高密度電法勘探在國道317崗托至江達段矮拉山隧道的應用

馬 浩, 邱曉東

(1.四川省興冶巖土工程檢測有限責任公司， 四川成都 610084; 2.四川吉元巖土工程勘察有限公司， 四川成都 610100)

國道317線東起四川成都，向西途經(jīng)甘孜，跨金沙江后進入西藏江達縣，經(jīng)昌都，止于那曲，全長約1 973 km，是西藏自治區(qū)“三縱兩橫六個通道”主骨架公路和進出西藏5條干線公路的組成部分，也是昌都地區(qū)的生命線和重要的國防干線。國道317線崗托至江達段矮拉山隧道位于西藏東部橫斷山區(qū)，行政上屬昌都地區(qū)江達縣境。項目起點位于江達縣崗托鎮(zhèn)，終點位于江達縣同普鄉(xiāng)。預可研階段選取如下方案進行設計：該方案起于國道317線K1002+320，通過隧道形式穿越矮拉山，終于國道317線K1026+193，路線全長5.623 km。鑒于需要對隧道建設場地的地質條件進行整體、綜合的把握，查清隧道圍巖構造發(fā)育情況；圈定隱伏斷層、構造破碎帶；查明基巖埋深以及斷裂帶的含水情況等, 對國道317矮拉山隧道新建工程進行高密度電法勘探,本文主要介紹了該方法的使用步驟及效果分析。

1 區(qū)域地質概況

1.1 區(qū)域地質構造

隧址區(qū)屬于青藏高原中高山剝蝕地貌，海拔高程3900.00～4635.02 m，隧道軸線最大相對高差735.02 m。山脊走向北西西-南東東向，與隧道軸線方向60～70°相交。A線隧道進口位于國道317線矮拉山17道班處斜坡上，斜坡坡度較緩，坡角為4～22°，出口位于十九道班附近國道317線公路一“圈椅”型地形處，地形坡角為17～23°；B線隧道進口距國道317線矮拉山17道班約350 m處的斜坡上，斜坡坡度較緩，坡角為18～25°，出口位于埃曲河右岸的斜坡上，斜坡坡度較緩，坡角為13°。在隧道出口處發(fā)育有埃曲河,河溝寬約70 m,切割深度約20 m。在隧道進口右側，發(fā)育有一條常年流水的常曲河,溝寬約80 m,切割深度約30 m。

隧址區(qū)發(fā)育的地層和巖性主要為：第四系坡積碎石類土和亞砂土，及三迭系中基性火山沉積巖(火山角礫巖、熔結凝灰?guī)r)和灰?guī)r、頁巖、泥灰?guī)r、泥灰質粉砂巖；巖漿巖為印志期凝灰質玄武巖。隧道進口處表層為坡積的碎石類土，下部主要為中基性火山角礫巖和熔結凝灰?guī)r；出口處表層為碎石類土夾含角礫亞砂土，下部為頁巖、泥灰?guī)r、泥灰質粉砂巖。

1.2 地球物理特征

勘區(qū)表層第四系堆積物覆蓋厚度不均。地層巖性受風化、剝蝕作用，淺部基巖可分為強至弱風化的不同物性差異層面，可形成電阻率差異界面。受構造影響，斷裂帶、裂隙帶、破碎帶的存在及降水跟地下水的影響，亦可形成巖體的電性差異。根據(jù)已知的地質及踏勘結果，本工區(qū)滿足高密度電法勘探的物理基礎。

1.3 地層與巖性分布

隧址區(qū)發(fā)育的地層主要為：第四系殘破積、崩坡積碎石類土，及三疊系中上統(tǒng)江達組基性火山沉積巖火山角礫巖和上統(tǒng)波里拉組灰?guī)r、泥灰?guī)r、凝灰?guī)r、奪蓋拉組和阿堵拉組泥灰質粉砂巖，志留系散則組絹云石英片巖。隧道進口處表層為殘坡積的碎石類土，下部主要為中基性火山角礫巖和志留系散則組絹云石英片巖；出口處表層為碎石類土夾黏土，下部為泥灰質粉砂巖；洞身東部出露的基巖主要為火山角礫巖、泥灰?guī)r；洞身西部出露的基巖主要為灰?guī)r、凝灰?guī)r、泥灰質粉砂巖。

