物探方法在隧道巖溶勘察中的綜合應用

摘要：本文以隧道巖溶勘察勘察為例，介紹了淺層反射地震法和高密度電法等工作原理和方法，解決了困擾建設的難題。通過在該隧道施工勘察中的成功應用，說明了多種物探方法的綜合應用對于互相對比糾正、正確解釋地質現象和查遺補漏是有益和必要的。探測結果表明綜合物探方法在巖溶探測的優勢。

關鍵詞：隧道勘察；物探方法；淺層反射地震；高密度電法

1.概述

某隧道（見圖1）水平長度約為1334m，屬中長隧道。隧道縱斷面形式為“人”字坡隧道，進口段：坡度為6.27%（約3.9°）；出口段：坡度為-1.0%（約-0.573°），隧道洞身凈斷面尺寸為3.0m×3.8m（寬×高），該隧道為單建山體隧道。現隧道的施工單位在進行施工時，出現施工問題，如果不能仔細的勘察當地地形，詳細了解隧道巖溶的情況，施工就不能正常進行。

經過初步的勘察，可以了解到該地地處于巖溶位置，且巖溶發育不完全，若要工程能順利繼續，就要準確的了解當地的地質情況。從理論上說，鉆探的方法能夠達到勘察的目的，但是考慮到井眼直徑很小，也許勘察的效果還是不能滿足施工的要求，這是因為巖溶地區的地質目標是高度不確定，所以很難用鉆井方法做好勘察，此時使用探索工程物理是一種很好的辦法，即所謂物探勘察的辦法。

物探勘察是根據勘察對象的物理性質進行勘察，人們在勘察時可用電位法、電磁法、聲學檢測法等，提取勘察對象的物理數據，并對數理數據進行分析，從而掌握勘察對象的物理情況。在隧道巖溶勘察時，可以根據不同的地區、不同的對象選擇最適當的物探方法。以該次的勘察為例，在進行物探勘察以前，在做好初步的勘察以后，選擇高密度電阻率法和淺層反射地震法結合的勘察法。

圖1" 隧道現場

2. 地形地貌

（1）隧址區地處兩山構造帶的交接帶，內外地質應力強烈作用，兩山及其以北山地上升，盆地大幅沉降，地形地貌主要受地質構造和巖性制約，表現為構造侵蝕中山地貌。

（2）隧址穿越區山體整體走向北西——南東向，區內最高海拔為1346.1m，最低點為出口溝谷內，海拔高程927.3m，相對高差418.8m。山體斜坡坡度40°～50°，局部地段60°～80°。隧道進口位于斜坡中下部階梯狀平臺處，山體斜坡坡度25°～30°，其下方為階梯狀緩坡。隧道出口位于斜坡中部平臺，位于蘭成渝伴行路內側，整體斜坡坡度45°～50°，局部區域斜坡坡度60°～70°，出口下方為切割嚴重的深溝，地形坡度較大，較為破碎。隧道穿越軸線整體上陡下緩。

3. 地層巖性

隧址區域的地層特征見表1：

4. 工程物探

4.1 淺層反射地震勘探。

4.1.1 地球物理條件。

根據勘察，隧址區地層主要為第四系全新統、三疊系下統銅街子組泥巖（T1t）、二疊系茅口組灰巖（P1m）、泥盆系中統觀霧山組白云質灰巖（D2g）和志留系中——上統泥巖（S2+3），各巖層之間波阻抗介質層之間存在波速差異，具備進行淺層地震反射法勘探的地球物理條件。

4.1.2 測線布置及參數設置。

（1）為有效查找地下不良地質體，布置試驗剖面2條，長度分別為141.0m、235.0m，勘探主剖面1條，沿隧道中軸線布置，起點為隧道入口樁向外延伸60.0m，終點為隧道出口樁向外延伸62.0m，長度1435.0m，合計淺層地震剖面長度1811.0m。

（2）此次淺層反射地震勘探使用錘擊震源，多次錘擊效果疊加得到地震記錄。地震勘探的觀測系統及具體的野外數據采集參數見表2。

4.1.3 資料解釋。

（1）圖2、圖3為淺層反射地震深度剖面圖，圖上顯示在深度約為30.0m、55.0m、120.0m出現明顯的反射波連續同相軸，反射波能量不均勻，根據波速特征，結合地質資料，推斷為巖體物性變化引起的反射界面，分段具體解釋如下。

圖2"" 淺層反射地震波剖面圖

圖3" 淺層反射地震波剖面圖

（2）0.0m（QMY2C1）至255.0m段：反射波同相軸較連續，整體各層波速較低，泥巖斷續出露，推斷此段地下為泥巖；崩坡積層分布于地表，初至反射波同相軸埋深25.0m－35.0m，根據地質調查資料，本段崩坡積厚0.00m～13.87m，據此推斷，崩坡積與泥巖接觸面未形成反射界面，不產生反射波，初至反射波為強風化泥巖與中風化泥巖分界面所反射；反射波能量反射不均勻，表明巖體較破碎；試驗結果顯示第四系松散層波速為Vp（松）=600～800m/s。強風化泥巖厚5m～25m，波速為Vp（泥巖）=800～1400m/s，中風化泥巖厚20～50m，波速為Vp（泥巖）=2100～2600m/s，微——未風化泥巖波速為Vp（泥巖）gt;3000m/s。

