综合物探方法在山区中长隧道勘察中的应用

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摘要：对于山区中长隧道地形、地貌较复杂，给勘察工作造成了很大的困难，本文概括了隧道勘察广泛应用的物探方法，阐述了单独物探方法的条件性和局限性。引用实例，采用浅层地震折射法和高密度电法相结合的方法，综合比较，查明隧道穿越场区的不良地质情况，风化层深度、形态及分布范围，为勘察设计提供依据，通过综合物探的方法达到了事半功倍的效果。

Abstract： Because of the complex terrain and topography of long tunnels in the mountain which bring large difficulties to the investigation work， this paper summarizes geophysical exploration method widely used in the tunnel exploration， and expounds the conditions and limitations of conditioned and limitations of single geophysical exploration methods. By using reference example with shallow seismic refraction method and high density resistivity method and comprehensive comparison to find out the bad geological condition of tunnel crossing area， and the depth， the shape， the distribution range of mantle rock， this paper provides the basis for the exploration design. Through the integrated geophysical exploration， a multiplier effect can be achieved.

关键词：综合物探；高密度电阻率法；浅层地震折射法；六盘水；深沟隧道

Key words： integrated geophysical exploration；high density resistivity method；shallow seismic refraction method；Liupanshui；deep tunnel

中图分类号：P631 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）21-0171-03

0 引言

随着高速公路、铁路及轨道交通快速发展，经济发展西移，越来越多的公路、铁路在中国西南部建设，西南地区地貌类型多样，多以山地、丘陵为主，地势起伏较大，相对高程较大，为隧道勘察带来诸多不利影响，尤其是对于山区500m～3000m中长隧道影响较大。对于隧道勘察一般采取钻探、原位测试、工程地质调绘、物探等手段，揭露地层结构、风化层深度、工程特性、不良地质现象及岩土参数。钻探可以采取岩芯，能够直观方便，但受山区地形影响较大，小型钻机方便灵活拆迁，但勘察深度难以满足勘察设计要求，大型钻机搬迁费时费力；钻探受勘探孔间距的影响，勘探孔之间的地质构造，地层结构及水文地质情况不能完全查明，物探可以弥补勘探孔间距地质构造、地层结构及水文地质情况。由于各种物探方法都有一定的应用前提，对应着不同的优势和局限，加之实际勘察中存在复杂的地质和地形条件，它们都对最终的物探勘察成果解译有较大的影响，所以用单一的物探方法一般难以查明或解决对应的地质工程问题，在实际应用过程中，常采用综合物探方法进行解决。

1 隧道勘察中常见的物探方法

山区中长隧道勘察物探方法很多，主要有电法勘探、电磁波法、地震法等手段。每一种方法都有其应用的适用条件，没有这种适用条件的存在，物探方法就不能获得好的应用效果。怎样根据工程的地质特征来发挥各种物探方法的勘察优势，这是综合物探的核心。

山区中长隧道物探勘察的目的主要探测隐伏体的地质界线、界面、岩溶洞穴、采空区、含水层等；探测钻孔间及外延段地质情况；测定岩土层的波速、振动强度、卓越周期等参数。

山区中长隧道（洞身）一般探测深度较深，洞口较浅。根据物探勘察的目的及深度，依据相关规范[1-2]对物探方法进行优选组合[3]。组合形式见表1。

地震折射法、浅层地震反射法及瑞雷波法利用人工或天然激发的地震波、声波在岩土层中传播产生的反射、折射及瑞雷波变频测深的特性，以研究地下地质体的几何形态及岩土体的物理力学参数。地震折射法勘探深度较小，不能满足深埋隧道要求，折射法应满足目的层与上覆地层存在较大的速度差异，且大于上覆层的速度，岩层视倾角与临界角之和小于90°。浅层地震折反射波法[4]通过速度谱分析得到的速度，要求相邻地层间存在明显的波阻抗差异，厚度应大于有效地震波长的1/4，可根据反射法测得的速度来划分围岩等级，但是若要获得精确的波速值，必须实施波速测。瑞雷面波法[5]适用于层状和似层状介质勘探，用于浅层覆盖层厚度探测和分层，但瑞雷面波法的理论尚需进一步验证，相关问题也有待研究。

大地电磁法和高密度电法是基于地下岩土的物理场，运用物探仪器测量物理场，掌握其时间与空间变化规律，根据现有文献资料对地下一定深度范围内地质体的分布及水文地质特点进行定性评价。大地电磁法在长深埋隧道的断层破碎带勘察、地层划分以及判断地下水赋存情况等方面有良好表现[6-8]，但其不能提供岩体波速，浅层解释精度较差，局部存在多解性[9]。高密度电法通过电阻率的变化情况，可以精准地进行地层划分，并获得准确的计算深度、厚度等参数，同时探测出岩溶、洞穴等不良地质状况；判断地下是否有断层、破碎带存在，判断其赋水状况。高密度电法不能对资料进行准确的定量解释，岩性分层需要参考相关资料，受地形起伏影响较大，勘探深度也有一定限制。

