陽 映，閆清華，衣駿杰，張亞龍

(1.中航勘察設計研究院有限公司,北京 100098；2.中國冶金地質總局礦產資源研究院,北京 101300)

0 引言

在線路勘察中，隧道勘察是整個工程的重點。通過查明隧址區(qū)的地質構造、地形地貌、地層巖性組合特征、圍巖的基本物理力學性質、地下水分布特征以及可能遇到的不良地質的分布范圍，為隧道施工工法的選擇、洞身掘進方法、支護和襯砌類型以及洞口放坡提供工程地質依據和設計參數，確保施工安全(黃潘等，2009)。地質勘察的方法主要有鉆探和物探。由于隧址區(qū)地形陡峭、植被茂密，鉆機很難就位施工，工期長，費用高。物探方法快速、經濟、有效的特點使其廣泛應用于隧道勘察中。單一的物探方法具有一定的局限性，如探測深度、電磁干擾、地形條件等因素，因此在隧道勘察中常采用綜合物探的方法，利用不同的物性差異相互佐證，以提高物探資料的準確性(張舉賢，2006；周竹生和豐赟，2011)。

通過淺層地震法和高密度電法相結合，可以有效查明淺層巖體風化情況和圍巖等級。高密度電阻率法和地震折射波法取得了很好的效果，特別是高密度電阻率法可給出深度超過300 m的地質信息，并得到了施工開挖的驗證，為開展綜合勘探和綜合物探積累了經驗(樊耀武等，1998；李建國等，2006；時彥芳等，2010)。通過淺層地震法和大地電磁法相結合，不僅可以查明地表覆蓋層厚度，還可以準確查明深層隱伏構造、巖性變化和巖溶區(qū)等不良地質體分布情況，為隧道開挖提供了重要的參考意義(胡樹林和陳煊，2010；韓松等，2010；劉劍飛，2011；譚遠發(fā)，2012；覃圖觀和馮毅，2015)。

前人利用綜合物探方法對隧道選址、施工等方面進行了大量研究，但以往研究未考慮到不同施工段的側重點以及目的層深度的差異。本文以松山隧道為例，根據隧道不同施工段的側重點以及目的層深度，選擇最優(yōu)的測線布置方式以及物探方法，通過實際驗證，確定最優(yōu)的物探組合方法，以期解決隧道施工中的地質問題。

1 工區(qū)概況

延崇高速公路(北京段)工程起于北京市延慶區(qū)大浮坨村西側，與興延高速公路相銜接，在市界處與延崇高速公路河北段相接。其中，松山隧道近東西走向(圖1)，是延崇高速公路最長的一條隧道，北京段全長4.5 km，里程為K28+935.00～K33+525.248，隧道洞身最大埋深約718.8 m，最高點標高約1800 m。松山隧道沿線地形變化較大，溝谷、斷崖發(fā)育明顯，整體呈西高東低的狀態(tài)，主要表現為多條山脊自東向西延伸，山脊與溝谷交替出現。

圖1 擬建松山隧道沿線地貌圖

隧道勘察需查明隧址區(qū)的地質構造、地形地貌、地層巖性組合特征及圍巖的基本物理力學性質，地下水分布特征，以及可能存在的不良地質現象。然而隧址區(qū)地形陡峭，植被茂密，隧道洞身埋深大，地層均為基巖，且隧道位于松山國家級自然保護區(qū)內，不允許破壞森林資源和生態(tài)環(huán)境的現象發(fā)生，導致傳統(tǒng)鉆探方法很難在該區(qū)開展工作。

2 物探方法的選擇

第四系地層與基巖存在明顯的物性差異。第四系地層因不同的密實程度、不同顆粒組成及物質組成存在物性差異。基巖的巖性變化，巖體不同的風化程度，節(jié)理裂隙不同的發(fā)育程度以及巖體破碎程度，導致相對明顯的電性、密度、波阻抗等差異。上述物性差異為在隧址區(qū)進行物探工作提供了前提。

2.1 物探方法的特點

隧道工程勘察中常用的物探方法一般有：淺層地震法(韓永琦等，2004；謝尚平等，2004；趙德亨等，2005；張慧利等，2014)、高密度電法(劉曉東等，2001；劉曉東等，2002；董浩斌和王傳雷，2003；郭秀軍等2004；嚴加永等，2012；陳晨等2019；陳龍等2019；陳亞乾等，2019)、瞬變電磁法(TEM)(劉樹才等，2005；薛國強等，2007；張開元等，2007)、大地電磁法(EH4)、可控源電磁法(CSAMT)(王赟等，2002；孫英勛，2005；李英賓等，2019)等。各方法的特點和適用條件見表1。

表1 物探方法特點

2.2 本工區(qū)隧道勘察關注的重點

隧道洞口段邊坡的穩(wěn)定性、不良地質體和富水性是隧道施工重點關注的問題。由于隧道洞口段埋深較淺,需要有針對性地選擇分辨率高的物探方法。因此選擇地震折射波法和瞬變電磁法進行綜合勘探，重點分析隧道洞口段覆蓋層的厚度、地層分界線的位置以及不良地質體的分布情況(彭湘桂等，2014)。

