馬 濤

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710043)

1 引 言

川藏鐵路是我國(guó)當(dāng)前的重點(diǎn)工程項(xiàng)目，穿越地形起伏較大、地質(zhì)條件復(fù)雜的藏東南[1]。川藏鐵路沿線基礎(chǔ)地勘資料較少，多為小比例尺的地勘資料[2-4]。2019年中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心完成了雅安—林芝段1∶25萬(wàn)地質(zhì)圖及說(shuō)明書[5]，察雅—昌都段的5幅1∶5萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查。由于昌都—林芝段內(nèi)基本無(wú)1∶5萬(wàn)地勘資料，地質(zhì)資料如此匱乏，難以滿足川藏鐵路的設(shè)計(jì)需求[6]。為了解決該問(wèn)題，開(kāi)展了鐵路沿線的綜合物探工作，為設(shè)計(jì)方案提供了有效的數(shù)據(jù)支撐，提高了設(shè)計(jì)方案的可靠性。本文以川藏鐵路昌都—林芝段果拉山隧道為背景，論述了航空物探、音頻大地電磁法及孔內(nèi)測(cè)試相結(jié)合的“空—地—井”的綜合物探手段在隧道勘察中的應(yīng)用效果。

2 地質(zhì)概況

果拉山隧道地處西藏自治區(qū)昌都市八宿縣[7]，隧道進(jìn)口位于邦達(dá)草原玉曲河右岸，隧道出口位于怒江支流八曲峽谷區(qū)。隧道起訖里程為CK911+250～CK949+415，全長(zhǎng)38 165.0m，洞身最大埋深1 460 m，隧道穿越八曲支溝，埋深47 m[8]。圖1為果拉山隧道地質(zhì)簡(jiǎn)圖。

圖1 果拉山隧道地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Brief geological map of the Guolashan tunnel

果拉山隧道涉及地層主要有三疊系上統(tǒng)—侏羅系下統(tǒng)羅冬巖群變質(zhì)砂巖，三疊系上統(tǒng)孟阿雄群砂巖夾灰?guī)r，二疊系—石炭系俄學(xué)巖群片巖夾板巖夾大理巖，石炭系下統(tǒng)錯(cuò)絨溝口巖組板巖夾大理巖，古中元古界卡窮巖群片麻巖，燕山期侵入花崗巖(ηγ5)，各構(gòu)造帶內(nèi)分布斷層角礫、糜棱巖。與隧道相關(guān)的斷層主要有5條，分別是：巴給咖斷層(F13，CK913+170～CK913+410)，F(xiàn)14斷層(CK915+340～CK915+530)，雜那東斷層(F15，CK918+270～CK918+470)，打龍弄斷層(F17，CK945+840～CK946+440)，麥芽斷裂(F18，CK948+420～CK948+845)。

3 方法選擇

果拉山隧道有著溝壑縱橫、高山峽谷，一來(lái)難以開(kāi)展地面物探工作，二來(lái)影響地面物探勘探效果。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，果拉山隧道穿越了羌塘地塊與班公湖—怒江縫合帶兩個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元[9]。

依據(jù)以往磁測(cè)成果[10]，羌塘地塊為磁異常較低的平靜背景，班公湖—怒江縫合帶表現(xiàn)為線性排列的串珠狀高磁異常及正負(fù)磁異常伴生的特征，兩塊構(gòu)造單元磁異常主要為基性、超基性巖體及火山巖體引起，依據(jù)區(qū)域地質(zhì)成果，沿線該類巖體大多受斷裂帶控制，據(jù)此采用航空磁法勘探進(jìn)行構(gòu)造單元的劃分及斷裂帶的追蹤。

