作者簡介：龍 斌（1990—），研究方向：工程物探、基于探地雷達的道路病害無損檢測技術(shù)。

摘要：近年來深埋隧道施工屢有發(fā)生突水、涌泥、坍塌，甚至發(fā)生人身安全事故，查明深埋隧道中存在的隱伏巖溶、斷層、暗河等復(fù)雜工程地質(zhì)問題尤為重要。文章以云南臨清線小寨山隧道為例，介紹了EH4連續(xù)電導(dǎo)率儀在深埋隧道的工作原理及方法，并通過對左右幅探測結(jié)果與施工階段開挖資料對比，得出EH4連續(xù)電導(dǎo)率儀探測結(jié)果與隧道開挖揭露地質(zhì)情況十分吻合。EH4連續(xù)電導(dǎo)率儀的應(yīng)用，不僅查清了該段隧道巖溶、斷裂等發(fā)育情況，還查清了隧道的隱伏構(gòu)造，為隧道的安全施工提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：巖溶；斷層；EH4連續(xù)電導(dǎo)率儀；深埋隧道

中圖分類號：U452.1⁺7

0 引言

隧道施工作為道路工程、水利水電工程等基建工程中最關(guān)鍵、風(fēng)險最高的一部分，經(jīng)常會遇到各種復(fù)雜的、影響施工安全的地質(zhì)問題，因此，前期查明隧道所處位置存在的巖溶、隱伏構(gòu)造等不良地質(zhì)的性質(zhì)、規(guī)模、特征等尤為關(guān)鍵，可為隧道設(shè)計和安全施工提供可靠的技術(shù)參數(shù)支持。

隧道的不良地質(zhì)探測常用的物探方法有高密度電法、地震勘探法和音頻大地電磁法。根據(jù)勘探目的和深度的不同，每種方法又有各自的優(yōu)缺點。

高密度電法原理跟常規(guī)電阻率法相同，其通過研究巖、土導(dǎo)電性的差異來對地層進行分層，計算巖土體的深度和厚度，查明地下不良地質(zhì)或構(gòu)造，如巖溶、裂隙等^[1]。其優(yōu)點是成本低、效率高，儀器使用方便，對淺部巖土體的分層和不良地質(zhì)探測精度較高；缺點是探測深度有限，受場地和儀器影響，不適用于深埋隧道的普查工作，受地形起伏影響較大，受體積效應(yīng)影響，成果解釋只能定性，很難定量。

地震勘探法是利用地下介質(zhì)的彈性和密度差異探測地質(zhì)構(gòu)造或測定巖土物理力學(xué)參數(shù)、進行物性分層、尋找構(gòu)造帶的一種較成熟的地球物理勘察方法^[2]。其優(yōu)點在于對淺層有較好的分層效果，可推斷破碎帶、構(gòu)造的產(chǎn)狀和規(guī)模，能夠較為準確地提供圍巖參考波速^[3]；缺點是在對深埋隧道進行探測時成本高、效率低、受地形影響大。

與以上兩種常規(guī)物探方法相比，基于麥克斯韋方程組完整統(tǒng)一的電磁場理論發(fā)展的EH4連續(xù)電導(dǎo)率儀的優(yōu)點有^[4-5]：（1）設(shè)備輕便，對地形條件較差的地區(qū)操作方便，而且工作效率高，探測1 000 m左右深度平均15 min以內(nèi)完成；（2）儀器實時顯示時間序列和功率譜圖像，便于有經(jīng)驗的人現(xiàn)場分析數(shù)據(jù)質(zhì)量以及初步判斷異常分布形態(tài)；（3）儀器成熟穩(wěn)定，在工程勘察、水文勘察、礦產(chǎn)調(diào)查等方面具有廣泛應(yīng)用基礎(chǔ)，認可度較高；（4）能同時接收X、Y兩個方向的電場與磁場，反演X-Y電導(dǎo)率張量成像剖面，對判斷二維構(gòu)造效果顯著。基于以上優(yōu)點，EH4連續(xù)電導(dǎo)率儀在對西南地區(qū)高速公路隧道中的斷層、巖溶等不良地質(zhì)勘察具有較好的應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 方法原理

