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(cè)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(guò)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(cè)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(cè)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(huì)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(duì)積水采空區(qū)反應(yīng)明顯但對(duì)高阻采空區(qū)反應(yīng)相對(duì)較弱[17]等，因此，這些方法都難以適應(yīng)復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)長(zhǎng)大深埋隧道隱伏構(gòu)造的探測(cè)。而直流電測(cè)深法在探測(cè)基巖埋深、劃分松散沉積層、測(cè)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(diǎn)，在鉆探施工不便以及難以通過(guò)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(cè)深法對(duì)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(guò)對(duì)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(duì)安石隧道具有長(zhǎng)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(diǎn)，選用了改進(jìn)電測(cè)深法進(jìn)行勘探，在傳統(tǒng)電測(cè)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(zhǎng)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(wú)區(qū)域性斷裂、褶皺分布。隧道左線全長(zhǎng)5 338 m，最大埋深約453.11 m；右線全長(zhǎng)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(cè)區(qū)范圍為安石隧道某工段，測(cè)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(chǎng)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(guò)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(cè)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(cè)深法開展工作。

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

2 電測(cè)深法的改進(jìn)

2.1 地形改正

直流電測(cè)深法簡(jiǎn)稱電測(cè)深法，其物性基礎(chǔ)為地下巖土體的電性差異，目前的電測(cè)深法主要用于水平地面勘察[21]。傳統(tǒng)電測(cè)深法在起伏陡峭的山地上進(jìn)行勘探時(shí)，地形因素常使觀測(cè)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(shí)異常。為使勘探結(jié)果更接近地下真實(shí)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(gè)明顯的缺點(diǎn)，忽視了起伏地形條件下測(cè)深點(diǎn)反映的是地表法線方向上與電極距對(duì)應(yīng)深度的地質(zhì)情況，仍將MN中點(diǎn)垂直向下延伸探測(cè)深度L的點(diǎn)D′作為視電阻率的測(cè)深點(diǎn)，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(shí)情況。

圖3 傳統(tǒng)電測(cè)深法在斜坡上探測(cè)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(duì)應(yīng)的測(cè)深點(diǎn)D的坐標(biāo)。如圖4所示，在起伏地表確定一條測(cè)線并在該測(cè)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(diǎn)方向?yàn)檎?；y軸在深度方向，向上為正。從測(cè)線起點(diǎn)開始，等間距布置n個(gè)電極，將第1、2、3、4號(hào)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(diǎn)為O點(diǎn)，以O(shè)點(diǎn)為起點(diǎn)向下作線段MN的垂線，長(zhǎng)度即探測(cè)深度為L(zhǎng)，終點(diǎn)為測(cè)深點(diǎn)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(guò)M點(diǎn)向下作垂線，與過(guò)N點(diǎn)作的水平線相交于點(diǎn)V，設(shè)∠MNV為θ，則：

過(guò)O點(diǎn)向下作垂線，與過(guò)D點(diǎn)作的水平線相交于點(diǎn)W，有：

∠DOW=∠MNV=θ。

由于O點(diǎn)為線段MN的中點(diǎn):

則測(cè)深點(diǎn)D的坐標(biāo)及其對(duì)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(cè)深法存在跑極造成的數(shù)據(jù)采集效率低下的問(wèn)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(cè)儀實(shí)現(xiàn)跑極和數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化，如圖5所示。測(cè)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(cè)量單元在第一個(gè)測(cè)深點(diǎn)完成探測(cè)后通過(guò)多路電極轉(zhuǎn)換器順次向后移動(dòng)，從而完成第一層所有測(cè)深點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集。之后通過(guò)多路電極轉(zhuǎn)換器改變測(cè)量單元的電極間距來(lái)加大探測(cè)深度，完成下一層測(cè)深點(diǎn)探測(cè)。重復(fù)以上步驟即可得到整個(gè)測(cè)線剖面上測(cè)深點(diǎn)的坐標(biāo)以及視電阻率值。