磁法能反映構(gòu)造單元的劃分[11]，難以用于巖體完整性及富水性的辨識(shí)，為解決巖體完整性勘探的問(wèn)題，在展開(kāi)磁法勘探的基礎(chǔ)上，同時(shí)開(kāi)展電磁法工作。大地電磁法作為深大埋深隧道工程勘查中應(yīng)用最廣泛的勘探方法，對(duì)于巖體完整性及富水性辨識(shí)具有良好的效果[12]。本次勘探工作采用航空瞬變電磁法[13](VTEM)、航空大地電磁法[14](ZTEM)和地面音頻大地電磁法(Audio-frequency Magnetotelluric Method,AMT)三種方法進(jìn)行勘探。全線實(shí)施航空電法勘探，在地形條件允許的情況下，實(shí)施音頻大地電磁法，驗(yàn)證航空電法的勘探結(jié)果的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更高精度的勘探。鉆孔巖性及孔內(nèi)測(cè)試資料可驗(yàn)證物探解譯的正確性。

根據(jù)以上分析，果拉山隧道綜合勘查選擇航空磁法、航空電法、音頻大地電磁法、孔內(nèi)測(cè)試等物探方法。航空物探識(shí)別及解譯區(qū)域地質(zhì)形成環(huán)境及構(gòu)造單元、大型構(gòu)造及物性背景，建立勘察區(qū)地球物理模型，為地面物探的解譯提供區(qū)域地質(zhì)—物探背景；地面物探對(duì)構(gòu)造發(fā)育重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化勘察；孔內(nèi)測(cè)試驗(yàn)證物探解譯準(zhǔn)確性及提供物探數(shù)據(jù)正反演的先驗(yàn)信息。以此形成“空—地—井”的勘查手段(解譯思路見(jiàn)圖2)，完成隧道圍巖工程地質(zhì)勘察。

圖2 “空—地—井”綜合物探勘探解譯思路Fig.2 The interpretation chart of comprehensive geophysical prospecting of the “ aerial-ground-well”

3.1 航空物探

航空探測(cè)方法包括航空瞬變電磁[15-17]、航空大地電磁和航空磁法等，主要設(shè)備使用加拿大Geotech公司的航空VTEMlite、ZTEM系統(tǒng)，選用歐直的小松鼠直升機(jī)Astar B3E作為作業(yè)運(yùn)載平臺(tái)。

為了保證航空物探(VTEM+ZTEM+ΔT)勘探深度、應(yīng)用效果，保證三維反演數(shù)據(jù)需求，測(cè)線在有效勘探范圍兩端分別外延3 km(測(cè)線布置見(jiàn)圖1藍(lán)色虛線線條)[18]。

在ZTEM和VTEM飛行測(cè)量時(shí)，同時(shí)也搭載了銫光泵磁力儀，用于測(cè)量地磁場(chǎng)的總磁場(chǎng)強(qiáng)度TMI。同時(shí)完成航磁ΔT總場(chǎng)的MVI三維反演結(jié)果[19]。

3.2 音頻大地電磁法

音頻大地電磁法主要設(shè)備使用加拿大鳳凰公司的V8電法工作站。音頻大地電磁法的測(cè)線布置為沿中線進(jìn)行布設(shè)，點(diǎn)距25 m。為了音頻大地電磁法勘探深度、應(yīng)用效果，保證反演數(shù)據(jù)需求，采用張量采集模式,即同時(shí)采集兩個(gè)磁道和一個(gè)電道，采集時(shí)間不低于30分鐘[20]。

圖3 果拉山隧道航空磁測(cè)平面Fig.3 Aeromagnetic plan of Guolashan tunnel

3.3 孔內(nèi)測(cè)試

綜合測(cè)井主要設(shè)備使用上海地學(xué)儀器研究所的綜合測(cè)井系統(tǒng),共采集井徑、自然電位電阻率、磁化率、自然電位、自然γ、聲波6項(xiàng)參數(shù)，主要應(yīng)用于地層分層、地面物探資料的先驗(yàn)信息及地面物探資料合理性驗(yàn)證[21]。

4 成果分析

4.1 航空物探平面物性特征分析

結(jié)合ΔT平面等值線圖(圖3)與電阻率平面等值線圖(圖4)，可以總結(jié)出如下區(qū)域地球物理特征：

1)以里程樁號(hào)CK931為界線劃分為兩個(gè)磁異常區(qū)域，其中里程樁號(hào)CK912～CK931段落為平靜的低磁背景，屬于羌塘地塊磁異常特性，里程樁號(hào)CK931～CK952段落展現(xiàn)為高低磁伴生的磁異常特征，磁性較高，符合班公湖—怒江縫合帶異常特征。