隧道洞身段施工時重點關注地層破碎帶、儲水構造等不良地質體。由于隧道洞身埋深較大，地震折射波法和瞬變電磁法的探測深度無法滿足要求，因此采用可控源音頻大地電磁法進行勘探，重點分析洞身段地層分界線的位置以及是否存在不良地質體。

2.3 物探方法的選擇及測線布置原則

根據勘察目的，針對隧道洞口段與洞身段所關注的側重點不同，結合隧道埋深、地層分布特點、地形地貌情況和物探方法特點，在洞口段和洞身段選擇不同的物探方法以及測線布置方式，實現有針對性的綜合勘探。詳細原則見表2。

表2 物探測線布置方案

3 物探方法原理

3.1 地震折射層析成像法

地震折射層析成像法主要利用人工震源產生的折射波，通過構建初始模型，利用射線追蹤理論，正演折射波初至時間，通過不斷的優(yōu)化正演初至與實際初至，反演速度模型。通過這種正反演的不斷迭代更新，使速度模型更加接近真實的地層情況。最后利用速度參數，確定覆蓋層的厚度以及速度異常體的范圍。

3.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法是時間域的電磁法，利用不接地回線(磁偶源)或接地電極(電偶極源)產生的脈沖式一次電磁場，通過線圈或接地電極接收地下渦流產生的二次電磁場的時間以及空間分布情況。這種方法在完全沒有一次場的背景下觀測研究二次場。地下目標體感應的二次場強弱、隨時間衰減的快慢與地下所要探測的目標異常體的大小、位置、產狀和導電性能等因素密切相關。因此，我們可以通過研究二次場隨時間和空間的分布情況獲得地下地質異常體的埋深、形態(tài)及電性特征(薛國強等，2007)。

3.3 可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)屬于人工源大地電磁測深法，是為了克服天然源隨機性和信號弱等缺點發(fā)展起來的。該方法利用相距1～2 km的電偶極源作為場源，以場源外圍5～10 km的范圍為測量區(qū)，在測量區(qū)內測量相互垂直的電場和磁場切向分量，計算卡尼亞電阻率。依據電磁波傳播原理及麥克斯韋方程租，可知由地下正交的電場與磁場可獲得地下的電阻率。另外根據電磁波傳播的趨附效應，地表電阻率一定時，傳播深度隨頻率增大而衰減，低頻傳播深度大，高頻傳播深度小，通過改變發(fā)射電磁波的頻率改變探測深度，進而達到測深的目的。該方法具有探測深度大、分辨率高、地形影響小、高阻層屏蔽小等優(yōu)點(王赟等，2002)。

4 應用效果

針對松山隧道勘察對洞口和洞身側重點的不同，采用多種物探方法查明了隧道區(qū)域的地層以及不良地質體分布，為隧道施工提供可靠依據。

4.1 隧道洞口段

隧道施工過程中，洞口段的施工是重中之重。邊坡的穩(wěn)定性，圍巖的風化程度等，這些都是施工過程中需要考慮的因素。因此，在隧道洞口段增加橫剖面物探測線，為隧道施工提供更加全面的地質情況。

(1)地震折射層析法成果解釋

地震折射層析成像法成果顯示松山隧道洞口段地層整體較均一(圖2)。第一層為碎石及塊石，視速度介于300～2500 m/s，厚度一般15～25 m；第二層為強風化基巖，視速度>2500 m/s。進京線隧道截面(左側)視速度為1500～2500 m/s，出京線隧道截面(右側)視速度小于1500 m/s。隧道洞口段地層均為碎石或塊石層。受風化、卸荷等影響洞口巖體完整程度為較破碎-破碎，不利于洞室圍巖的穩(wěn)定。洞口段圍巖成洞性很差，基本無自穩(wěn)能力，應加強邊坡加固措施。

圖2 洞口段橫剖面地震成果圖

(2)瞬變電磁法成果解釋

瞬變電磁法成果(見圖3)在縱向顯示出一定的成層性，表層的相對低阻層視電阻率值一般小于100 Ω·m，推斷為碎石層；在碎石層以下存在著一個厚度不均的相對高阻層，視電阻率值約在100～600 Ω·m，根據鉆孔所揭露的信息，該區(qū)域內塊石層普遍存在，塊石層與強風化基巖具有相似的電性特征，所以該層推斷為塊石層(含強風化基巖)；隨深度增加，視電阻率值繼續(xù)升高，約為600～1000 Ω·m，推斷為中風化基巖；在中風化基巖以下，視電阻率值高于1000 Ω·m的范圍推斷為微風化基巖。進京線隧道截面(左側)視電阻率為300～600 Ω·m，出京線隧道截面(右側)視電阻率<250 Ω·m。隧道洞口段地層均為碎石或塊石層，圍巖成洞性很差，基本無自穩(wěn)能力，應加強邊坡加固措施。

