劉文才

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 引 言

隧道是鐵路、公路通過(guò)山體的主要方式，如何確保隧道施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的安全，及時(shí)解決各種隧道病害是業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題之一。淺埋隧道由于其自身特點(diǎn)很容易在地表形成塌陷區(qū)，對(duì)施工和運(yùn)營(yíng)安全造成隱患。因此快速準(zhǔn)確地確定地表塌陷范圍，找出潛在塌陷區(qū)域，制定針對(duì)性解決方案尤為重要。

由于塌陷區(qū)邊界的不確定性和潛在塌陷區(qū)的隱蔽性，鉆探不能準(zhǔn)確地圈定塌陷區(qū)，且鉆探方法成本大、周期長(zhǎng)。物探技術(shù)是淺埋隧道地表塌陷勘察的重要手段，多種物探方法相結(jié)合，相互驗(yàn)證，能提高勘探成果的準(zhǔn)確性。大量學(xué)者研究采空區(qū)塌陷勘察[1-8]和巖溶區(qū)塌陷勘察[9-12]，其研究結(jié)果對(duì)于隧道塌陷區(qū)勘察具有借鑒意義。在采空區(qū)塌陷勘察方面，董杰等[5]利用探地雷達(dá)法和瞬變電磁法對(duì)山東某金礦采空塌陷區(qū)進(jìn)行勘察；鄧中俊等[6]利用可控源音頻大地電磁測(cè)深法和瞬變電磁法對(duì)地面塌陷區(qū)進(jìn)行綜合探測(cè)；丁榮勝等[7]利用高密度電阻率法和地震映像法對(duì)采空區(qū)塌陷進(jìn)行勘察；李耀華等[8]利用瞬變電磁法和電阻率測(cè)深法勘測(cè)某鐵礦采空區(qū)塌陷；在巖溶區(qū)塌陷勘察方面，梁風(fēng)等[9]利用高密度電阻率法和瞬變電磁法對(duì)巖溶塌陷區(qū)進(jìn)行勘測(cè)；劉繼東[10]在河北灤縣地面塌陷勘查中利用了物探方法。有些成果已經(jīng)表明物探方法在隧道塌陷勘察中起到重要作用[13-15]。例如，李志華等[14]研究了物探在隧道塌方應(yīng)急搶險(xiǎn)中的應(yīng)用；譚道遠(yuǎn)等[15]利用高密度電法探查巖溶隧道滲漏通道。

本文結(jié)合前人研究成果，針對(duì)于家?guī)X隧道地表塌陷問(wèn)題，分析塌陷原因，采用高密度電法、瞬變電磁法、地震映像法，并結(jié)合鉆探制定綜合勘察方案。

2 淺埋隧道地表塌陷原因及地球物理特征

2.1 淺埋隧道地表塌陷原因

引起淺埋隧道地表塌陷的因素有很多，大部分為不良地質(zhì)體和地下水共同作用造成。不良地質(zhì)體主要包括淺層軟弱圍巖、破碎帶、斷裂帶、溶洞及其他松散地層等，當(dāng)隧道穿越這些不良地質(zhì)體時(shí)，如果預(yù)見(jiàn)性不足，施工措施不當(dāng)，就可能發(fā)生塌陷；地下水不但能使巖石強(qiáng)度降低，并且使結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度減小。由于巖體破碎或溶蝕裂隙發(fā)育，地下水(包括雨季的地表水)能夠沿破碎帶或溶蝕裂隙下滲，形成集中管道狀或分散網(wǎng)絡(luò)狀地下徑流向下游排泄；由于隧道開(kāi)挖排水，改變了地下水的流動(dòng)及其水動(dòng)力條件，導(dǎo)致地下水和地表水向隧道內(nèi)滲流和涌水，地下潛流在流經(jīng)的土石分界處將土體逐漸沖蝕帶走而形成土洞，并且由于雨水對(duì)土體的軟化作用，導(dǎo)致地表塌陷在較強(qiáng)降雨期間頻繁發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致隧道坍塌。

