說明這些區(qū)域儲水較多，推斷為富水區(qū)。Ⅰ號、Ⅱ號低阻帶的電阻率小于800 Ω·m，電阻率等值線閉合，呈條帶狀，展布方向與隧道開挖方向斜交。Ⅰ號低阻異常帶位于YK42+840上方，寬約6 m，長約270 m；Ⅱ號低阻異常帶位于YK42+950上方，長約250 m，寬約8 m，從圖上可以看出Ⅱ號低阻異常帶仍具有一定的延伸性。推斷這兩處低阻異常帶基巖裂隙水發(fā)育，貫通性良好，破碎程度較大，可能為破碎帶。由于隧道已開挖至Ⅱ號低阻異常帶范圍內(nèi)，因此要高度關(guān)注，必要時可對其采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?/p>

從L2線的反演剖面(圖8)可以看出，地表20 m以下，ZK42+600～ZK43+350范圍的電阻率總體特征為“低—局部高—低—局部高—低”。①、②號低阻區(qū)電阻率等值線閉合，形狀為方形或半圓形，說明這些區(qū)域儲水能力較強(qiáng)，推斷為富水區(qū)。Ⅲ號低阻異常區(qū)電阻率等值線閉合，呈條帶狀，電阻率小于1 000 Ω·m。該低阻異常帶位于兩個局部高阻體中間，長約180 m，平均寬約60 m，推斷該處基巖裂隙水發(fā)育，破碎程度較大，貫通性較好，可能為破碎帶。由于該區(qū)域與其他富水區(qū)相連，且隧道已開挖至該范圍內(nèi)，因此要對Ⅲ號低阻異常帶予以高度的關(guān)注。

從L3線的反演斷面(圖9)可以看出,地下20 m以下，電阻率總體分布特征為“高—局部低—高—局部低—高—低—高”，其中3個低阻區(qū)的電阻率等值線閉合，因此推斷這些區(qū)域為層間破碎區(qū)，巖體破碎，富含地下水。從圖中還可以看出，隧道左幅與隧道右幅的上方分別存在一個低阻富水區(qū)，這與平行于隧道軸線的L1、L2線的探測結(jié)果一致。

3.3 鉆探驗證

由圖7、圖8可知，地下發(fā)育有3條低阻帶且貫通性較好，其中Ⅰ號低阻帶下方被圈閉，最低處為 1 860 m，而隧道高程在1 820 m左右，因此Ⅰ號低阻帶不具有同隧道軸線相交的趨勢，對隧道施工造成危險的可能性較小。Ⅱ號低阻帶下方未被圈閉，且已探明的最低處電阻率較低，具有進(jìn)一步向下延伸的趨勢；Ⅲ號低阻帶與隧道軸線斜交，因此Ⅱ號、Ⅲ號低阻帶對隧道施工造成危險的可能性較大。為了對物探結(jié)果尤其是Ⅱ號、Ⅲ號低阻帶的存在性進(jìn)行驗證且不對隧道造成破壞和影響，將ZK1布設(shè)于YK42+952左13 m，ZK2布設(shè)于YK42+870左13 m(如圖6所示)。將物探成果與鉆探成果進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。

圖7 L1線反演電阻率斷面Fig.7 Inversion of resistivity profiles of line L1

圖8 L2線反演電阻率斷面Fig.8 Inversion of resistivity profiles of line L2

圖9 L3線反演電阻率斷面Fig.9 Inversion of resistivity profiles of line L3

物探推斷的富水區(qū)域或低阻破碎區(qū)域與鉆探的破碎帶或巖心破碎區(qū)域相對應(yīng)。其中，ZK1深度136～176、176～252、133～251 m分別對應(yīng)推斷的Ⅱ號、Ⅲ號低阻破碎帶區(qū)域，ZK1在206～240.5 m時取得的巖心結(jié)果為中風(fēng)化石英片巖，巖心破碎，鉆探到165.1～166.3、175～206、240.5～252 m時取得的巖心結(jié)果為破碎帶。沿ZK2方向地下58～104、51～112 m分別為推斷的Ⅱ號、Ⅲ號低阻破碎帶區(qū)域，ZK2鉆探到53.6～103.4 m時取得的巖心結(jié)果為破碎帶。綜合分析來自Ⅱ號、Ⅲ號低阻異常帶的鉆探成果，發(fā)現(xiàn)其巖性主要為石英片巖、云母片巖，破碎呈土狀、碎塊狀、松散飽水，巖質(zhì)松軟，遇水軟化泥化，富水性強(qiáng)。因此這兩條破碎帶均由構(gòu)造擠壓剪切破壞引起，為構(gòu)造擠壓剪切破碎帶。

物探成果與鉆探成果的對比結(jié)果表明了改進(jìn)電測深法可以充分反映隱伏構(gòu)造的空間展布形態(tài)，并與鉆探成果表現(xiàn)出較好的一致性，說明該方法可以有效探測山區(qū)深埋隧道隱伏構(gòu)造。

4 結(jié)論

本次勘察工作發(fā)現(xiàn)并證實了隧道前方與上方存在Ⅱ號、Ⅲ號構(gòu)造擠壓剪切破碎帶，破碎帶巖性松散飽水，巖質(zhì)松軟，遇水軟化泥化，富水性強(qiáng)，且隧道已經(jīng)開挖到該區(qū)域，因此要對這兩處構(gòu)造擠壓剪切破碎帶予以高度關(guān)注。本次物探工作為隧道安全施工提供了有力保障。

表2 安石隧道改進(jìn)電測深法解釋成果與鉆孔成果對比Table 2 The comparison between the results of improved electrical sounding method and the drilling results of the Anshi Tunnel

改進(jìn)電測深法能有效探測出沿測線剖面地質(zhì)體電阻率的變化情況，能根據(jù)地下介質(zhì)的電性異常特征準(zhǔn)確識別出隱伏構(gòu)造的規(guī)模及位置，對隧道安全施工起到有效的指導(dǎo)作用。該方法提高了傳統(tǒng)電測深法的精度和數(shù)據(jù)采集效率，相比傳統(tǒng)的高密度電阻率法，其采集數(shù)據(jù)的信噪比更高，探測深度更大，更加適合探測山區(qū)深埋隧道隱伏構(gòu)造。