圖3 洞口段橫剖面瞬變電磁成果圖

通過兩種物探方法的成果圖對比發(fā)現，隧道洞口段地層分布情況基本一致，均為碎石及塊石。針對此碎石塊石地層，后期施工應進行加固處理。兩種方法起到了相互驗證的效果，提高了物探成果的準確性。

4.2 隧道洞身段

隧道洞身段施工過程中，重點關注地層破碎帶、儲水構造等不良地質體。松山隧道洞身段埋深變化較大，最大埋深可達700 m，根據隧道埋深的不同選用不同測深的物探方法進行勘察，為隧道施工提供更加全面的地質情況。里程K28+945～K30+185段隧道埋深小于200 m，沿隧道設計瞬變電磁法縱剖面測線，里程K30+045～K33+645段隧道埋深為150～718 m，沿隧道設計測深較大的可控源大地電磁法縱剖面測線。

(1)瞬變電磁法成果解釋

里程K28+945～K30+185段洞身瞬變電磁法成果顯示(見圖4)，視電阻率隨深度的增加而增大，淺表層5 m左右深度范圍內，視電阻率值一般小于100 Ω·m，推斷為碎石層；碎石層以下視電阻率升高，視電阻率值約在100～600 Ω·m，推斷為塊石(含強風化基巖)；隨深度增加，視電阻率值繼續(xù)升高，約為600～1000 Ω·m，推斷為中風化基巖；在中風化基巖以下，視電阻率值高于1000Ω·m的范圍推斷為微風化基巖。

圖4 瞬變電磁法成果圖

隧道洞身處里程K28+945～K29+100區(qū)間內，視電阻率為100～600 Ω·m，推斷為強風化基巖，巖體為較硬巖，完整程度為較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，形成較不利的空間結構組合，不利于洞室圍巖的穩(wěn)定。圍巖成洞性較差，基本無自穩(wěn)能力。因此，隧道開挖時應加強超前地質預報及支護工作，保證施工安全；隧道洞身處其他里程段，視電阻率均大于600 Ω·m，推斷為中風化基巖，巖體為較硬巖，完整程度為較完整。隧道開挖時應加強超前地質預報及支護工作。

(2)可控源音頻大地電磁法成果解釋

里程K30+045～K33+645段隧道洞身可控源音頻大地電磁法成果顯示(圖5)，剖面淺部視電阻率約在80 Ω·m以下，呈低阻特性，推測為碎石層的反映；隨著深度增加，依次為塊石(含強風化基巖)與中風化基巖，其中塊石(含強風化基巖)電阻率約在100～150 Ω·m，中風化基巖電阻率大于150 Ω·m；隧道里程K30+645～K31+360區(qū)間內，視電阻率小于100 Ω·m，在所探測深度范圍出現了相對低阻異常，隨深度增加向東北方向延伸，推斷此區(qū)域為裂隙發(fā)育帶；里程K32+795～K33+117區(qū)間內，由表層以下至高程1020 m左右的范圍出現了相對低阻異常，推斷此區(qū)域為裂隙發(fā)育帶。這兩段裂隙發(fā)育帶處巖體破碎，工程性質較差，隧道開挖時應加強超前地質預報及支護工作。

圖5 大地電磁法成果圖

5 結論

(1)針對松山隧道洞口段與洞身段所關注的側重點和隧道埋藏深度的不同，有針對性地選擇合適的物探方法以及測線布置方式進行綜合勘探。查明隧道洞口段覆蓋層的厚度以及洞身段不良地質體的發(fā)育情況，為施工工法的選擇提供了重要的依據。

(2)根據隧道洞口段地震折射層析法和瞬變電磁法成果圖推斷，隧道洞口主要位于碎石和塊石中，巖體較破碎，圍巖成洞性很差，基本無自穩(wěn)能力。因此，隧道開挖時應加強邊坡加固措施。

(3)根據隧道洞身段瞬變電磁法成果圖推斷，里程K28+945～K29+100區(qū)間內，隧道洞身位于強風化基巖中，巖體較破碎，圍巖成洞性較差，基本無自穩(wěn)能力。因此，隧道開挖時應加強超前地質預報及支護工作，保證施工安全；里程K29+100～K30+185區(qū)間內，隧道洞身位于中風化基巖中，巖體較完整。

(4)根據隧道洞身段可控源音頻大地電磁法成果圖推斷，里程K30+045～K33+645區(qū)間，隧道洞身主要位于微風化基巖中，巖體較完整。其中，里程K30+645～K31+360區(qū)間內，在所探測深度范圍出現了相對低阻異常，推斷為裂隙發(fā)育帶，該區(qū)域巖體破碎，工程性質較差，隧道開挖時應加強超前地質預報及支護工作。

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