邱 鍇，肖 強(qiáng)

(寧夏公路勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750001)

1 引言

我國西南地區(qū)是巖溶分布最為集中和典型的地區(qū)[1]。巖溶作為一種不良地質(zhì)，在公路、鐵路和水利建設(shè)中造成諸多地質(zhì)難題，對(duì)工程建設(shè)穩(wěn)定性構(gòu)成極大危害[2]。尤其是巖溶區(qū)隧道，具有構(gòu)造帶發(fā)育，地下水豐富，溶蝕分布不規(guī)律等特點(diǎn)，采用單一的勘察手段很難查明其地質(zhì)情況，且因地形條件差，鉆探可實(shí)施性亦受局限。相比傳統(tǒng)鉆探而言，地球物理探測(cè)具有成本低、效率高、線性追蹤性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，常用方法有高密度電阻率法[3，4]、大地電磁法[5]、瞬變電磁法[6，7]、地質(zhì)雷達(dá)法[8，9]等。近年來，這些物探方法在工程勘察設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，研究成果和學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)成效顯著。其中：孫英勛[10]首次將可控源音頻大地電磁法(CSAMT法)應(yīng)用于水麻高速公路深埋隧道地質(zhì)勘察中，成功揭示了軟弱層、斷層破碎帶及地下水分布，并較準(zhǔn)確地劃分了圍巖類別，為高速公路隧道探索出新的勘察方法 。何燦高等[11]在某水利工程輸水隧洞中采用高密度電法、瞬變電磁法及綜合測(cè)井法，查明了研究區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造、地層結(jié)構(gòu)及巖溶空間分布特征，為設(shè)計(jì)選線提供了重要依據(jù)。崔阿李等[12]應(yīng)用探地雷達(dá)法對(duì)黃河萬家寨水庫巖溶進(jìn)行檢測(cè)，劃分了該區(qū)域溶蝕地質(zhì)的空間分布范圍。其他學(xué)者專家[13～17]亦使用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、電測(cè)深法、管波法、地震波法、CT法等手段對(duì)巖溶進(jìn)行探測(cè)分析，并取得可靠結(jié)論。以上研究成果和學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)充分證明了綜合物探手段在解決巖溶地質(zhì)難題中具有可行性、高效性、準(zhǔn)確性及必要性。

本文以廣西壯族自治區(qū)東北部平樂縣境內(nèi)一高速公路中的隧道工程為例，闡述并分析了綜合物探法探測(cè)的應(yīng)用效果。收集前期地質(zhì)資料可知隧址區(qū)巖溶發(fā)育，為查明其隱伏構(gòu)造及巖溶分布特征，詳細(xì)勘察階段采用高密度電法、瞬變電磁法相結(jié)合的地面綜合探測(cè)方法，并進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證及孔內(nèi)聲波測(cè)試，施工階段又使用地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)探測(cè)，綜合各方法取得了較好的研究效果，為設(shè)計(jì)及施工方案提供了充足的依據(jù)。

2 工程概況

該隧道總長542 m，洞身最大埋深79.7 m。地貌屬緩坡丘陵，西南面背靠江水，地勢(shì)起伏較大，植被茂盛，以雜草、灌木等為主。地面標(biāo)高約為141.3～237.2 m，擬建隧道入口及出口均處于山區(qū)，進(jìn)洞口自然坡度為20°～30°，出洞口自然坡度為50°～60°，出洞口緊靠江水，交通不便。

隧址區(qū)地層巖性主要為石炭系大唐階(C1d)灰?guī)r。洞口處地層主要為坡積土、砂巖風(fēng)化土、殘積土及溶蝕發(fā)育灰?guī)r，洞身處地層主要為砂巖殘積土、溶蝕發(fā)育灰?guī)r及相對(duì)完整灰?guī)r。地下水主要為松散巖類孔隙水和碳酸鹽裂隙巖溶水。其中松散巖類孔隙水主要分布于山坡坡麓松散堆積層中，由大氣降水補(bǔ)給，多沿松散層與基巖接觸面滲出，水量甚小。碳酸鹽裂隙巖溶水主要賦存于山體的灰?guī)r裂隙及溶蝕孔洞中，以潛水的形式存在，經(jīng)山體裂隙或地下溶洞、暗河等排泄。

3 探測(cè)方法與工作布置

3.1 高密度電法

高密度電法屬直流電阻率法的一種，集電測(cè)深和電剖面為一體，具有采集數(shù)據(jù)量大，觀測(cè)點(diǎn)密度高等特點(diǎn)[18，19]。它利用覆蓋層、溶蝕巖層、相對(duì)完整巖層等不同介質(zhì)的電阻率差異，可直觀、清晰地反應(yīng)淺層巖溶分布形態(tài)，故本工程具備開展該方法的前提地球物理?xiàng)l件。

測(cè)線沿隧道洞身方向布置，采用溫納爾裝置，電極數(shù)60根/1排列，單位電極距10 m，共1個(gè)排列，隔離系數(shù)為19，最大供電電壓360 V，有效剖面水平長度為590 m。使用儀器為重慶萬馬物探儀器公司生產(chǎn)WDJD-4型電法儀。