2.2 地球物理特征

地下介質(zhì)存在物性差異是進(jìn)行物探勘探的前提。塌陷區(qū)及其周?chē)碾娦?電阻率)特征一般為：塌陷區(qū)和潛在塌陷區(qū)電阻率小于完整基巖[16]。塌陷區(qū)及其周?chē)嚓P(guān)巖土力學(xué)參數(shù)(波速)特征一般為：塌陷區(qū)和潛在塌陷區(qū)波速小于完整基巖。隧道地表塌陷區(qū)及潛在塌陷區(qū)與完整圍巖存在明顯的電阻率及波速差異，應(yīng)用物探手段探測(cè)地表塌陷區(qū)的方案具有可行性。

3 物探方法選擇

淺埋隧道地表塌陷與地層巖土力學(xué)參數(shù)和含水性密切相關(guān)，從解決方法上可分為“地震法”和“電法”[17]?！暗卣鸱ā鼻笕〔ㄋ俚认嚓P(guān)巖土力學(xué)參數(shù)；“電法”針對(duì)塌陷區(qū)含水性求取電阻率參數(shù)；“地震法”和“電法”可從不同角度反映塌陷區(qū)情況。針對(duì)電阻率參數(shù)，選擇高密度電阻率法和瞬變電磁法；針對(duì)波速參數(shù)選擇地震映像法和地震面波法。

3.1 高密度電法

高密度電法是集電剖面和電測(cè)深于一體,采用高密度布點(diǎn)進(jìn)行二維地電斷面測(cè)量的一種電阻率法勘探技術(shù)[2]。高密度電法集中了電測(cè)深法和電剖面法兩者的優(yōu)點(diǎn), 不僅可以觀(guān)測(cè)地下橫向電性變化情況，同時(shí)還可以觀(guān)測(cè)一定深度范圍內(nèi)垂向電性的變化。該方法數(shù)據(jù)量大，包含信息多，具有觀(guān)測(cè)精度高、速度快等特點(diǎn)，在巖溶、斷裂等不良地質(zhì)體探查及劃分地層等諸多方面得到了廣泛的應(yīng)用。淺埋隧道地表塌陷區(qū)及潛在塌陷區(qū)在斷面圖中呈現(xiàn)低阻異常，完整基巖在斷面圖中呈現(xiàn)高阻。

3.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法是一種脈沖感應(yīng)電法勘探，屬于時(shí)間域電磁法。它通過(guò)向勘探目標(biāo)發(fā)送一次磁場(chǎng)，測(cè)量一次場(chǎng)的激勵(lì)電源關(guān)斷后一段時(shí)間內(nèi)的二次磁場(chǎng)變化；通過(guò)二次磁場(chǎng)衰減變化的信號(hào)特征來(lái)解釋和反演地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的性狀，具有操作簡(jiǎn)單、工作效率高、抗噪、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[18]。

正常情況下，地下各層電性橫向上相對(duì)均一，在隧道完整圍巖區(qū)域，二次渦流場(chǎng)很快衰減，瞬變電磁視電阻率成果圖上呈現(xiàn)高阻異常；淺埋隧道地表塌陷區(qū)及潛在塌陷區(qū)在一次場(chǎng)的激勵(lì)下產(chǎn)生感應(yīng)渦流，渦流磁場(chǎng)在脈沖磁場(chǎng)斷掉后不會(huì)立即消失，而是大致按照指數(shù)規(guī)律衰減，在成果圖中呈現(xiàn)低阻異常。

3.3 地震映像法

地震映像法是利用介質(zhì)的彈性波速差異來(lái)解決地質(zhì)問(wèn)題的一種地球物理方法。采用單點(diǎn)激發(fā)，單點(diǎn)接收，受地形影響較小，適用于各種復(fù)雜地形，數(shù)據(jù)處理流程簡(jiǎn)單，工作效率高。地震映像法在資料處理過(guò)程中不進(jìn)行校正處理，避開(kāi)了動(dòng)校正對(duì)淺層反射波的拉伸、畸變影響，可以使反射波的動(dòng)力學(xué)特征全部保留，地震記錄的分辨率不會(huì)受影響；由于每個(gè)記錄道都采用了相同的偏移距，地震記錄上反射波的動(dòng)力學(xué)特征主要為地下地質(zhì)體的反映，可直接對(duì)資料進(jìn)行解譯[19]。該方法在地表淺部地層劃分、淺部采空、塌陷及溶洞的揭示等均有較好的應(yīng)用效果。在淺埋隧道地表塌陷中，當(dāng)上覆地層塌落、回填,反射波凌亂、一定范圍內(nèi)的反射波同相軸向下錯(cuò)動(dòng),呈現(xiàn)出松散、塌落的形態(tài)[20]。

