李芳凝，劉志清，王思鍇，馬海志，李添才 ，趙振國，王晨濤，肖西衛(wèi)

(1.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101；2.中交公路規(guī)劃設計院有限公司，北京 100010)

0 引言

隨著“交通強國”“扶貧攻堅”“鄉(xiāng)村振興”等的深入開展，地鐵、鐵路、公路等帶狀交通工程進入新的發(fā)展階段，建設重心轉移到生態(tài)環(huán)境敏感和交通落后的山區(qū)。我國山區(qū)面積廣大，約占全國面積的2/3，延綿幾十千米、幾百千米甚至上千千米的交通工程除了面臨巖溶、巖堆、活動斷裂等不良地質和軟巖、膨脹土等特殊巖土問題外，還要應對地震、山體滑坡、泥石流等地質災害，這些問題的復雜性、隱蔽性和動態(tài)性對山區(qū)交通路基、隧道和橋梁的勘察設計帶來巨大的挑戰(zhàn)。

山區(qū)帶狀交通工程工可(工程項目可行性研究)、初勘、詳勘等勘察階段對工作內(nèi)容和深度要求不盡相同，工可階段以地質調(diào)繪為主，物探為輔，少量鉆探；初勘階段以物探為主，鉆探驗證，適量試驗；詳勘階段是以鉆探為主，物探補勘，大量試驗。不同的勘察階段，需要根據(jù)路基、橋梁、隧道、站場等構筑物形式，通過工程地質、淺層物探與巖土力學的理論、試驗研究和工程實踐及其信息綜合集成，認識山區(qū)表層物質、結構、狀態(tài)及其在自然和工程作用下變形破壞機理與過程，評價工程巖土體的穩(wěn)定性及其環(huán)境效應，尋求相應的工程技術與處理措施，保證工程的安全構筑與運行，物探工作將在山區(qū)交通工程勘察中貫穿始終。

山區(qū)地形地質構造的快速且不連續(xù)變化導致工程地質問題的不可預測性，對地基的穩(wěn)定性評估存在極大的不確定性。在勘察過程中，由于地形險峻，空間窄小，地面人員和大型鉆探裝備難以到達線路位置，密集開展地質調(diào)繪和勘探極其困難且費用高昂，如此造成的地質資料空白或稀少，給工程建設帶來很大的安全隱患，嚴重影響設計參數(shù)及工程造價。不同于鉆探，物探技術可以相對較快地進行且能夠在已知控制點之間進行插值，航空物探甚至以高達幾十千米每小時的速度獲得連續(xù)的地質數(shù)據(jù)，具備了明顯的大數(shù)據(jù)特征，已經(jīng)成為用于線路比選、鉆探選位、取樣或其他有針對性的現(xiàn)場測試的基礎。為了滿足帶狀交通工程勘察設計的需求，填補地質資料空缺和提高勘察效率，近幾年來，工程物探涌現(xiàn)出許多新技術，初步形成了“空天地”一體化勘察技術體系，勘探裝備更加輕便化，軟件更加自動化，勘探精度更高和深度更大，尤其是在航空物探、微動探測、廣域頻電磁法、音頻大地電磁法、瞬變電磁以及井中物探方法，這些技術在探測斷層和裂縫條件、確定基巖起伏界面和覆蓋層厚度、探測巖溶和采空區(qū)、監(jiān)測水文地質特征以及評價邊坡穩(wěn)定性等發(fā)揮越來越重要的作用，為探清復雜地形地質條件下帶狀交通工程地質條件提供技術支撐。

由于山區(qū)特殊的地質及地理環(huán)境，地形崎嶇、高程落差巨大，地質構造十分復雜，針對山區(qū)帶狀交通工程勘察需要綜合考慮工程地質、水文地質、地震地質條件等，當前沒有任何一種單一勘察方法或簡單的布設一條測線或小數(shù)據(jù)體能夠掌握地質演變規(guī)律、解決所有工程地質問題，針對山區(qū)的物探技術及勘察思維還處在探索積累階段，還沒有形成相關的標準規(guī)范和思維范式，特別是針對高起伏地形條件下不同基礎形式所穿越的采空區(qū)、高地溫地熱、斷層破碎帶以及巖溶發(fā)育區(qū)的物探模式，對地下特殊地質體的分布狀況與形成機制不明，相關物探技術和經(jīng)驗需要結合實際工程進一步完善，物探數(shù)據(jù)的分辨率、信噪比和保真度仍不能令人滿意，還有一些重要方法有待進一步攻關。