2 實驗儀器及技術方法

2.1 高密度電法工作原理

密度電阻率法是日本地質株式會社提出并發(fā)展起來的一種新型的電阻率方法，由于高密度電法可以實現(xiàn)電阻率的快速采集和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時處理，從而改變了電法的傳統(tǒng)工作模式。它集電剖面和電測深于一體，采用高密度布點，進行二維地電斷面測量，提供的數(shù)據(jù)量大、信息多，并且觀測精度高、速度快，是灰?guī)r地區(qū)尋找溶洞及構造破碎帶等最有效的物探方法之一。

高密度電法勘探的前提條件是地下介質間的導電性差異，和常規(guī)電法一樣，它通過A、B電極向地下供電(電流為I)，然后測量M、N極電位差△U，從而求得該記錄點的視電阻率值ρs=K×△U/I。根據(jù)實測的視電阻率剖面進行計算、處理、分析，便可獲得地層中的電阻率分布情況，從而解決相應的工程地質問題。

高密度電法勘測常常適用于地下空洞、巖溶地區(qū)、凍害、水庫大壩等的地質勘測，技術較為成熟，本次勘測室內資料處理時采用RES2DINV自動迭代反演程序，其正演過程采用有限元法，反演采用光滑約束最小平方反演技術，并且在反演過程中約束了已知地層電阻率范圍，迭代次數(shù)3～5次。

2.2 測試方法與成圖

此次野外工作測線布置：電法縱剖面沿隧道軸線在地表投影布置測線，用以探測隧道軸線的地層覆蓋狀況、可能的斷裂不良地質現(xiàn)象及隧道頂板2倍洞徑范圍內圍巖整體性等工程地質情況；在隧道出口處橫剖面，利用探測結果對隧道硐身圍巖及穩(wěn)定性進行評價。經(jīng)勘察單位現(xiàn)場確認，最終確定沿隧道軸線在地表投影布置縱向測線1條，電極距10 m；在隧道出口處布置橫向剖面1條, 電極距5 m。

探測成果解釋的第一步即電阻率剖面中巖性與電阻率之間關系分析，依據(jù)電阻率值的等級劃分不同電性層。分析不同電性層與地質層位、構造破碎、裂隙等之間的關系。在上述分析解釋的基礎上確定不同剖面的不同部位電性變化與地質層位、構造發(fā)育、地下水活動用電性剖面圖展示最終的工作成果。

資料處理流程如下：錄入原始數(shù)椐→格式轉換→編輯→反演處理→電阻率成圖。

3 試探效果分析

野外采集的資料經(jīng)過處理后繪制成視電阻率擬斷面圖，地質解釋是在視電阻率擬斷面圖上進行。根據(jù)對上述兩個工點的視電阻率分析，獲得如下結果。

3.1 東繞城路1號隧道

3.1.1 測試參數(shù)的選取

3.1.1.1 隧道軸線縱剖面(W-1)

W-1要求嚴格按照隧道軸線在地表投影線布置，測線兩端延伸出隧道軸線最少約10 m，探測深度大于隧道底板埋深，且不小于2倍洞徑。

參數(shù)設定：電極距10 m，電極個數(shù)60個，測線總長590 m，測試點數(shù)570個，剖面層數(shù)19層。

3.1.1.2 隧道出口橫剖面(W-2)

要求盡可能與隧道軸線垂直相交，探測深度不小于隧道底板下2倍洞徑范圍。

參數(shù)設定：電極距5 m，電極個數(shù)60個，測線總長295 m，測試點數(shù)570個，剖面層數(shù)19層。

3.1.2 成果解釋

高密度電阻率法資料處理通常是將測得的大量數(shù)據(jù)傳輸進入計算機，通過不斷調整初始模型參數(shù)使正演曲線和實際曲線之差達到最小，由此所得的最終模型參數(shù)作為反演結果。本次數(shù)據(jù)處理專用軟件2dRes是以平滑約束最小二乘法(smoothness-constrained least-squares)為基礎，以擬牛頓(quasi-Newton)最佳技術為準則的最小二乘法來實現(xiàn)的。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后繪制成視電阻率剖面圖。

隧道軸線縱剖面(W-1)高密度電法反演成果圖參見圖1；隧道橫剖面(W-2)高密度電法反演成果圖參見圖2。

圖1 東繞城路1號隧道軸線縱剖面(W-1)高密度電法反演成果

圖2 東繞城路1號隧道橫剖面(W-2)高密度電法反演成果

經(jīng)對隧道縱剖面(W-1)和隧道橫剖面(W-2)高密度電法反演成果圖綜合分析，視電阻率變化較大，變化范圍一般多在1～10 000 Ω·之間，局部大于10 000 Ω·m。