高密度電法具有數(shù)據(jù)量大、效率高、觀(guān)測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確反映塌陷區(qū)地下電阻率的變化，較好地識(shí)別塌陷區(qū)及潛在塌陷區(qū)，缺點(diǎn)是結(jié)果受地形影響較大；瞬變電磁法具有操作簡(jiǎn)單、工作效率高、抗噪等優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)富水區(qū)反映敏感，缺點(diǎn)是易受到電磁干擾；地震映像法受地形影響較小，具有數(shù)據(jù)處理流程簡(jiǎn)單，工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，能較好地識(shí)別塌陷區(qū)位置，可以較好地反映淺部地質(zhì)信息，缺點(diǎn)是不能具體反映塌陷深度。通過(guò)三種物探方法相結(jié)合，發(fā)揮各方法優(yōu)勢(shì)，從不同角度反映塌陷區(qū)規(guī)模和形態(tài)，提高勘察精度。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

于家?guī)X隧道穿越遼東低山區(qū)，隧道范圍丘間溝谷內(nèi)表層多為第四系粗角礫土覆蓋，隧道洞身通過(guò)地層主要為大理巖及板巖等地層。塌陷區(qū)位于丘陵區(qū)寬緩的溝谷之中，地形較平坦，此段落隧道埋深25～80 m。

塌陷區(qū)內(nèi)植被發(fā)育，水系較發(fā)育，地下水量豐富，由于巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，地下水及雨季的地表水能夠沿節(jié)理面及破碎帶下滲，形成集中管道狀或分散網(wǎng)絡(luò)狀地下徑流向下游排泄。隧道開(kāi)挖過(guò)程中，受地表降水補(bǔ)給影響，溶洞塌腔體內(nèi)充填物及洞頂松散體繼續(xù)塌落涌出。該隧道開(kāi)挖建成后一段時(shí)間，上方及附近地表在雨季陸續(xù)發(fā)生塌陷現(xiàn)象。

分析地表塌陷原因，是由于巖溶發(fā)育，局部巖體破碎，隧道開(kāi)挖改變了地下水的流動(dòng)及其水動(dòng)力條件，造成地表塌陷。為查明塌陷區(qū)規(guī)模、找出潛在塌陷區(qū)域，排除安全隱患，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，經(jīng)技術(shù)分析，采用高密度電法和瞬變電磁法通過(guò)電阻率參數(shù)來(lái)識(shí)別塌陷區(qū)地下、風(fēng)化破碎帶、富水區(qū)域；采用地震映像法通過(guò)波速參數(shù)識(shí)別塌陷區(qū)地表位置和邊界；鉆探可以準(zhǔn)確反映某一位置下面具體地層及其特征，驗(yàn)證物探成果，提高解釋精度。因此制定采用高密度電法、瞬變電磁法、地震映像法三種物探方法，并結(jié)合鉆探結(jié)果綜合分析的勘察方案。

4.2 成果解釋

淺埋隧道地表塌陷區(qū)及潛在塌陷區(qū)在高密度電法和瞬變電磁法成果圖中呈現(xiàn)低阻異常；淺埋隧道地表塌陷區(qū)及潛在塌陷區(qū)在地震映像成果圖上表現(xiàn)為反射波凌亂、一定范圍內(nèi)的反射波同相軸向下錯(cuò)動(dòng),呈現(xiàn)出松散、塌落的形態(tài)。

圖1 DP-1測(cè)線(xiàn)高密度電法成果Fig.1 DP-1 survey line results of high-density resistivity method

從DP-1測(cè)線(xiàn)高密度電法成果圖可以分析，地表電阻率較低，對(duì)應(yīng)地層為粗角礫土層；向下電阻率逐步升高，對(duì)應(yīng)大理巖地層；在大理巖地層中里程120～170 m和180～220 m有明顯的兩處低阻異常區(qū)，低阻區(qū)域上小下大，形如漏斗狀，上部與地表低阻層相連通。推測(cè)此段溶蝕裂隙較發(fā)育、巖體較破碎、含水豐富，推斷存在富水通道。隨著地下水的活動(dòng)加劇，巖溶及影響范圍可能會(huì)擴(kuò)大，推測(cè)為潛在塌陷區(qū)。