山區(qū)地下巖土、水文地質、地震地質千變?nèi)f化，存在許多不確定性，難以用確定的公式或者規(guī)則來表示，應對許多不確定性要利用更多的數(shù)據(jù)和信息來消除。隨著大數(shù)據(jù)、5G、云計算、人工智能、萬物互聯(lián)等數(shù)字技術的高速發(fā)展，以及航天衛(wèi)星、無人機、機器人等快速移動平臺，工程物探具備了構建大數(shù)據(jù)的條件，通過地面或空中平臺搭載先進測量儀器，可以因時因地動態(tài)測量地下地球物理場數(shù)據(jù)，極易構成海量數(shù)據(jù)?？辈齑髷?shù)據(jù)時代已經(jīng)來臨，在勘察過程中，宜采用一種全新的工作思維和方法，即運用大數(shù)據(jù)思維，減少主觀假設，用大數(shù)據(jù)的關聯(lián)性替代因果關系，從大數(shù)據(jù)出發(fā)得到地下地質的準確規(guī)律和性質。

本文以崎嶇山嶺DGT深埋長隧道勘察、DJ特大橋跨越山地多層采空區(qū)和BFSH深埋特長隧道穿越地熱發(fā)育區(qū)為研究對象，運用大數(shù)據(jù)思維，詳細分析電法與電磁法、地震法、重力、磁法和放射性等物探方法，分析現(xiàn)有物探技術在山區(qū)起伏地表和復雜地質情況下存在的問題及適宜性，針對這些問題結合工程特點，對航空物探、地面物探以及井中物探等新技術進行了攻關試驗，探索出了“空天地”+“工可-初勘-詳勘”多場源一體化協(xié)同滾動勘察模式，綜合利用遙感、地質、鉆探、試驗等勘察手段，構建形成了數(shù)據(jù)量大、屬性要素全面、動態(tài)的勘察大數(shù)據(jù)。

通過這幾個案例的研究，證明了運用大數(shù)據(jù)思維可以規(guī)避重大不良地質風險，采用綜合技術可以提高地質參數(shù)的準確度，可以準確識別斷裂帶、采空區(qū)分布、地熱性質、圍巖質量和巖土分界面等，為優(yōu)化線路和鉆探選位打下良好的基礎。文章內(nèi)容是筆者近幾年對參與山區(qū)一些帶狀交通工程勘察實踐的經(jīng)驗總結，希望為以后山區(qū)重大交通工程勘察設計提供參考。

1 山區(qū)工程物探關鍵技術

現(xiàn)階段，傳統(tǒng)的有效方法有高密度電法和音頻大地電磁法、重力和磁法、淺層地震方法和放射性測量法；較新的一些技術主要有航空物探、廣域電磁法、微動技術和綜合物探測井技術。

1.1 電法和電磁法

電法主要用來測量地下土壤或巖石的電阻率(或電導率)的變化。如果地表起伏較小，常常用1～2m的小極距高密度電法探測50m以淺的巖溶和空洞，也通常用來探測隧道洞口地下條件的橫向和垂直變化，并用于繪制地質結構、裂縫、地層和基巖深度等地質變化圖。

由于電磁法施工便利、受起伏地表影響較小，獲得普遍使用，該方法無須使用與大地接觸的電極，且能更快提供與電阻率法大致相當?shù)男Ч?。因音頻大地電磁法采用天然場源，設備體積小、質量輕，利用導航定位系統(tǒng)，不需要硬連線可實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步與記錄，探測深度能達到800m，目前可滿足大部分復雜地形地質條件下的交通工程勘探要求。在電磁干擾大的區(qū)域，常用CSAMT可控源電磁法，廣域頻電磁系統(tǒng)的出現(xiàn)，是為了進一步提高勘探深度和精度，該技術繼承了CSAMT 使用人工場源克服場源隨機性的優(yōu)點，采用較短的收發(fā)距進行測量，可向地下發(fā)送不同頻率(范圍為0.011 7～8 192Hz)的交變電流，達到探測不同埋深地質目標體的頻率域電磁測深方法，最大探測深度可達5 000m。廣域頻電磁因其頻帶寬、信噪比高、探測深度大等優(yōu)勢，是山區(qū)勘察重要攻關開發(fā)的技術。