結合地表及鉆孔資料，對隧道縱剖面(W-1)高密度電法反演成果圖分析統(tǒng)計如下：

(1) 視電阻率在1～90 Ω·m之間的地層：主要為花崗巖風化坡、殘積土，土體較松散，富含腐植質；

(2) 視電阻率在90～400 Ω·m之間的地層：主要為殘坡積碎石土層、粉砂土層，粉砂土中夾透鏡體狀碎石土層；

(3) 電阻率在400～600 Ω·m之間的地層：主要為強風化巖石、砂卵石層；

(4) 在600～1 500 Ω·m之間的地層：主要為較完整巖石，構造裂隙發(fā)育；

(5) 大于1 500 Ω·m的地層：主要為完整巖石。

3.2 東繞城路2號隧道

3.2.1 測試參數(shù)的選取

3.2.1.1 隧道軸線縱剖面(W-3)

W-3要求嚴格按照隧道軸線在地表投影線布置，測線兩端延伸出隧道軸線最少約10 m，探測深度大于隧道底板埋深，且不小于2倍洞徑。W-3由兩條測線組成。

參數(shù)設定：電極距10 m，電極個數(shù)120個，測線總長1 190 m，測試點數(shù)1 140個，剖面層數(shù)19層。

3.2.1.2 隧道入口橫剖面(W-4)

要求盡可能與隧道軸線垂直相交，探測深度不小于隧道底板下2倍洞徑范圍。

參數(shù)設定：電極距5 m，電極個數(shù)60個，測線總長295 m，測試點數(shù)570個，剖面層數(shù)19層。

3.2.2 成果解釋

隧道軸線縱剖面(W-3)高密度電法反演成果圖參見附圖3；隧道橫剖面(W-4)高密度電法反演成果圖參見附圖4。

圖3 東繞城路2號隧道軸線縱剖面(W-3)高密度電法反演成果

經(jīng)對隧道縱剖面(W-3)和隧道橫剖面(W-4)高密度電法反演成果圖綜合分析，視電阻率變化較大，變化范圍從1～100 000 Ω·m之間，局部大于100 000 Ω·m。視電阻率變化較大與電極的接地條件有一定的關系，由于局部地段為堅硬的微風化灰?guī)r，造成電極接地狀態(tài)不佳，從而引起視電阻率值過大，造成一定的測量誤差。

結合地表及鉆孔資料，對隧道縱剖面(W-3)和隧道橫剖面(W-4)高密度電法反演成果圖分析統(tǒng)計如下：

(1) 視電阻率在1～90 Ω·m之間的地層：主要為灰?guī)r風化殘積土，土體較松散，富含腐植質；

(2) 視電阻率在90～400 Ω·m之間的地層：主要為沖洪積碎石土層、粉砂土層，粉砂土中夾透鏡體狀碎石土層；

(3) 電阻率在400～600 Ω·m之間的地層：主要為強風化巖石、砂卵石層；

(4) 在600～1 500 Ω·m之間的地層：主要為較完整巖石，構造裂隙發(fā)育；

(5) 大于1 500 Ω·m的地層：主要為完整巖石。

4 結論和建議

4.1 結論

根椐高密度電法剖面結合鉆探資料結果得出以下結論：

(1)隧址區(qū)無斷層、滑坡、泥石流等不良地質現(xiàn)象，不存在巖溶、煤層和可采礦體等，隧址區(qū)區(qū)域穩(wěn)定性較好。

(2)隧道軸線穿越地段圍巖區(qū)域內，局部地段巖體裂隙發(fā)育，較破碎。隧道進出口巖體裂隙發(fā)育、破碎，在對隧道進、出洞口實施一定安全防治處理措施后，本隧道適宜修建。

圖4 東繞城路2號隧道橫剖面(W-4)高密度電法反演成果

4.2 建議

(1)由于隧道硐身段巖體局部裂隙發(fā)育，較破碎，圍巖自穩(wěn)性能較差，隧道施工時應盡量減少對圍巖的擾動，并做好支護。

(2)隧道硐身段局部巖體破碎，可能會存在發(fā)生涌、突水現(xiàn)象，在隧道施工過程中應足夠重視。隧道設計施工應考慮季節(jié)性豐水期帶來的局部地段可能的突涌水危害。在施工過程中應采用相應的超前探治水措施，及時進行預注漿止水。

研究結果表明，采用高密度電法勘探查明隧道圍巖構造發(fā)育情況，圈定隱伏斷層、構造破碎帶，基巖埋深以及斷裂帶的含水情況等，操作性強，效果明顯。

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