2)里程樁號(hào)CK918為界線劃分為兩個(gè)電阻率異常區(qū)域，以里程樁CK918附近的雜那東斷層(F15)通過(guò)的區(qū)域?yàn)榉纸缇€，其中里程樁號(hào)CK912～CK918段落為平靜的低阻展布，推斷為變質(zhì)砂巖，砂巖夾灰?guī)r，片巖夾板巖夾大理巖的電阻率反應(yīng)。里程樁號(hào)CK918～CK952段落展現(xiàn)為高電阻率異常特征，推斷為花崗巖、片麻巖的電阻率反應(yīng)。

3)已知斷層F13通過(guò)低磁異常中心,并沿低磁異常長(zhǎng)軸方向展布，斷層F15為磁異常等值線同向彎曲。F17、F18斷層分布于正負(fù)磁異常梯級(jí)帶上，電阻率等值線圖中，斷層為相對(duì)低阻條帶狀展布，空間位置基本與區(qū)域地質(zhì)資料一致。

圖4 果拉山航空電磁法3 900 m高程切平面電阻率等值線Fig.4 Contour plot of the 3 900 m elevation cut plane resistivity of Guolashan by aeronautical electromagnetic method

4)F18( CK948～ CK950)附近為高磁異常展布，為果拉山隧道磁性異常最高值，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料分析,該高磁異常為蛇紋巖混雜巖分布區(qū)域與F18的熱交換作用有關(guān)。CK941+500附近在地質(zhì)調(diào)查上沒(méi)有描述，但在電阻率和磁化率等值線圖3上反映清楚。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)地層巖性的描述，推測(cè)是片麻巖與閃長(zhǎng)花崗巖(ηγ5)以F12斷層接觸。

5)里程樁號(hào)CK920～CK924段落為低阻異常，呈閉合環(huán)形展布。磁異常位于正負(fù)磁異常相伴生區(qū)域，零分界線兩側(cè)磁性變化并不強(qiáng)烈，推斷其低阻異常為深部的礦化蝕變或巖性接觸面引起。

6)里程樁號(hào)CK927～CK952段落整體電阻率較高，其中部分區(qū)域呈近南北向的電阻率梯級(jí)帶異常，反應(yīng)較為不明顯，而磁異常在CK931里程以前表現(xiàn)為低磁背景，CK927～CK931電阻率較高，磁性較低，推斷其為酸性花崗巖的物性特征，CK931附近電阻率存在相對(duì)低阻分割線，結(jié)合磁異常特征，推斷為閃長(zhǎng)花崗巖的物性特征。

4.2 地面物探成果分析

基于地質(zhì)、物探及鉆探結(jié)果，將初測(cè)線路進(jìn)行了修正(圖1 青色線條)，定為定測(cè)路線，在定測(cè)路線上完成了音頻大地電磁法，由于線路變更，定測(cè)線路與對(duì)應(yīng)初測(cè)線路部分區(qū)域里程編號(hào)近10 km，導(dǎo)致線路里程及巖性變化，但航空物探對(duì)于區(qū)域巖性地球物理特征的分析依舊可用于定測(cè)線路的解譯。

從音頻大地電磁反演斷面圖(圖5)可看出,電阻率值整體較高，基巖電阻率約1 400～10 000 Ω·m，結(jié)合勘察區(qū)域出露巖性分析，推斷勘察區(qū)域巖體整體較完整?？v向上物探斷面圖呈層狀展布，表層為相對(duì)低阻帶，電阻率值1 000～1 400 Ω·m，推斷為第四系覆蓋層，第四系覆蓋層整體分布較為均勻，起伏較小，厚度約為30～40 m。