為了克服山區(qū)高陡地形、危險或污染的勘查作業(yè)區(qū)等難題，提高勘探效率，在地面勘探難以接近的地方，近幾年來，航空電磁法得到實踐應用。所以從安全、效率以及采樣密集度考慮，航空電磁法比地面方法有更大的應用優(yōu)勢。為了提高航空電磁的信號強度和勘探深度，當前山區(qū)勘探采用地面與空中結合的半航空電磁探測方式，即地面發(fā)射、空中接收的工作方式，并開展了與系統(tǒng)相關的建模及反演解釋方法。

地質雷達(GPR)具有極高分辨率和快速的數(shù)據(jù)采集方式。一般而言，在地表干燥且無黏土層或其他導電物質的條件下，GPR探測深度達到幾十米，大多情況GPR是探測5m以淺地層精細結構的首選方法。在高寒山區(qū)青藏公路、寧張公路等工程地質勘察中，劉瀾波等利用GPR查明了路面下多年凍土分布情況，探明了多年凍土與季節(jié)凍土的分布范圍。

1.2 地震法

淺層地震法的勘探深度約數(shù)百米，該方法準確性好，具有很強的穿透性，其對巖石力學性質響應特征十分明顯，常常用來計算泊松比、楊氏模量、體變模量和剪切模量。

在山區(qū)，反射波法很少用于地面勘察，主要是受采集效率低且成本較高的限制。但在隧道超前地質預報中，反射波法是主要技術，利用地震波的反射特性，可以獲取巖石的完整性參數(shù)，探測200m以內(nèi)的圍巖性質，既適用于極軟巖也可適用于極硬巖，常常結合地質雷達來實現(xiàn)隧道的長短距離精細地質預報。

地震微動技術是多種較新開發(fā)的方法之一。在許多地形平坦且開闊區(qū)的工程地質勘探方面，微動技術被認為是勘探地下幾米到幾百米甚至幾千米地質構造的精選方法。因其綠色環(huán)保、野外工作簡便快捷、不受各種電磁波干擾及施工場地限制、抗干擾能力強等特點，主要用于滑坡、采空區(qū)、場地穩(wěn)定性等方面的勘察。山區(qū)微動技術是否受地形條件、微動信號強弱的影響，是本次要重點開發(fā)的技術之一。

1.3 重力、磁法和放射性測量法

重力、磁法和放射性測量法在工程地質勘察前期應用比較少，常作為輔助方法，重力、磁法主要用來驗證地質構造變化、斷層、采空區(qū)或某些類型的火成巖，而放射性測量法主要用于隧洞內(nèi)評估巖體放射性輻射強度。

得益于導航定位技術，航空重力和航空磁法精度得到大幅提升，在叢林區(qū)或地形起伏很大的地區(qū)，這兩種方法在工程建設中應用越來越廣范。特別是磁法，主要被用來圈定斷裂帶、破碎帶，還用磁法作為地熱普查的一種輔助手段，用來確定地熱系統(tǒng)的區(qū)域地質構造、基底起伏和尋找隱伏巖體，還可計算與地熱有直接關系的居里溫度等深面，甚至在小范圍內(nèi)圈定熱水蝕變帶等。

1.4 井中物探技術

幾乎所有地面物探方法都可應用于井中。因井中物探測量的質量、可靠性和分辨率高，是規(guī)劃和進行巖土工程勘察常用的技術。常用的井中技術有電纜測井、隨鉆測量和測井。在山區(qū)深埋特長隧道勘察中，電纜測井方法占主導地位，主要包括電測井、聲波速度測井、井眼成像測井、放射性測井和井溫、井徑、井斜測量等。電法、地震和電磁法層析成像技術就是在井孔中實現(xiàn)的，普遍應用于溶洞、地下水、地熱探測中等。