圖5 電極布置Fig.5 Electrode arrangement

實(shí)際工作時(shí)，為了提高地下電流場(chǎng)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(guò)升壓裝置，其供電電壓最高可達(dá)1 200 V。為了提高探測(cè)深度，使用該方法應(yīng)盡可能提高單排列長(zhǎng)度，其單排列長(zhǎng)度可達(dá)4 km。

3 野外探測(cè)與分析

根據(jù)設(shè)計(jì)，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(cè)時(shí)，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(cè)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(cè)線L1，點(diǎn)距6 m，測(cè)線總長(zhǎng)960 m；在ZK42+560～ZK43+350地表沿左幅軸線布置測(cè)線L2，點(diǎn)距6 m，測(cè)線總長(zhǎng)960 m；在YK42+870位置垂直隧道軸線布置測(cè)線L3，點(diǎn)距6 m，測(cè)線總長(zhǎng)960 m。這種方式布置測(cè)線，可以通過(guò)兩種角度的探測(cè)結(jié)果對(duì)比來(lái)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(cè)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(duì)其進(jìn)行地形校正，然后采用Res2dinv軟件對(duì)改正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演[23]，得到3條測(cè)線的電測(cè)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(wú)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(hào)低阻區(qū)的電阻率等值線閉合，形狀為方形或半圓形，說(shuō)明這些區(qū)域儲(chǔ)水較多，推斷為富水區(qū)。Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)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(hào)低阻異常帶位于YK42+840上方，寬約6 m，長(zhǎng)約270 m；Ⅱ號(hào)低阻異常帶位于YK42+950上方，長(zhǎng)約250 m，寬約8 m，從圖上可以看出Ⅱ號(hào)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(hào)低阻異常帶范圍內(nèi)，因此要高度關(guān)注，必要時(shí)可對(duì)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(hào)低阻區(qū)電阻率等值線閉合，形狀為方形或半圓形，說(shuō)明這些區(qū)域儲(chǔ)水能力較強(qiáng)，推斷為富水區(qū)。Ⅲ號(hào)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(gè)局部高阻體中間，長(zhǎng)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(duì)Ⅲ號(hào)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(gè)低阻區(qū)的電阻率等值線閉合，因此推斷這些區(qū)域?yàn)閷娱g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(gè)低阻富水區(qū)，這與平行于隧道軸線的L1、L2線的探測(cè)結(jié)果一致。

3.3 鉆探驗(yàn)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(hào)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(hào)低阻帶不具有同隧道軸線相交的趨勢(shì)，對(duì)隧道施工造成危險(xiǎn)的可能性較小。Ⅱ號(hào)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(shì)；Ⅲ號(hào)低阻帶與隧道軸線斜交，因此Ⅱ號(hào)、Ⅲ號(hào)低阻帶對(duì)隧道施工造成危險(xiǎn)的可能性較大。為了對(duì)物探結(jié)果尤其是Ⅱ號(hào)、Ⅲ號(hào)低阻帶的存在性進(jìn)行驗(yàn)證且不對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)。其中，ZK1深度136～176、176～252、133～251 m分別對(duì)應(yīng)推斷的Ⅱ號(hào)、Ⅲ號(hào)低阻破碎帶區(qū)域，ZK1在206～240.5 m時(shí)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(shí)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(hào)、Ⅲ號(hào)低阻破碎帶區(qū)域，ZK2鉆探到53.6～103.4 m時(shí)取得的巖心結(jié)果為破碎帶。綜合分析來(lái)自Ⅱ號(hào)、Ⅲ號(hào)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(duì)比結(jié)果表明了改進(jìn)電測(cè)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(shuō)明該方法可以有效探測(cè)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(shí)了隧道前方與上方存在Ⅱ號(hào)、Ⅲ號(hào)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(duì)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(cè)深法解釋成果與鉆孔成果對(duì)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(cè)深法能有效探測(cè)出沿測(cè)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(shí)別出隱伏構(gòu)造的規(guī)模及位置，對(duì)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(cè)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(cè)深度更大，更加適合探測(cè)山區(qū)深埋隧道隱伏構(gòu)造。