綜合物探方法在隧道地質(zhì)工程勘查中的研究應(yīng)用

張標(biāo)東

摘 要：為查明隧道工程中可能存在的不良地質(zhì)情況，文章從應(yīng)用地球物理學(xué)領(lǐng)域以高密度電法、地震折射波法、地震反射波法、電測(cè)深法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用三種物探方法對(duì)某隧道地下地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)，結(jié)果表明，綜合三種物探方法在隧道地質(zhì)勘查過程中具有節(jié)約成本、省時(shí)、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：隧道勘查；綜合物探；地質(zhì)勘查

前言

近年來我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，地面交通需求越來越大，以公路和鐵路為主，路面交通線一般由路基、涵洞、隧道等工程建筑物組成。隧道是修建在地層中的地下工程，被廣泛用于國(guó)防、礦山、水利、市政、公路和鐵路等方面。我國(guó)地形地貌具有復(fù)雜性和多樣性，在隧道施工過程中，由于斷裂破碎帶的存在會(huì)帶來坍塌風(fēng)險(xiǎn)，含水性強(qiáng)的地層會(huì)在施工過程中帶來透水事故，從而嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和效率。地球物理方法具有成本低、精度高、連續(xù)性強(qiáng)、破壞性小等優(yōu)點(diǎn)，綜合利用不同的物探方法可以非常準(zhǔn)確地確定地下地質(zhì)情況，因此工程物探技術(shù)在隧道地質(zhì)勘察中表現(xiàn)出其優(yōu)越性。

1 常見隧道地質(zhì)災(zāi)害

1.1 圍巖變形破壞

圍巖變形破壞的表現(xiàn)形式包括：軟弱巖層、膨脹性巖土變形、位移，松散層塌落，堅(jiān)硬巖層巖爆等。

1.2 涌水、突水

涌水、漏水主要發(fā)育于節(jié)理裂縫密集帶、破碎帶，突水主要發(fā)生于巖溶、洞穴和含水層帶。

1.3 地面塌陷

主要由隧道內(nèi)長(zhǎng)期涌水和大量抽取地下水造成。

2 常用物探方法簡(jiǎn)介

地球物理勘探是以巖石的電性、磁性、放射性、力學(xué)性質(zhì)的差異為基礎(chǔ)，運(yùn)用不同的數(shù)學(xué)物理方法和物探儀器，探測(cè)地下地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)分布，并解決地下地質(zhì)問題的方法。解決不同的地質(zhì)問題，可選取不同的物探手段。而綜合利用不同的方法主要對(duì)解決某一地質(zhì)問題可以帶來更精確的解釋。

2.1 地震折射波法

彈性波發(fā)生折射遵循斯奈爾定律。地震折射波法是研究在速度分界面上滑行波引起的震動(dòng)，當(dāng)?shù)卣鸩ㄒ耘R界角入射時(shí)，射線在速度分界面發(fā)生全反射，從而引起上邊介質(zhì)的掛點(diǎn)震動(dòng)，并以某一角度返回地面，被地面檢波器接收。該方法可以進(jìn)行地層劃分，為圍巖分級(jí)提供速度資料，并判斷低速帶和斷層破碎帶。該方法勘探深度小，在斷層、破碎帶判定上有一定的局限性。

2.2 電測(cè)深法

電測(cè)深法是以地下巖石的電阻率差異為基礎(chǔ)，以一定的極距觀測(cè)不同深度巖層的視電阻率，通過研究地電斷面，用以分析地下地質(zhì)構(gòu)造或解決地質(zhì)問題。該方法可以用來劃分地層，并查找地下不良地質(zhì)現(xiàn)象，如巖溶、斷層或破碎帶。該方法不能進(jìn)行準(zhǔn)確定量解釋，受地形起伏影響大。

2.3 地震反射波法

地震反射波法是在離震源較近的若干觀測(cè)點(diǎn)上，測(cè)定地震波從震源到不同彈性的地層界面上反射回到地面的時(shí)間，測(cè)線不同位置上的法線反射時(shí)間的變化可以反映地下地層的構(gòu)造形態(tài)，從而達(dá)到劃分地質(zhì)層位、斷層、采空區(qū)和巖溶等地質(zhì)情況。但該方法勘探成本高，山地工作難度大，不能直接反映速度信息。

2.4 高密度電法

高密度電阻率是用高密度布點(diǎn)的原則，從二維地電斷面測(cè)量電阻率，并根據(jù)電阻率值的特征進(jìn)行地層的劃分、查找不良地質(zhì)體。但該方法受地形影響較大，不能做定量解釋，勘探深度有限。

2.5 電磁測(cè)深法

頻率域電磁測(cè)深法是以地殼中巖石和礦石的導(dǎo)電性與導(dǎo)磁性的差異為基礎(chǔ)，分析電磁波在地下不同介質(zhì)傳播過程中的地表表現(xiàn)的不同特征，從而了解地下介質(zhì)的電性變化情況，以推斷地下地質(zhì)情況。

電磁測(cè)深方法包括大地電磁測(cè)深（MT）、音頻大地電磁測(cè)深（AMT）、可控源音頻大地電磁測(cè)深（CSAMT）等。

以可控源大地電磁測(cè)深法為例，它是基于電磁法理論和麥克斯韋方程組，在音頻大地電磁法和大地電磁法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種人工源頻率域測(cè)深方法?？煽卦匆纛l大地電送給法的卡尼亞視電阻率方程：

（1）

式中，Ex為電場(chǎng)，Hy為磁場(chǎng)，？籽s為視電阻率，f為頻率。

趨膚深度公式如下：

（2）

式中D為探測(cè)深度，m；？籽為地表電阻率，Ω·m；f為頻率，Hz。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工區(qū)概況