圖5 果拉山隧道音頻大地電磁法斷面Fig.5 Cross section of MT exploration of Guolashan tunnel

里程DK925+092～DK926+477段，該段位于隧道進(jìn)口段，埋深較淺，整體電阻率值相對(duì)較低，推斷該段為較破碎的板巖夾大理巖的電阻率反應(yīng)。里程DK926+477～DK950+726段，地層巖性主要為二長(zhǎng)花崗巖，電阻率值較高，呈層狀展布；隨著深度的增加，電阻率值逐漸增加，上部電阻率值相對(duì)較低，推斷為較破碎的二長(zhǎng)花崗巖的電阻率反應(yīng)，下部電阻率值急劇升高，電阻率值相對(duì)較高，推斷為較完整的二長(zhǎng)花崗巖的電阻率反應(yīng)。里程DK927+092～DK927+342段，在反演電阻率斷面圖上為向下延伸的異常低阻帶，反演電阻率值等值線向下凹陷，傾向北東，寬度約250 m，結(jié)合地質(zhì)資料，在該段附近主要為巖性分界面，大里程方向地層巖性為燕山期二長(zhǎng)花崗巖，小里程方向地層巖性為石炭系下統(tǒng)錯(cuò)絨溝組板巖夾大理巖，推斷該段異常帶為斷層破碎帶F15的電阻率反應(yīng)，斷層性質(zhì)為正斷層。該斷層帶內(nèi)電阻率較為連續(xù)，推斷該斷層較為穩(wěn)定。

4.3 孔內(nèi)測(cè)試成果分析

1DSSZ-27鉆孔位于果拉山隧道洞身段(DK928+305.2右14.3 m)，終孔深度425.5 m，揭示地層為0～134.2 m為碎石類土、砂類土，134.2～139.4 m為溶洞，無(wú)充填；139.4～209.4 m為大理巖地層，巖體以較破碎為主；209.4～425.4 m，巖體以砂巖夾大理巖為主，局部夾侵入花崗巖，巖體以較破碎為主，局部較完整。

結(jié)合地面調(diào)繪分析，鉆孔附近地表地層主要以第四系冰積物為主，塊石以花崗巖成分為主，在該孔附近地表露頭出露為花崗巖，受風(fēng)化影響，花崗巖巖體較破碎。

根據(jù)地面及航空物探成果，該孔所在區(qū)域主要表現(xiàn)為地層電阻率上低下高的物性特征，高阻和低阻分界線明顯，整體電阻率為1 400～7 000 Ω·m。

經(jīng)鉆探揭示，該區(qū)上部相對(duì)低阻區(qū)主要巖性為第四系冰積物，溶洞和大理巖，巖體較破碎，屬石炭系錯(cuò)絨溝組地層；下部為石炭系錯(cuò)絨溝組地層與燕山期的侵入花崗巖融合，巖體較破碎，局部較完整，隧道洞身位于石炭系與燕山期融合段地層中。鉆孔與地面物探解譯吻合較好，上部物探低阻對(duì)應(yīng)鉆探揭示的第四系冰積物、溶洞和較破碎的大理巖，下部相對(duì)高阻主要是花崗巖和大理巖，巖體相對(duì)上部較完整。

4.4 綜合分析

1)結(jié)合航空物探的電、磁性特征，里程CK931附近為羌塘地塊與班公湖—怒江縫合帶分界線， CK912～CK931段表現(xiàn)為低電阻率、低磁化率的平穩(wěn)背景，結(jié)合地質(zhì)資料推斷其主要為變質(zhì)砂巖，砂巖夾灰?guī)r等巖性的反應(yīng)，構(gòu)造活動(dòng)不強(qiáng)烈，相對(duì)較穩(wěn)定，對(duì)工程建設(shè)影響較小。CK931～CK952段高低電阻率、正負(fù)磁異常相伴的急劇變化，電性及磁性參數(shù)的劇烈變化揭示了該區(qū)域內(nèi)深大斷裂發(fā)育，深部的巖漿與地表物質(zhì)發(fā)生膠結(jié)變質(zhì)，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，相對(duì)較穩(wěn)定，對(duì)工程建設(shè)影響較大。依據(jù)平面巖性分布，推測(cè)該分界線位于定測(cè)線路的DK941～DK941+500附近。