2 存在的問題與應對措施

如何提高山區(qū)交通工程物探技術的精度和效率，降低物探技術的多解性，探清不良地質和特殊巖土問題是設計師和工程師關注的焦點。

由于山區(qū)近地表勘探目標地質體埋深淺、異常體小、巖土體的不連續(xù)性、多相性和變異性以及多具有形態(tài)復雜的特點，導致在巖土物性方面表現(xiàn)出非均質強、各向異性明顯、時空變異性突出等特征，解決這些問題，需要發(fā)展受地形影響小、高靈敏度、小型便攜、更靈活施工的物探儀器裝備和配套處理解釋技術。

物探技術是間接獲得地層巖土性質參數(shù)的方法，在本質上是一門觀測的科學，它必須采集大量的信息。目前，還沒有一種單一的方法能夠解決所有問題。例如，地震方法對地層的構造信息以及淺地表巖土的力學性質反應明顯，電阻率類(電法、電磁法)的方法對流體性質敏感。

山區(qū)地下介質常常是非連續(xù)的，或者說地層是跳躍性變化的；其次，物探方法中有很多不能夠解決的困難問題(不可能糾正非均質覆蓋層的扭曲)，這些問題歸根結底是沒有充分的數(shù)據(jù)。在工程地質勘察方面，獲得這些信息的技術手段是不完備的，總有百分之幾或更高的概率事件發(fā)生。

在應用過程中，筆者充分分析了這些物探方法的局限性。例如，巖土性質與地球物理響應曲線重疊問題，巖性在不同的環(huán)境狀態(tài)下物性響應特征不一樣，每種介質的物性變化范圍可能很大，導致物性與巖性的對應并非是唯一映射的。采用電法探測時，如圖1所示，組份相同的巖石由于結構及含水情況的不同電阻率在很大的范圍內(nèi)變化，組份不同的巖石可能出現(xiàn)相同的電阻率，因此，砂巖的電阻率通常取決于其孔隙空間的幾何形狀及其所含流體的電阻率(或鹽度)。當?shù)貙恿黧w沒有變化時，隨著滲透率和孔隙度降低，電阻率通常會增加。電阻率還取決于巖石或沉積物的年齡，因為隨著年齡的增長，它們會被壓實或風化。與黏土、砂子、礫石等松散沉積物相比，壓實巖石顯示出非常高的電阻率，因為其中的流體較少。當風化巖石中有水存在時，它表現(xiàn)出低電阻率。干燥的巖石或沉積物具有非常高的電阻率(1 000～100 000Ω·m)，而含水的巖石或飽和的沉積物的電阻率變得低得多(10～1 000Ω·m)。此外，許多物探技術能夠應用是建立在一些假設條件之上的，如大地電磁測深法是假設地層為均勻層狀介質，這在一定范圍內(nèi)是適用的，同時由于地表觀測極距遠小于電磁波傳播路徑和波長，電磁波可以看作垂直入射的均勻平面波，在均勻介質情況下，波阻抗是兩個正交電場分量和磁場的水平分量的比值。在眾多物探方法中，地震反射法的精度是很高的，但在討論反射波成像時，實際上也是做了一系列假設：如覆蓋介質是均勻的、界面是平面、激發(fā)點和接收點都在同一平面上等。因此，在山區(qū)復雜地形和地質構造下，把地層看作均勻層狀介質的假設并不完全成立，顯然，斷層、褶皺、巖溶等地質體都具有明顯的三維特征且形態(tài)多變，最終獲得的物探成果是“不精準的”。

圖1 常見巖土的電阻率及其變化范圍Fig.1 Resistivity of common rock and soil and its variation range

盡管有各種近似，物探技術在一定的尺度范圍內(nèi)，取得了極大成功。取得好效果的一方面前提條件是被探測對象與周圍介質應存在一定的物性差異，并應具有一定的規(guī)模，各種干擾不影響有效信號的識別，另一方面是通過采集到海量的物探數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)處理和解釋水平，獲得寬頻帶、寬方位和高密度的地下信息。