2 实例

2.1 工程概况及勘察目的

深沟隧道位于六盘水市水城县玉舍乡，设计为分离式隧道，隧道右线起讫桩号为ZK210+590～ZK213+630，全长3040m，隧道左线起讫桩号为ZK210+585～ZK213+505，全长2920m，该隧道属中长隧道，山顶最大高程约2002.6m，隧道的最大埋深约300m。隧道轴线地面高程在1671.8～2002.6m之间，相对高差330.8m，地形起伏较大，属浅切中低山地貌类型，隧道穿越一中山，进口自然坡度约51°，出口坡度约18°。隧址区地层上覆第四系（Q3dl+pl）碎石土，下伏古生界石炭系上统马平群（C3mp）、中统黄龙群（C2hn）、下统摆佐组（C1b）及下统大塘组（C1d）灰岩。隧址区地下水位埋深较深。本次物探勘察的目的：①查明隧道区内主要地质层位分布情况及其物性参数；②对隧道围岩进行分级，对各类围岩进行工程地质评价；③查明隧道区有无不良地质现象，并查明之构造特征及影响范围。

2.2 物探方法选择及物探线布置

依据场区内的岩土条件，场区内分布的覆盖层和基岩之间以及构造破碎带等不良地质体发育区域和围岩之间都存在较明显的电阻率差异，因此从这个特性较容易识别这些不同的地质体，因此适合开展高密度电法勘察；测区内岩土层大致可划分为覆盖层、强风化层和中风化层，它们之间密度、弹性波速等物理性质存在着较明显的差异，因而具备开展浅层地震折射波法勘察。根据地形、地貌结合岩土条件，在隧道出口、入口处布置4条横向物探线，以浅层地震折射法为主，在隧道左线（小里程到大里程方向）布置1条纵向物探线，以浅层地震折射法为主，在隧道右线（小里程到大里程方向）布置1条纵向物探线，以高密度电法为主。

2.3 成果解译

2.3.1 右线高密度电法视电阻率图（如图1～图4）

2.3.2 左线浅层地震折射时距曲线图（如图5～图7）

岩性解译方面：由于某些风化层（特别是浅层）之间呈渐变的情况，导致纵波波速变化不大，很难区分分界面，而此时，电阻率值在数值上可能存在较大的差异，能明显的划分出分界面。图1～图4中Ⅰ区的表示视电阻率值较小，能较好的和浅层地震折射法的波速值较低区域相吻合，为表层的覆盖层，主要由碎石土组成，土体松散，厚度变化不大，分布厚度范围为1～8m，纵波波速为550～1100m/s。Ⅱ区区域电阻率变化较小，较Ⅰ区大，岩性主要表现为强风化岩体组成，岩体节理裂隙发育，岩体破碎，呈碎块状和短柱状，强风化层埋深范围大部分为1.6～9m，纵波波速1900～2500m/s。Ⅲ区区域电阻率逐渐增大，Ⅳ区域代表高电阻率区域，岩性主要由中风化灰岩组成，节理裂隙较发育，岩体由破碎逐渐过渡到完整，呈短柱状和长柱状，中风化灰岩纵波波速3900～4550m/s。根据物探结果，进行了钻孔验证，验证物探结果是正确的，从而为隧道的围岩分类提供了详细丰富的勘察资料。

从上例看出，通过地震折射法可测得准确的覆盖层厚度及岩体波速，对于低速带，存在多解性；此时按照勘察要求运用高密度电法可彻底查明风化层厚度、形态及分布范围。两套方案都符合成本低、效率高的设计勘察要求，并且易于实施，但能需相互结合才能很好的解决地质问题。

3 结束语

山区中长隧道勘察中的物探方法多种多样，这些方法都有可取之处，但是在实际应用中也有局限性，无法从根本上解决问题，并且解释精度较低。所以说不建议只采用一种方法进行实际勘察，而应该基于各种方法的基础、技术原理和应用优势，根据地质特点实施综合物探，充分发挥组合优势开展实验对比，寻找最优策略以提高勘察精度，为合理解决地质问题提供科学依据。

参考文献：

[1]铁路工程地质勘察规范[P].北京：中国铁道出版社，2007.

[2]公路工程地质勘察规范[P].北京：人民交通出版社，2011.

[3]周竹生，丰赟.隧道勘察中的综合物探方法[J].地球物理学进展，2011，26（2）：724-731.

[4]公路工程物探规程[P].北京：人民交通出版社，2009.

[5]铁路工程物理勘探规范[P].北京：中国铁道出版社，2010.

[6]李志华.某新建铁路复杂长隧道岩层地质与CSAMT特征[J].地球物理学进展，2005，20（4）：1190-1195.

[7]谭儒蛟，胡瑞林，徐文杰，等.金沙江龙蟠变形体隐伏构造CSAMT探测与解译[J].地球物理学进展，2007，22（1）：283-288.

[8]王若，王妙月，底青云，等.CSAMT方法在隧道勘察中的应用[J].石油地球物理勘探，2004，（39）：43-45，56.

[9]孙英勋.CSAMT法在高速公路长大深埋隧道勘察中的应用研究[J].地球物理学进展，2005，20（4）：1184-1189.

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