高密度電法探測(cè)深度可按照式(1)估算：

(1)

式(1)中：h為深度(m)；AB為供電極距(m)。

3.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method，簡稱TEM)是利用不接地回線或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場(chǎng)，在一次場(chǎng)斷電后通過觀測(cè)二次渦流場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，研究探測(cè)介質(zhì)的電性特征，進(jìn)行分析處理，達(dá)到探測(cè)地下地質(zhì)體空間展布的目的[20]。該方法對(duì)接地要求不高，可在基巖裸露區(qū)取得較好效果，應(yīng)用在本工程中合理、可行。

測(cè)線沿隧道洞身方向布設(shè)，與高密度電法測(cè)線基本重合。采用不接地回線裝置，測(cè)點(diǎn)間距5 m，測(cè)點(diǎn)間距5 m，共125個(gè)測(cè)點(diǎn)，采樣率為1.25MH，發(fā)射頻率為16 Hz，發(fā)射電流為60 A，有效剖面水平長度為589.51 m。使用儀器為重慶璀陸探測(cè)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的FCTEM拖拽式瞬變電磁系統(tǒng)。

3.3 單孔聲波測(cè)井

單孔聲波測(cè)試通過讀取初至波速信號(hào)到達(dá)不同深度點(diǎn)的時(shí)間[21]，計(jì)算出各深度點(diǎn)的速度值并繪制聲速—孔深曲線，以此劃分不同巖體或同一巖體不同強(qiáng)度的速度層位，進(jìn)一步確定巖體風(fēng)化卸荷深度及裂隙密集帶、溶蝕發(fā)育帶及巖溶、軟弱夾層、相對(duì)隔水層空間分布[22]，同時(shí)結(jié)合巖芯測(cè)試結(jié)果應(yīng)用式(2)計(jì)算完整性系數(shù)(Kv)。

Kv=(Vp/Vpr)2

(2)

式(2)中：Vp為風(fēng)化巖體縱波速度(m/s)；Vpr為完整巖體縱波速度(m/s)。

本次測(cè)試布置于鉆孔裸巖段，采用一發(fā)雙收換能器自下而上觀測(cè)，測(cè)點(diǎn)距0.2 m，每5 m進(jìn)行深度校正。探頭與孔壁巖體以井液耦合，共完成測(cè)試2孔/114.6 m。使用儀器為重慶奔騰數(shù)控研究所生產(chǎn)WSD-2A數(shù)字聲波儀和35 kHz孔內(nèi)單發(fā)雙收聲波換能器。

3.4 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)

地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar簡稱GPR)是利用超高頻窄脈沖電磁波來確定介質(zhì)分布規(guī)律的一種地球物理方法[23]。其探測(cè)原理為發(fā)射天線向隧道掌子面前方發(fā)射電磁波信號(hào)，電磁波在傳播的過程中，當(dāng)遇到不同界面或目標(biāo)體時(shí)發(fā)生反射，經(jīng)接收天線接收后，通過疊加、整形、放大等方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析[24]，所得相關(guān)參數(shù)可推斷掌子面前方巖土體的含水、破碎、巖溶和軟弱夾層等情況。

本次隧道掌子面超前探檢測(cè)采用地質(zhì)雷達(dá)法，每隔25 m 探測(cè)一次。使用儀器為美國勞雷公司生產(chǎn)的SIR-4000 型探地雷達(dá)。

4 成果分析

4.1 地面物探分析

高密度電法探測(cè)資料分析與解釋如下：

自上而下地層劃分為2個(gè)電性結(jié)構(gòu)層：上部為覆蓋層，相對(duì)低阻反應(yīng)推斷為黏土，成層性一般，說明層內(nèi)介質(zhì)不均一，電阻率值一般為5～300 Ω·m，層厚約0～10 m，局部基巖幾乎裸露地表。下部為灰?guī)r層，電阻率值較高，多在300 Ω·m以上。圖1中虛線為隧道位置，隧道高程附近地層電阻率可分為2個(gè)單元體：①樁號(hào)K116+330～K116+550 m段，推測(cè)為溶蝕裂隙發(fā)育灰?guī)r，電阻率值一般為300～800 Ω·m；②樁號(hào)K116+550～K116+890 m段，推測(cè)為相對(duì)完整灰?guī)r，電阻率值一般大于800 Ω·m。

圖1 高密度電法測(cè)線電阻率斷面

瞬變電磁法探測(cè)資料綜合分析如下：

視電阻率100～450 Ω·m區(qū)域?yàn)楦采w層、泥質(zhì)充填型溶蝕發(fā)育帶或溶洞；視電阻率450～650 Ω·m區(qū)域溶蝕裂隙較發(fā)育或塊石充填型溶洞；視電阻率650～1000 Ω·m區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)完整基巖。圖2中虛線為隧道位置，可以看出測(cè)線在樁號(hào)K116+320～K116+420隧道高程附近主要為覆蓋層(粉質(zhì)黏土)、泥質(zhì)充填型溶蝕發(fā)育帶或溶蝕深槽；測(cè)線在樁號(hào)K116+420～K116+550、K116+580～K116+670、 K116+900～K116+910隧道高程附近主要為溶蝕裂隙相對(duì)較發(fā)育巖體，存在疑似塊石充填或半充填溶洞；測(cè)線樁號(hào)K116+550 ～K116+580、K116+670～K116+900基巖主要為相對(duì)完整巖體。