（3）255.0m至1227.0m段：反射波同相軸連續性較差，整體各層波速較較高，灰巖斷續出露，且鉆孔揭露下部為灰巖，故推斷此段地下為灰巖。反射波同相軸有缺失或有繞射現象，反射波能量時而衰減快，時而衰減慢，推斷有溶洞存在，巖溶較發育，但連通性差。強風化灰巖厚度變化大，一般厚10.0m～25.0m不等，波速為Vp（灰巖）=1400～2000m/s；中風化灰巖厚20.0m左右，波速為Vp（灰巖）=3500～4000m/s；微——未風化灰巖波速為Vp（灰巖）gt;4000m/s。

（4）1227.0m至1333.7 （QMY2C2）段：反射波同相軸較連續，整體各層波速較低，泥巖連續出露。反射波能量反射不均勻，表明巖體較破碎。強風化泥巖厚15.0m～25.0m，波速為Vp（泥巖）=800～1400m/s；中風化泥巖厚20.0m－30.0m，波速為Vp（泥巖）=2100～2600m/s；微～未風化泥巖波速為Vp（泥巖）gt;3000m/s。

4.2 高密度電法勘探。

4.2.1 地球物理條件。

根據鉆孔資料揭露，巖體較破碎、巖溶發育。為查明該段穿越工程潛在的不良地質體，在該區域內進行高密度電法測試。該區域覆蓋層為第四系坡積層，基巖為二疊系茅口組灰巖，覆蓋層視電阻率值在20～200Ω·m間，查找目標體在有效電場范圍內，地電數據能從周圍地電干擾因素中有效分離出來，周圍地質環境具備電法勘察條件。

4.2.2 測線布置及測試參數。

（1）為查明ZK4附近不良地質體范圍，在該孔附近十字交叉法布置測線2條，01剖面穿過ZK4，長度126.0m，02剖面沿隧道中軸線布置，長度110.0m，合計長度236.0m。兩條剖面交點在中軸線上，ZK4在01剖面64.0m處。場地情況及測線布置見圖4。

圖4" 高密度電法測線布置示意圖

（2）此次測試采用E60CN高密度電法儀，該儀器具有24位轉換精度，測試電極距為2.0m，采用恒流的方式進行數據采集。為便于對比解釋，采用兩種裝置形式（溫納裝置、二極裝置）進行數據采集。此次高密度電法具體參數見表3。

4.2.3 反演成果解譯。

圖5～8為測試剖面反演成像圖，圖像資料顯示電性界限明顯，呈明顯層狀結構。01剖面覆蓋層厚度為4.0m～10.0m，視電阻率值為30.0Ω·m～700.0Ω·m；灰巖層，視電阻率值在700.0Ω·m～3000.0Ω·m；02剖面顯示，該剖面上覆蓋層厚度為5.0m～25.0m，視電阻率值為30.0Ω·m～700.0Ω·m；灰巖層視電阻率值為700.0Ω·m～3500.0Ω·m。

圖5" 01剖面溫納裝置反演剖面圖

圖6" 01剖面二極裝置反演剖面圖

圖5" 02剖面溫納裝置反演剖面圖

圖8" 02剖面二極裝置反演剖面圖

5. 結論

5.1 淺層反射地震解釋結論。

隧道中軸線上，覆蓋層厚度0～13.87m，波速為Vp（松）=600～800m/s，強風化泥巖、灰巖厚度5.0m～25.0m，波速分別為Vp（泥巖）=800～1400m/s，Vp（灰巖）=1400～2000m/s；中風化泥巖、灰巖的厚度25.0m～50.0m，波速分別為Vp（泥巖）=2100～2600m/s，Vp（灰巖）=3500～4000m/s；微～未風化泥巖、灰巖的波速分別為Vp（泥巖）gt;3000m/s，Vp（灰巖）gt;4000m/s。推斷灰巖段有溶洞存在，巖溶較發育，連通性差；進、出洞口巖石較破碎，穩定性差；隧道軸線穿越地段圍巖區域內，圍巖巖體總體較完整，局部較破碎、裂隙較發育，隧道圍巖的穩定性總體較好。

5.2 高密度電法解釋結論。

由圖像資料解譯，兩條剖面交叉位置，深度20.0m～65.0m，寬度為中軸線左側約40.0m，右側約50.0m范圍內，灰巖視電阻率值大于3000.0Ω·m，為異常高阻。與鉆探資料聯合解釋，可得到以下結論：ZK4深度在15.0m～55.0m巖體破碎巖溶、大裂隙發育并間斷相聯吻合，64.0m處出現的低阻區域，判斷為鉆孔鉆進時水、泥漿等低阻物充填了溶洞及裂隙。

參考文獻：

[1]江玉樂，康萬福，張楠等.高密度電法在巖溶勘察中的應用[J].成都理工大學學報（自然科學版），2007.34（4）.452～455.

[2]熊章強，方根顯.淺層折射法在隧道工程地質調查中的應用[J].水文地質工程地質，2011（3）：12～13.