EH4連續(xù)電導(dǎo)率儀的工作原理與傳統(tǒng)MT法一樣，是利用宇宙中的太陽風(fēng)、雷電等入射到地球上的天然電磁場信號和人文活動產(chǎn)生的電磁場信號作為激發(fā)場源，當天然交變電磁場入射地球，在地下以波的形式傳播時，地面電磁場的觀測值由于電磁感應(yīng)的作用，會包含地下介質(zhì)的電阻率分布信息。而由于不同頻率的電磁場信號具有不同穿透深度，因此大地電磁測深通過研究地表采集的電磁數(shù)據(jù)能夠反演出地下不同深度介質(zhì)電阻率分布的信息^[6]。

EH4連續(xù)電導(dǎo)率儀在野外是通過單點連續(xù)觀測的形式獲取信號。首先將電道（E_X，E_y）和磁道（H_X，H_y）連接到前置放大器（AFE），再由控制電纜連接主機，通過主機表面阻抗可以快速以視電阻率的形式實時顯示出來，這種靈活便捷的顯示方式，可以讓探測人員根據(jù)顯示結(jié)果的初步分析和現(xiàn)場情況，及時調(diào)整測量設(shè)計。

由于EH4連續(xù)電導(dǎo)率儀在野外工作時受到外界干擾較大，因此測量過程中應(yīng)注意以下事項^[7]：

（1）儀器應(yīng)當盡量避開干擾源如房屋、電線、水流、鐵路等，若不能避免的情況下，也應(yīng)盡量遠離，減小干擾源對電磁場的影響，最終影響真實的地下地質(zhì)信息。

（2）前置放大器和磁探頭盡量保持水平，且磁探頭與電極盡量保證垂直，誤差不能超過±2°。

（3）當出現(xiàn)地形較陡、高差較大時，磁探頭應(yīng)埋入土中。

（4）接地電極盡量插在原生土層，以減小接地電阻，所有電纜線盡可能貼地，避免因環(huán)境因素影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。如圖1所示。

在數(shù)據(jù)處理時，盡可能在保證原有數(shù)據(jù)信息不被消除的前提下，去除干擾。根據(jù)測點信息所顯示的測點相位、阻抗、相干度頻譜圖、野外工作記錄以及工作人員自身的經(jīng)驗，將測點中因受到干擾而畸變的點進行刪除，并多次成圖比較，再結(jié)合前期調(diào)繪、鉆孔等地質(zhì)資料綜合分析，形成最后的物探成果解譯圖。

2 測區(qū)概況

測區(qū)海拔高程為940～1 514 m，相對高差574 m，屬深切割高中山地貌區(qū)，地形起伏大，地形坡度為10°～35°。測區(qū)位于勐簡鄉(xiāng)大寨村，交通條件差。擬建的路線里程左線ZK82+860～ZK85+984段、右線K82+899～K86+000段，設(shè)計以隧道通過（小寨山隧道）。地表植被發(fā)育，洞身段多以樹林為主。

區(qū)域地質(zhì)資料及地質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明：隧址區(qū)斷裂較為發(fā)育，主要斷裂F2為逆斷層，全長約110 km，傾向140°～150°，傾角25°～40°，傾角局部變陡，達到60°～80°，破碎帶寬均在20～30 m，局部達50～100 m，普遍見到斷層角礫巖、糜棱巖和派生小褶曲存在。而且該段存在富水、巖溶等不良地質(zhì)，地表巖溶主要表現(xiàn)為溶槽、石牙、溶蝕小孔和巖溶洼地等。

另外，隧址區(qū)于K83+460附近發(fā)育小型斷裂（F1），該斷裂地表跡象不甚明顯，破碎帶一般＜10 m，屬非全新世活動斷裂，與路線呈大角度相交。

3 測區(qū)地球物理特征

測區(qū)范圍內(nèi)主要地層為第四系（Q^el+dl）粉質(zhì)黏土、斷層角礫巖，三疊系中統(tǒng)河灣街組（T₂m）白云巖、灰?guī)r，古生代（Pz）片巖、二疊系下統(tǒng)草壩山頭組與大名山組（P₁c+dm）并層白云巖，其主要巖性見表1。根據(jù)測區(qū)野外巖土體主要物理量測量結(jié)果，測區(qū)主要巖土層的地球物理參數(shù)見表2。