相比能源或礦產(chǎn)物探技術，山區(qū)工程物探發(fā)展相對薄弱，當前還沒有形成配套的技術體系，處于邊建設邊探索邊完善時期，主要以傳統(tǒng)的地面方法為主，航空物探還處在研發(fā)完善之中。山區(qū)物探裝備的分辨率、探測深度、小型化、高靈敏度和自動化需要繼續(xù)提高。傳統(tǒng)采用有線儀器難以在地表條件復雜區(qū)開展，有線儀器布設難度大，影響采集效率。

在數(shù)據(jù)采集上，主要以二維觀測系統(tǒng)為主，觀測點稀疏，導致采集的數(shù)據(jù)信息量極少，不足以刻畫地下復雜構造的三維空間展布；多數(shù)時候，仍然采用單一的地球物理方法，存在多解性和不確定性。目前，“寬頻帶、高密度、多物理場”的數(shù)據(jù)采集技術已經(jīng)成為主流，盡管離真正的三維數(shù)據(jù)采集還需要在采集理論和硬件技術方面做艱苦的努力。譬如隨機采樣理論、高效采集理論、獨立的數(shù)字檢波器等方面有了明顯的技術進步。

在數(shù)據(jù)處理方面，處理流程比較粗放，處理參數(shù)的針對性不強，處理方法單一，信噪分離技術有待進一步提高，成果數(shù)據(jù)噪聲干擾嚴重，信噪比和分辨率較低，地形校正不準確等給解釋帶來很大的困難，此外，現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理能力不足導致現(xiàn)場采集質量評估滯后。

大部分復雜地形地質條件下物探成果屬于定性解釋，主要是針對突出數(shù)據(jù)中目的層的特征，很少采用定量解釋技術，數(shù)據(jù)的動力學特征處于未開發(fā)狀態(tài)，重磁電震和鉆井數(shù)據(jù)聯(lián)合反演的算法還處在開發(fā)之中，在解釋的過程中，地質、鉆探、物探、試驗以及各類工程師的合作還需要進一步加強，各勘察階段的數(shù)據(jù)結合不夠緊密。

針對以上問題分析，筆者認識到地下巖土和地下水復雜多變，有些是短暫影響，有些隨季節(jié)變化(凍融狀態(tài)、豐枯水期)，存在極大的不確定性，難以準確預測，需要構建大數(shù)據(jù)來提高預測的精度和準確度。顯然，隨著數(shù)字技術的高速發(fā)展，勘察儀器裝備數(shù)字化程度越來越高，特別是物探和測量儀器，已全部是數(shù)字儀器，為構建復雜交通工程勘察大數(shù)據(jù)提供了條件，勘察數(shù)據(jù)體擁有明顯的大數(shù)據(jù)特征，即勘察數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)量大、實時性和較低價值密度的特點。此外，從物探技術本身特點出發(fā)，大部分物探技術是非精確的，需要從海量的數(shù)據(jù)找出地下地質規(guī)律，發(fā)現(xiàn)它們之間的強相關性，因此，在勘察大數(shù)據(jù)時代，需要轉變工作思維方法，在勘察過程中，運用數(shù)據(jù)思維，盡可能采集全面而完整的數(shù)據(jù)，寧愿放棄數(shù)據(jù)的精確性，也要盡可能收集到多的勘察數(shù)據(jù)并基于歸納得到的關聯(lián)關系。

基于此，針對山區(qū)帶狀交通工程勘察特點，筆者給出的對策措施是從信息論的角度出發(fā)，用數(shù)據(jù)思維指導工作，因地制宜，結合不同勘察階段的任務和目標，建立“空天地”+“工可-初勘-詳勘”一體化協(xié)同勘測模式，循序漸進開展勘察。