為設(shè)計(jì)一座地下管線隧道，隧道長(zhǎng)190米。要求進(jìn)行綜合物探勘察，以查明隧道沿線60米深度范圍內(nèi)的地層情況，判斷不良地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)育情況，并對(duì)隧道圍巖進(jìn)行分組。隧道位于淺變質(zhì)巖低山丘剝蝕區(qū)，具有低山溝谷，海拔在60～100米，地形平緩。從隧道附近的地表出露地層可以看出，自下而上依次為：中元古界長(zhǎng)城系和第四系全新統(tǒng)。

（1）中元古界長(zhǎng)城系巖性以灰白色灰?guī)r和灰黑色板巖互層為主，板巖主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石、云母等，灰?guī)r主要成分為變晶結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造。

（2）第四系全新統(tǒng)殘坡積巖性主要為黃褐色粉質(zhì)粘土、角礫呈棱角狀，主要為板巖風(fēng)化物。

3.2 物探方法選擇

隧道勘查共采取了三種物探方法，分別是地震折射波法、高密度電法和地震反射波法。其中地震折射波法測(cè)線三條，地震反射波法測(cè)線一條，高密度電法測(cè)線五條。具體工作布置如下：

（1）地震折射波法測(cè)線三條，每條測(cè)線長(zhǎng)115米，接收道數(shù)均為24道，道間距為5米；（2）高密度電法測(cè)線五條，其中沿隧道方向布置三條，與隧道軸線方向垂直布設(shè)兩條，平行軸線的測(cè)線長(zhǎng)295米，垂直軸線的測(cè)線長(zhǎng)145米；（3）地震反射波法沿隧道軸線布設(shè)一條測(cè)線，測(cè)線長(zhǎng)277米。

3.3 成果分析

3.3.1 高密度電法

通過資料處理，得到視電阻率等值線斷面圖，如圖1，分析成果圖可以看出：

（1）地表為第四系覆蓋層、風(fēng)化層，深度在12米以上，電阻率低，一般在30～80Ω·m；在12～30米深度，視電阻率增大，一般在80～160Ω·m，為中等風(fēng)化層；再往下為弱風(fēng)化巖層，電阻率大于160Ω·m。（2）在SD2+60測(cè)點(diǎn)處視電阻率有級(jí)帶存在，推測(cè)有斷層存在，該斷層由東向西傾斜，但規(guī)模較小。

圖1 高密度電阻率視電阻率等值線斷面圖

3.3.2 地震折射波法

圖2為地震折射波法成果，從地震折射波曲線圖可以看出，7～12米有一折射面，折射面以上為第一波速帶，折射面以下為第二波速帶。第一波速帶速度低，一般在500～660m/s之間，推測(cè)為覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化層。第二波速帶速度在2000～3000m/s之間，為中等風(fēng)化層。

3.3.3 地震反射波法

圖3為地震反射波法偏移時(shí)間剖圖，從圖中可以看出有兩個(gè)反射界面。第一反射界面深度在9～12米，反射時(shí)間在30～40ms之間，推測(cè)這一界面以上為覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化層；第二反射界面深度在24米，反射時(shí)間在50～60ms，推斷該段為中等風(fēng)化層，其底界深度在35米左右；隧道經(jīng)過中等風(fēng)化層，但反射波同相軸連續(xù)性較好，未發(fā)生明顯錯(cuò)動(dòng)，表明該段無斷層存在。

圖3 地震反射波法偏移時(shí)間剖面

3.4 綜合解釋

結(jié)合地震折射波法、高密度電阻率法、地震反射波法，對(duì)工區(qū)進(jìn)行綜合地球物理勘探，處理解釋結(jié)果分析如下：

（1）高密度電阻率法解釋結(jié)果中，覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化層電阻率值在30～80Ω·m，層界面在6～12米；地震折射波縱波速度在500～600m/s，層界面在7～12米；地震反射波第一反射界面在30～40ms，深度在9～12米。綜合推斷覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化層底界面在9～12米。（2）高密度電阻率法解釋結(jié)果中，中等風(fēng)化層電阻率值在80～160Ω·m，層界面在30～40米；地震反射波第二反射界面在50～60ms，深度在30～36米。綜合推斷中等風(fēng)化層底界面在30～36米。（3）弱風(fēng)華層在36米以下，電阻率大于160Ω·m，縱波速度大于3000m/s。（4）地震折射波法和地震反射波法結(jié)果中未發(fā)現(xiàn)斷裂帶存在，而高密度電阻率法結(jié)果中SD2+60處有一視電阻率梯度帶，推斷該處有一小規(guī)模斷層存在。（5）從不同物探綜合解釋成果中可以看出，隧道的圍巖分布于中等風(fēng)化巖層中，縱波速度在2200～2800m/s。（6）根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)該隧道的圍巖按BQ值法進(jìn)行分級(jí)，分級(jí)結(jié)果見表1。

表1 隧道BQ值圍分組表

4 結(jié)束語

為準(zhǔn)確探測(cè)隧道施工中遇到的不良地質(zhì)情況，采用地球物理勘探方法可以達(dá)到事半功倍的效果。文章根據(jù)不同的地質(zhì)情況，分別闡述了高密度電法、地震折射波法、地震反射波法、電測(cè)深法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)。在實(shí)際隧道地質(zhì)勘查過程中，采用三種物探方法對(duì)地下地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行勘探，結(jié)果表明，物探方法在隧道地質(zhì)勘查過程中具有成本低、精度高、破壞性小的特點(diǎn)。

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