4 EH4測量及解譯

4.1 工作部署及數(shù)據(jù)處理

為了查清小寨山隧道進口端不良地質(zhì)，根據(jù)勘察要求，并結(jié)合現(xiàn)場地形情況，沿小寨山隧道左幅軸線ZK83+150～ZK84+000段（右幅K83+150～K84+000段）布置2條縱向平行測線，命名為L1、L2。測點間距20 m，電偶極矩20 m，實現(xiàn)首尾相連，完整覆蓋觀測。當遇地形陡峭、障礙物無法跨越時，根據(jù)實際情況適當改變極距大小。在重點關(guān)注位置（如斷層、富水區(qū)等）附近，測點間距改為10 m，信號分低、高、中3個頻段依次采集，疊加次數(shù)16次以上，并做好現(xiàn)場記錄。

對測線L1、L2所采集數(shù)據(jù)，用專業(yè)軟件對單個測點數(shù)據(jù)壞點逐一剔除，并根據(jù)相鄰測點數(shù)據(jù)對個別測點做靜態(tài)效應(yīng)壓制處理，然后帶地形進行反演輸出，再用Surfer軟件形成深度-視電阻率（對數(shù)）色度圖，成圖結(jié)果如圖2及后頁圖3所示。

4.2 成果解譯

綜合EH4對小寨山隧道進口端左右幅的探測成果，可以得出以下結(jié)論：

（1）隧道K83+150～K83+500段巖層視電阻率值在4～400 Ω·m，均值為150 Ω·m，推測該段主要為片巖段，巖體完整性較差，在K83+200～K83+320段可能富含水，隧道開挖時需加強防范；在隧道K83+500～K84+000段巖層視電阻率值普遍較高，在400～10 000 Ω·m，均值為2 000 Ω·m，推測該段為白云巖段，且在片巖與白云巖接觸位置（K83+500附近）存在斷層F1，斷層附近巖體破碎。

（2）在隧道K83+680～K84+000段深0～160 m處為一低阻異常，視電阻率＜400 Ω·m，形狀為“U”字形，根據(jù)地質(zhì)資料，0～45 m主要為表土層與第四系的反映，45～160 m推測為巖體破碎、裂隙發(fā)育區(qū)。

（3）在隧道K83+580～K83+620段、K83+680～K83+700段深230～290 m處（左幅異常，右幅未見該異常）、K83+830～K83+970段均出現(xiàn)低阻異常，視電阻率均值為400 Ω·m，推測為巖溶發(fā)育區(qū)，隧道開挖時需加強防范，謹防突水、涌泥等意外事故發(fā)生。

后經(jīng)施工階段揭露，從隧道K83+180段附近開始，圍巖完整性極差，開挖過程中時有掉塊和小規(guī)模坍塌，并伴有滲水等情況出現(xiàn)，開挖難度較大，開挖進度緩慢，一直到K83+500段圍巖才逐漸變好，與探測結(jié)果吻合較好。

5 結(jié)語

本文通過EH4對云南臨清線小寨山隧道左右幅探測結(jié)果對比，顯示在復(fù)雜地形、地質(zhì)條件下，探測結(jié)果具有很高的一致性，成功查明了隧道進口端富水、巖溶、斷層等不良地質(zhì)體的分布規(guī)模及位置，與隧址區(qū)內(nèi)實際地質(zhì)條件高度吻合，最大限度降低了后期隧道的開挖風(fēng)險。證明該方法對深埋隧道巖溶勘探實用性較強。與其他電磁法設(shè)備相比，EH4連續(xù)電導(dǎo)率儀具還有工作效率高、探測深度大、設(shè)備輕便等特點，在西南巖溶發(fā)育區(qū)工程勘察中具有廣泛的應(yīng)用場景。與此同時，由于其受電磁干擾大、淺部分辨率低等缺點，在實際工程勘察中需結(jié)合鉆探或其他物探方法進行綜合解譯，以獲得更符合地下真實場景的地質(zhì)信息。

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