2)地面物探視電阻率斷面圖中DK927+800附近為電阻率梯級(jí)帶，且呈垂直于地面展布,寬度較窄，表明該里程附近橫向巖性發(fā)生較大變化，推測(cè)為巖性接觸帶。結(jié)合鉆孔資料、孔內(nèi)測(cè)試資料及地質(zhì)情況,推斷里程DK925～DK927+800段主要巖性為板巖夾大理巖，DK927+800～DK928+400主要為花崗巖地層。同時(shí)根據(jù)地質(zhì)資料,DK927+092～DK927+342段分布有雜那東斷層，推測(cè)該斷層為花崗巖生成的通道，故分析認(rèn)為DK927+092～DK928+400由于斷層及巖性接觸帶展布，工程條件較差。

3)里程DK928+400～DK941段隧道洞身范圍內(nèi)主要為花崗巖地層，整體較為穩(wěn)定，工程條件較好。

4)里程DK941～DK959段隧道洞身范圍較為復(fù)雜，符合班公湖—怒江縫合帶地質(zhì)特征，構(gòu)造較為發(fā)育，整體工程地質(zhì)條件較差。其中DK956～DK956+500、DK958～DK958+500分布有龍弄斷層F17、麥芽斷裂F18斷層及其影響帶，斷層破碎帶內(nèi)物質(zhì)以斷層角礫及糜棱巖為主，局部富水，存在圍巖坍塌、突然涌水(泥)等風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié) 論

此次采用航空物探、地面物探、綜合測(cè)試相結(jié)合的“空—地—井”多尺度綜合物探方法來(lái)完成果拉山隧道的勘察任務(wù)，取得了較好的效果。航空物探用于區(qū)域地質(zhì)背景、巖性及斷裂等勘察區(qū)“面”級(jí)勘察，為勘察區(qū)地球物理模型的建立提供基礎(chǔ)信息;利用地面物探實(shí)現(xiàn)航空物探校準(zhǔn)及不良地質(zhì)精細(xì)化探查的“線”級(jí)勘察;最后進(jìn)行井中測(cè)試完成驗(yàn)證物探結(jié)果修正的“點(diǎn)”級(jí)勘察。此次綜合物探為復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)的鐵路地質(zhì)勘察工作積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

1)航空物探應(yīng)用于鐵路地質(zhì)勘察，實(shí)現(xiàn)了沿線物探的全覆蓋，有效地填補(bǔ)了地面物探空白地段，并可應(yīng)用于劃分區(qū)域地質(zhì)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)不同地質(zhì)環(huán)境下的分類判識(shí)，使得地質(zhì)解釋更趨于全面準(zhǔn)確。“空—地—井”模式的綜合物探方法的應(yīng)用，可有效實(shí)現(xiàn)復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)的快速地質(zhì)勘察。

2)通過(guò)航空物探劃分鐵路沿線羌塘地塊與班公湖—怒江縫合帶接觸面，同時(shí)建立了兩個(gè)構(gòu)造單元地球物理模型，然后在不同構(gòu)造單元的地質(zhì)成因背景下利用地面物探及井中測(cè)試資料進(jìn)行地面工程不良地質(zhì)體的解譯與判識(shí)，取得了較好的勘探效果。

3)通過(guò)航空、地面、井中測(cè)試及鉆孔的立體勘探體系，能更好地分析地層空間展布、地層巖性、斷層構(gòu)造劃分，對(duì)川藏鐵路地質(zhì)調(diào)查分析有重要的指導(dǎo)意義，是目前工程地質(zhì)分析的重要依據(jù)。

4)“空—地—井”勘探模式的應(yīng)用使復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)的快速準(zhǔn)確的地質(zhì)勘察成為可能，同時(shí)為應(yīng)用“地—井”模式資料解譯提供新的思路，使工程物探勘察更可靠、精細(xì)。