圖2 TEM-1測(cè)線(xiàn)瞬變電磁法成果Fig.2 TEM-1 survey line results of transient electromagnetic method

從TEM-1測(cè)線(xiàn)瞬變電磁法成果圖可以分析，在里程20～70 m電阻率等值線(xiàn)下凹，電阻率值明顯低于兩側(cè)電阻率值，且低阻區(qū)域上部與地表低阻層相連通。推測(cè)此段為溶蝕裂隙較發(fā)育、巖體較破碎、巖溶發(fā)育導(dǎo)致的塌陷區(qū)。

圖3 ZY-1測(cè)線(xiàn)地震映像成果Fig.3 ZY-1 survey line results of seismic image

通過(guò)ZY-1測(cè)線(xiàn)地震映像法成果圖可以分析，在里程45～65 m，反射波凌亂、一定范圍內(nèi)的反射波同相軸向下錯(cuò)動(dòng),呈現(xiàn)出松散、塌落的形態(tài)，推測(cè)此段為塌陷區(qū)。

4.3 綜合分析

高密度電法和瞬變電磁法通過(guò)電阻率參數(shù)來(lái)識(shí)別塌陷區(qū)及潛在塌陷區(qū)，在高密度電法DP-1測(cè)線(xiàn)120～170 m和180～220 m有明顯的兩處低阻異常區(qū)，在瞬變電磁法TEM-1測(cè)線(xiàn)里程20～70 m電阻率等值線(xiàn)下凹，電阻率值明顯低于兩側(cè)電阻率值，這兩種方法可以較好地反應(yīng)深部地質(zhì)信息；地震映像法通過(guò)波速參數(shù)識(shí)別塌陷區(qū)地表位置和邊界，在地震映像法ZY-1測(cè)線(xiàn)里程45～65 m處，反射波凌亂、一定范圍內(nèi)的反射波同相軸向下錯(cuò)動(dòng),呈現(xiàn)出松散、塌落的形態(tài)，較好地反映了淺部地質(zhì)信息；瞬變電磁法TEM-1測(cè)線(xiàn)和地震映像法ZY-1測(cè)線(xiàn)反映異常區(qū)位置重合，互相驗(yàn)證。

依據(jù)物探勘察結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形、地質(zhì)情況，推薦鉆探孔位，實(shí)施鉆探。共推薦4處鉆探位置。鉆探結(jié)果顯示，在高密度電法DP-1測(cè)線(xiàn)里程190 m位置鉆孔(13-ZBD-503)、瞬變電磁法TEM-1測(cè)線(xiàn)里程50 m位置鉆孔(13-ZBD-506)節(jié)理發(fā)育，并鉆到溶洞，其余2處鉆孔節(jié)理發(fā)育，巖心呈塊狀，證明了物探結(jié)果的可靠性。通過(guò)三種物探方法相結(jié)合，從不同角度反映了地下三維塌陷體規(guī)模和形態(tài)，結(jié)合鉆孔結(jié)果綜合分析，在平面圖(圖4)上畫(huà)出塌陷區(qū)和潛在塌陷區(qū)位置，為后續(xù)治理提供了可靠依據(jù)。

圖4 平面成果Fig.4 Flat results map

5 結(jié) 語(yǔ)

1)本文針對(duì)淺埋隧道地表塌陷問(wèn)題，分析淺埋隧道地表塌陷原因及塌陷區(qū)地球物理特征，介紹了高密度電法、瞬變電磁法、地震映像法的原理和特點(diǎn)，闡述采用多種物探方法結(jié)合，利用多種參數(shù)，互相補(bǔ)充驗(yàn)證，從不同角度反映了地下三維塌陷體規(guī)模和形態(tài)。

2)通過(guò)于家?guī)X隧道地表塌陷勘察實(shí)例，證明采用多種物探方法并結(jié)合鉆探成果分析，制定綜合物探勘察方案，可快速、有效地解決隧道地表塌陷勘察問(wèn)題，對(duì)類(lèi)似隧道工程勘察具有一定的示范和指導(dǎo)意義。