危險區(qū)、懸崖陡壁處以無人機航空物探方法為主；地形起伏較小的地面上采用“節(jié)點+有線”方法，減少對硬連接的依賴；在工程地質相對簡單、噪聲干擾小的環(huán)境下，充分利用“被動源”的優(yōu)勢，反之用“主動源”來提高信噪比和抗干擾能力；為了降低單一方法的多解性，開展多物理場(電性、彈性、放射性)組合探測，盡可能加密觀測點，采用寬頻帶激發(fā)和接收，有條件開展三維采集，充分利用鉆孔開展孔中物探，增加測量的信息等，從根本上提升數(shù)據(jù)的完備性、多維度和規(guī)模；面對一些流體檢測、巖體形變、巖溶處置效果評價等，當工程地質環(huán)境和氣候條件復雜多變的情況下，工程勘察結果并不是一成不變的，具有隨時間變化的特性，當時勘察的數(shù)據(jù)僅代表的是當時的狀態(tài)，應通過不同勘察階段的內(nèi)容，分析差異信息來評估其動態(tài)變化特征。

3 應用實例分析

為了達到勘探目標所選用的物探方法，均由不同勘察階段的任務以及工程的基礎形式所決定。多數(shù)情況下，多種物探方法同時應用往往產(chǎn)生更好的效果。

3.1 崎嶇山嶺DGT深埋長隧道穿越斷裂發(fā)育帶勘察

DGT深埋長隧道設計為分離式隧道，總長 約5.6km，最大埋深 306m。隧址區(qū)生態(tài)環(huán)境敏感，地貌單元屬構造、剝蝕丘陵地貌和巖溶峰林谷地地貌，以構造、剝蝕作用為主，在長期的剝蝕切割作用下，形成了山坡陡峻、沖溝發(fā)育的地貌形態(tài)(見圖2)，巖性較為復雜，表層松散、碎石及基巖出露地段較多，巖層以灰頁、砂巖和泥巖為主。

圖2 DGT隧址區(qū)山體實景Fig.2 Mountain scene for the location of DGT tunnel

在勘察初期，受陡峭地形和茂密植被的影響，地面難以開展高分辨率勘探，局部甚至無地質資料，全線精度偏低，僅在勘探裝備可以接近隧道軸線附近區(qū)域采集了50m大點距二維音頻大地電磁(見圖3)和在洞口段應用高密度電法，基本查明了斷層破碎帶，結合地質調(diào)繪和鉆探揭示，判斷初設線位緊鄰斷裂帶及部分區(qū)域有灰?guī)r分布，隧道存在極大的不穩(wěn)定和巖溶發(fā)育風險，“突泥涌水”的問題比較突出。

圖3 地面大地電磁電阻率剖面Fig.3 Profile of electromagnetic resistivity

為了進一步降低地質風險，特別是落實斷裂帶以及與線位的關系，采用了航空磁法探測技術(見圖4)，進一步探清了斷裂發(fā)育帶以及巖性異常變換的位置，為編制隧道施工圖設計文件提供科學依據(jù)。根據(jù)綜合勘探結果，最終優(yōu)化了DGT隧道線路方案(見圖5)，較好避開了斷裂帶和巖溶發(fā)育區(qū)，設計隧道處于斷層下盤，經(jīng)鉆探揭示的地層為砂巖和泥巖，巖溶風險低、富水性弱，隧道的穩(wěn)定性比初勘更好。

圖4 航空磁法磁異常顯示Fig.4 Profile of airborne magnetic

圖5 優(yōu)化后線位與斷裂帶的位置關系Fig.5 Relative location between the optimized line location and fault

3.2 BFSH地熱發(fā)育區(qū)深埋特長隧道勘察

擬建BFSH隧道地處云南省境內(nèi)的青藏高原東南緣，地形劇烈起伏，高差較大，隧道全長12 192m，最大埋深 1 290.400m。隧址區(qū)以古生界崇山群變質巖為主，沿斷裂帶有侵入巖、噴出巖等火成巖分布，附近深大活動斷裂帶附近有多處地熱異常顯示，溫泉眾多，水熱活動強烈，熱害問題突出。目前在隧道周邊已發(fā)現(xiàn)多個溫泉出露點，最高溫度91℃，對隧道建設影響較大。

