綜合物探方法在隧道地質工程勘查中的研究應用

張標東

摘 要：為查明隧道工程中可能存在的不良地質情況，文章從應用地球物理學領域以高密度電法、地震折射波法、地震反射波法、電測深法的原理和優缺點出發，根據現場實際情況，采用三種物探方法對某隧道地下地質構造進行探測，結果表明，綜合三種物探方法在隧道地質勘查過程中具有節約成本、省時、準確的特點。

關鍵詞：隧道勘查；綜合物探；地質勘查

前言

近年來我國社會經濟高速發展，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，被廣泛用于國防、礦山、水利、市政、公路和鐵路等方面。我國地形地貌具有復雜性和多樣性，在隧道施工過程中，由于斷裂破碎帶的存在會帶來坍塌風險，含水性強的地層會在施工過程中帶來透水事故，從而嚴重影響施工進度和效率。地球物理方法具有成本低、精度高、連續性強、破壞性小等優點，綜合利用不同的物探方法可以非常準確地確定地下地質情況，因此工程物探技術在隧道地質勘察中表現出其優越性。

1 常見隧道地質災害

1.1 圍巖變形破壞

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

1.2 涌水、突水

涌水、漏水主要發育于節理裂縫密集帶、破碎帶，突水主要發生于巖溶、洞穴和含水層帶。

1.3 地面塌陷

主要由隧道內長期涌水和大量抽取地下水造成。

2 常用物探方法簡介

地球物理勘探是以巖石的電性、磁性、放射性、力學性質的差異為基礎，運用不同的數學物理方法和物探儀器，探測地下地質構造和礦產分布，并解決地下地質問題的方法。解決不同的地質問題，可選取不同的物探手段。而綜合利用不同的方法主要對解決某一地質問題可以帶來更精確的解釋。

2.1 地震折射波法

彈性波發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，當地震波以臨界角入射時，射線在速度分界面發生全反射，從而引起上邊介質的掛點震動，并以某一角度返回地面，被地面檢波器接收。該方法可以進行地層劃分，為圍巖分級提供速度資料，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 電測深法

電測深法是以地下巖石的電阻率差異為基礎，以一定的極距觀測不同深度巖層的視電阻率，通過研究地電斷面，用以分析地下地質構造或解決地質問題。該方法可以用來劃分地層，并查找地下不良地質現象，如巖溶、斷層或破碎帶。該方法不能進行準確定量解釋，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點上，測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間，測線不同位置上的法線反射時間的變化可以反映地下地層的構造形態，從而達到劃分地質層位、斷層、采空區和巖溶等地質情況。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的原則，從二維地電斷面測量電阻率，并根據電阻率值的特征進行地層的劃分、查找不良地質體。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 電磁測深法

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

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

以可控源大地電磁測深法為例，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上發展起來的一種人工源頻率域測深方法。可控源音頻大地電送給法的卡尼亞視電阻率方程：

（1）

式中，Ex為電場，Hy為磁場，？籽s為視電阻率，f為頻率。

趨膚深度公式如下：

（2）

式中D為探測深度，m；？籽為地表電阻率，Ω·m；f為頻率，Hz。

3 應用實例

3.1 工區概況

為設計一座地下管線隧道，隧道長190米。要求進行綜合物探勘察，以查明隧道沿線60米深度范圍內的地層情況，判斷不良地質現象的發育情況，并對隧道圍巖進行分組。隧道位于淺變質巖低山丘剝蝕區，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：中元古界長城系和第四系全新統。

（1）中元古界長城系巖性以灰白色灰巖和灰黑色板巖互層為主，板巖主要礦物成分為石英、長石、云母等，灰巖主要成分為變晶結構、塊狀構造。

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

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線三條，地震反射波法測線一條，高密度電法測線五條。具體工作布置如下：

（1）地震折射波法測線三條，每條測線長115米，接收道數均為24道，道間距為5米；（2）高密度電法測線五條，其中沿隧道方向布置三條，與隧道軸線方向垂直布設兩條，平行軸線的測線長295米，垂直軸線的測線長145米；（3）地震反射波法沿隧道軸線布設一條測線，測線長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，為中等風化層；再往下為弱風化巖層，電阻率大于160Ω·m。（2）在SD2+60測點處視電阻率有級帶存在，推測有斷層存在，該斷層由東向西傾斜，但規模較小。

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，推測為覆蓋層和強風化層。第二波速帶速度在2000～3000m/s之間，為中等風化層。

3.3.3 地震反射波法

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

圖3 地震反射波法偏移時間剖面

3.4 綜合解釋

結合地震折射波法、高密度電阻率法、地震反射波法，對工區進行綜合地球物理勘探，處理解釋結果分析如下：

（1）高密度電阻率法解釋結果中，覆蓋層和強風化層電阻率值在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風化層底界面在9～12米。（2）高密度電阻率法解釋結果中，中等風化層電阻率值在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。綜合推斷中等風化層底界面在30～36米。（3）弱風華層在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果中未發現斷裂帶存在，而高密度電阻率法結果中SD2+60處有一視電阻率梯度帶，推斷該處有一小規模斷層存在。（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化巖層中，縱波速度在2200～2800m/s。（6）根據《公路隧道設計規范》，對該隧道的圍巖按BQ值法進行分級，分級結果見表1。

表1 隧道BQ值圍分組表

4 結束語

為準確探測隧道施工中遇到的不良地質情況，采用地球物理勘探方法可以達到事半功倍的效果。文章根據不同的地質情況，分別闡述了高密度電法、地震折射波法、地震反射波法、電測深法的原理和優缺點。在實際隧道地質勘查過程中，采用三種物探方法對地下地質構造進行勘探，結果表明，物探方法在隧道地質勘查過程中具有成本低、精度高、破壞性小的特點。

參考文獻

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