圖2 瞬變電磁法測(cè)線電阻率斷面

高密度電法主要揭示淺層巖溶發(fā)育情況，瞬變電磁法主要揭示較深層巖溶空間分布情況，二者互補(bǔ)驗(yàn)證。

4.2 聲波測(cè)井及鉆孔驗(yàn)證對(duì)比分析

驗(yàn)證鉆孔ZK1、ZK2的巖性編錄描述和聲波測(cè)井成果對(duì)比分析如表1所示。

表1 聲波測(cè)井成果及鉆孔驗(yàn)證對(duì)比

根據(jù)聲波測(cè)井成果所示，孔內(nèi)溶蝕不發(fā)育灰?guī)r段的聲波速度范圍值為3700～6000 m/s，平均值為4940 m/s，完整性系數(shù)范圍值為0.32～0.85，平均值為0.58，屬較完整巖體；溶蝕較發(fā)育灰?guī)r或泥質(zhì)充填、含水溶洞段的聲波速度范圍值為2930～4600 m/s，平均值為3790m/s，完整性系數(shù)范圍值為0.20～0.56，平均值為0.35，屬破碎～較破碎巖體。圖3、圖4為選取的洞線設(shè)計(jì)高程以上20 m至孔底的ZK1、ZK2鉆孔聲波測(cè)井曲線。

圖3 ZK1鉆孔聲波測(cè)試曲線

圖4 ZK2鉆孔聲波測(cè)試曲線

4.3 地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)成果分析

對(duì)面向隧道正前方采集的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)校正、增益調(diào)整、去直流漂移、濾波、壓制和剔除干擾波及突出有效波處理。處理結(jié)果如圖5所示。結(jié)合掌子面地質(zhì)條件分析得出：掌子面前方0～25 m(相應(yīng)里程樁號(hào)為YK116+520～YK116+545)范圍內(nèi)，雷達(dá)反射信號(hào)以中低頻為主，推測(cè)該區(qū)域圍巖巖體結(jié)構(gòu)面和節(jié)理裂隙發(fā)育，局部溶蝕明顯，結(jié)構(gòu)面泥質(zhì)膠結(jié)，結(jié)合度低，圍巖自穩(wěn)能力差。建議該段施工圍巖等級(jí)按Ⅳ級(jí)考慮。

圖5 右洞K116+520掌子面地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果

4.4 效果綜合分析

ZK1鉆孔所示溶蝕發(fā)育灰?guī)r或串珠狀溶洞高程位于176.5～148.8 m、131.8～124.3 m之間，聲波速度平均值為3640 m/s，ZK2鉆孔所示溶蝕發(fā)育灰?guī)r或串珠狀溶洞高程位于198.2～182.7 m、156.7～145.9 m之間，聲波速度平均值為3640 m/s。以上巖性段的聲波測(cè)試完整性評(píng)價(jià)為破碎～較破碎，視電阻率值約在450～650 Ω·m。鉆孔地質(zhì)資料、聲波測(cè)井和瞬變電磁法結(jié)論對(duì)應(yīng)較一致，測(cè)試成果可信。綜合各方法得出，隧道前半段(樁號(hào)K116+670以前)洞線高程附近主要以泥質(zhì)充填型溶蝕發(fā)育帶、溶蝕深槽及溶蝕裂隙相對(duì)較發(fā)育巖體為主，局部基巖相對(duì)完整。隧道后半段(樁號(hào)K116+670以后)洞線高程附近主要以相對(duì)完整巖體為主，局部溶蝕裂隙發(fā)育。綜合物探成果如圖6所示。

圖6 隧道綜合物探解釋成果

5 結(jié)論

(1)本次巖溶隧道的探測(cè)方法選擇適宜，各物探成果與鉆探資料基本一致，不同方法之間能互相驗(yàn)證、補(bǔ)充，結(jié)論客觀，可信度強(qiáng)。

(2)通過綜合勘測(cè)手段已查明該隧道洞線附近隱伏構(gòu)造及巖溶分布情況，圈定的巖溶發(fā)育位置及分布范圍準(zhǔn)確，劃分的圍巖等級(jí)合理，為設(shè)計(jì)及施工方案提供了充足的依據(jù)。

(3)公路工程中巖溶隧道地質(zhì)條件復(fù)雜多變，通過單一方法很難查明地質(zhì)情況或解決地質(zhì)問題，采用綜合物探結(jié)合鉆探的方法具有可行性、高效性、準(zhǔn)確性及必要性。