為了圈定潛在地熱異常分布范圍，查明斷裂構造或破碎帶的空間展布及其控水控熱規(guī)律，圈定隱伏火成巖體及其蝕變帶，確定基底起伏及隱伏斷裂的空間展布以及確定線路軸線區(qū)的地層結構、地下水的可能富集帶等目標，筆者運用大數(shù)據(jù)思維，以S6高溫泉(見圖6)開展先導性試驗，對照我國NB/T1026—2019《地熱物探技術規(guī)范》，筆者在地面上分別測試了廣域頻電磁法、音頻大地電磁、地面磁法、測氡、地震微動、瞬變電磁和高密度電法，具體如圖7所示的淺中深兼顧的地熱物探方法，結合工可勘探資料，經(jīng)過反復對比試驗，最終優(yōu)選出“廣域電磁+磁法+微動”的組合方法，并推廣至BFSH隧道全線。

圖6 S6高溫泉處先導性試驗區(qū)物探測線示意Fig.6 The pilot test area at S6 high hot spring

圖7 淺中深兼顧的地熱物探方法Fig.7 Comprehensive geophysical exploration method

根據(jù)BFSH隧道工程地質，并結合S6試驗結果，最終確定了“天地井”一體化協(xié)同探測方案(見表1)，即“遙感地熱調(diào)查+地面綜合物探+綜合測井”組合的勘察方法，聯(lián)合工可勘察數(shù)據(jù)，構建BFSH隧道地熱勘察大數(shù)據(jù)體。

表1 BFSH隧道“空天地”一體化探測技術Table 1 Integrated detection technology in BFSH tunnel

1)遙感地熱調(diào)查

為查明地表熱顯、控熱斷裂及干熱巖地熱問題，通過收集基于地理空間數(shù)據(jù)云平臺，整理線路及其周邊范圍的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采用地表溫度反演算法，并通過遙感熱紅外影像自動提取地表溫度、以及基于PSInSAR監(jiān)測地面變形、沉降來勘察地熱水資源預測區(qū)域內(nèi)地表溫度整體變化情況。

通過分析，隧址區(qū)內(nèi)地表溫度極高、高溫異常以零星狀分布，推測主要由熱水出漏形成零星的、小的高溫區(qū)，未發(fā)現(xiàn)有大面積成片地熱異常區(qū)出露(見圖8)，推測地下淺埋區(qū)內(nèi)存在干熱巖的可能性較小。

圖8 遙感地熱調(diào)查成果Fig.8 Remote sensing survey results map

2)地面綜合物探

在地面上，采用綜合物探手段，加上工可的音頻大地電磁法資料，構建了數(shù)據(jù)量大、種類多、動態(tài)的勘察大數(shù)據(jù)。

首先利用高精度磁法和廣域頻電磁沿BFSH隧道左洞全線貫通，由廣域頻電磁剖面可以看出，剖面左邊電阻率較高，右邊電阻率相對較低，在4 200～4 800m范圍內(nèi)的磁場值相對較高，推斷該高磁異常為侵入的巖漿巖脈；剖面中部位于山中，磁場值較為平滑，而且場值不高，說明該范圍內(nèi)地層中鐵磁性礦物含量降低，地層巖性變化不大，或者磁性巖體埋藏較深。初步策劃在里程3 900.000m附件布置一口探井ZK01，考慮到電磁法的多解性，在鉆孔之前，為了提高鉆孔的成功率，進一步確定斷裂構造的位置，于是筆者在ZK01處做了800m長的大深度微動，從微動速度剖面可以看出，該處縱向速度和橫向速度變化都較大，推斷地層破碎，構造復雜，隧道洞身附近巖體比較完整。經(jīng)反復對比分析，確定把ZK01往左移動了200m，命名為DRZK-1，讓鉆孔正好落在斷裂上。

3)綜合測井

本次綜合測井主要包括井溫、井斜、自然電位、自然伽瑪和縱波。從井溫曲線看出，隧道洞身的630～710m范圍內(nèi)，溫度在19℃左右，溫度偏低，判斷出現(xiàn)熱異常的可能性小，推斷有地下水活動；從聲波曲線可知，隧道洞身平均速度3 500m/s 左右，最小值2 422m/s，最大值5 096m/s，說明洞身圍巖質量一般，裂隙發(fā)育，巖石完整性較差；測試的自然伽瑪值在20γ左右(1cps=0.077γ)，根據(jù)TB10027—2012《鐵路工程不良地質勘察規(guī)程》的規(guī)定，放射性分區(qū)根據(jù)年有效劑量當量He劃分為非限制區(qū)(He<5mSv，對應低于97γ)，小于97γ，屬于非限制區(qū)。

總體上，本次綜合測井曲線與鉆探揭示相一致，反映隧道洞身巖體相對破碎，推斷為斷層破碎帶，地下水豐富，巖質軟弱。

4)綜合解釋

通過“空天地”一體化探測，推斷F12斷裂是隧址區(qū)的深大斷裂，斷裂構造一直延伸至剖面底部，且F12斷裂往北一直延伸至隧址線路，規(guī)模較大，是本區(qū)的控熱構造。由于F12斷裂附近出露溫泉的水溫較高，其對隧道而言為熱害，但隧道在標高1 600.000m附近，該位置處電阻率相對較高，推斷該位置處水量可能不大，而且靠近侵入巖巖脈，該巖脈磁場值較高，推測附近溫度應該不高，故F12斷裂產(chǎn)生的熱害對隧道影響相對較弱。

從物探的成果初步得出該隧址區(qū)地熱是斷裂控制的帶狀型，以大地熱源為主，蓋層是弱透水低熱導的變質巖，具有保溫隔水的性質，存在良好的儲水構造，以地下水為主，大氣降水和地表水為輔的補給水源，熱水通過斷裂、裂隙以泉的排泄方式出露地表。

從DRZK-1鉆遇的地層、地下水等與本次物探數(shù)據(jù)推斷結果高度吻合，證明了在山區(qū)帶狀交通工程勘察設計中，運用數(shù)據(jù)思維，構建勘察大數(shù)據(jù)是解決復雜問題行之有效的方法，相關成果為分析該區(qū)的地熱形成機理和分布情況提供數(shù)據(jù)支持。如需要進一步落實儲水構造和地熱形成原因，建議在低阻異常區(qū)開展高精度地震物探和大深度地熱鉆孔。

4 結論與建議

山區(qū)帶狀交通工程建設，地質風險高，要實現(xiàn)復雜工程地質條件下的巖土精細刻畫目標應基于勘察大數(shù)據(jù)，運用大數(shù)據(jù)思維來指導提高勘察質量，采用綜合技術手段提高勘察準確性，提高確定性，避免重大不良地質的誤判漏判。首先大量的規(guī)模化的、多維度的、動態(tài)的數(shù)據(jù)采集是前提，信息融合和精細數(shù)據(jù)處理挖掘是關鍵，各勘察階段數(shù)據(jù)綜合解釋是根本保障。

1)“電磁法+地震法”是山區(qū)工程物探較好的方法組合。在1 000m以淺深度范圍內(nèi)，應用音頻大地電磁法；更深地層，采用廣域頻電磁法；在異常區(qū)或干擾區(qū)，采用地震微動技術；因地因時增加磁法、重力、放射性等輔助方法，實現(xiàn)多場源要素采樣，防止片面依賴單一方法決策或因信息不足難以決策等情況發(fā)生。

2)采用無人機采集是山區(qū)帶狀交通工程物探的發(fā)展方向，是構建勘察大數(shù)據(jù)的重要技術手段，有利于提高數(shù)據(jù)的時空分辨率。

3)建議建立大數(shù)據(jù)的完備性思維。在山區(qū)帶狀交通工程物探過程中，宜盡可能采集足量的物探數(shù)據(jù)，加密采樣點，提高數(shù)據(jù)的完備性，提高數(shù)據(jù)的分辨率和信噪比，盡可能采集三維數(shù)據(jù)，從大量的數(shù)據(jù)中統(tǒng)計出規(guī)律來。

4)建議建立大數(shù)據(jù)的關聯(lián)思維。物探技術不是“精確”的技術，除了需要盡可能采集到各物探方法對應的物理場數(shù)據(jù)外，還需要綜合巖心數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)、區(qū)域地質數(shù)據(jù)等幾個維度，構建多維度的大數(shù)據(jù)體，建立基于歸納得到的關聯(lián)關系，找到幾個維度的強相關性。

5)建議建立大數(shù)據(jù)的動態(tài)思維。工程勘察數(shù)據(jù)具有時效性，工程與地質相互作用是動態(tài)的過程，應結合不同勘察階段動態(tài)勘探。