隧道勘察中物探和鉆探方法結(jié)合應(yīng)用分析

楊 可

(山西省地勘局二一四地質(zhì)隊(duì)，山西 運(yùn)城 044000)

鉆探方法是傳統(tǒng)的隧道勘察方法，在隧道勘察中占據(jù)著重要地位，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和勘察工作要求的日益提高，鉆探方法的準(zhǔn)確性差、速度慢等弊端開(kāi)始顯現(xiàn);物探方法的優(yōu)點(diǎn)在于準(zhǔn)確性高、速度快且不會(huì)損傷被測(cè)對(duì)象，但是其操作較為復(fù)雜，難以單獨(dú)有效進(jìn)行。所以，在實(shí)際隧道勘察中，將物探與鉆探相結(jié)合是一種必然選擇，本文就對(duì)幾種常見(jiàn)的兩者結(jié)合應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了探析。

1 鉆探、物探技術(shù)概述

1.1 鉆探和物探技術(shù)

1)鉆探技術(shù)。鉆探技術(shù)是最為傳統(tǒng)的隧道勘察技術(shù)，在近些年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，鉆探技術(shù)水平有了很大提高，各種新鉆探技術(shù)不斷出現(xiàn)，比如空氣鉆探技術(shù)、繩索取芯鉆探技術(shù)、液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)和受控定向鉆探技術(shù)等，相配套的鉆探機(jī)械設(shè)備也日益更新，鉆探所能達(dá)到的深度日益增大，對(duì)勘察工作的順利開(kāi)展發(fā)揮了重要作用［1］。

鉆探技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于其勘察結(jié)果較為直接，能夠準(zhǔn)確判斷出地質(zhì)中巖土層的組成情況，操作較為簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)也比較明顯，包括施工成本較高、探測(cè)結(jié)果不能全面反映整個(gè)地區(qū)地質(zhì)情況等。

2)物探技術(shù)。物探技術(shù)是利用物理學(xué)原理進(jìn)行勘察的一種方法，比如測(cè)量物質(zhì)的電性、密度和波的傳播特點(diǎn)等，常見(jiàn)的物探技術(shù)主要有電阻率技術(shù)、輸變電磁技術(shù)、地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)、瑞雷波法和聲波探測(cè)以及放射性測(cè)井法等多種，多種多樣的物探技術(shù)分別有著不同的適用條件，可以根據(jù)勘察的實(shí)際需求進(jìn)行選用，對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下勘察工作的進(jìn)行有著重要意義。

物探技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于不需要大量的人力、物力參與，能夠通過(guò)地面表面的探測(cè)得到深層地質(zhì)的情況，且勘察的覆蓋范圍相對(duì)較廣;其缺點(diǎn)主要是要求測(cè)量人員必須有較高專(zhuān)業(yè)知識(shí)水平，勘察結(jié)果容易受其他因素干擾出現(xiàn)誤差。

1.2 鉆探和物探技術(shù)結(jié)合的意義與應(yīng)用

鉆探和物探技術(shù)的結(jié)合，綜合了兩種勘察方法的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于勘察工作效率的提高、勘察結(jié)果準(zhǔn)確性的提升有著重要意義，解決了鉆探施工中不安全問(wèn)題，對(duì)于當(dāng)前勘察工作水平的提高有著重要意義，被廣泛運(yùn)用于以下幾個(gè)方面:

首先，水文情況的探查。水文情況是影響各種地下工程開(kāi)展的重要因素，在實(shí)際建設(shè)當(dāng)中，有許多安全事故都是由于地下水因素引起的，通過(guò)鉆探和物探結(jié)合的技術(shù)，能夠?qū)Φ叵滤那闆r進(jìn)行詳細(xì)了解，辨別其分布情況，有效防止水害問(wèn)題發(fā)生。

其次，地質(zhì)構(gòu)造斷層與巖石破碎程度的探查。近些年來(lái)，我國(guó)的隧道、建筑等基礎(chǔ)工程設(shè)施建設(shè)不斷加快，對(duì)于地質(zhì)勘查的精確度提出了更高要求。在隧道或大型建筑的施工當(dāng)中，如果對(duì)地質(zhì)情況了解不夠深入，極容易引起安全事故，而通過(guò)物探的方法，能夠?qū)Φ刭|(zhì)構(gòu)造斷層和巖石破碎程度做出準(zhǔn)確判斷。比如電阻率法，能夠根據(jù)水平巖層的不同電阻率，分析出巖層的物性變化，進(jìn)而確定巖層構(gòu)成成分與斷層情況;錘擊法則可以根據(jù)建筑物樁基對(duì)外部力的應(yīng)變情況，分析出樁體的承載力水平，進(jìn)而確定地質(zhì)內(nèi)巖石是否有破碎情況，采取合理的措施進(jìn)行應(yīng)對(duì)，保證工程安全。

第三，對(duì)采空區(qū)的探查。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，在采空區(qū)上建設(shè)的高層建筑數(shù)量不斷增加，為保證建筑物的安全，就需要對(duì)采空區(qū)地基穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，單純的物探或者鉆探顯然無(wú)法滿(mǎn)足此要求，而借助鉆探和物探結(jié)合的技術(shù)，可以精確探查采空區(qū)的發(fā)育和充填現(xiàn)狀，進(jìn)而得到采空區(qū)穩(wěn)定性的有效數(shù)據(jù)，最大程度的保證了建筑工程的安全［2］。

2 鉆探和物探結(jié)合應(yīng)用的技術(shù)

2.1 淺層地震法

淺層地震法的基本原理是巖土介質(zhì)中地震波傳播規(guī)律，根據(jù)波動(dòng)理論可知，由于不同巖土層在波阻抗上存在差異，會(huì)對(duì)經(jīng)過(guò)的地震波產(chǎn)生不同的反射，根據(jù)對(duì)反射結(jié)果的分析就可以得到隧道地層情況，是一種較為成熟的勘察方法，能夠有效探測(cè)出淺部的地質(zhì)構(gòu)造情況或巖土層的相關(guān)參數(shù)，尤其適用于物性分層和構(gòu)造帶尋找方面。

淺層地震法所得波形解釋遵循的原則有兩條，第一，對(duì)于同一完整連續(xù)的巖層，其地震波具有形狀相似、周期相同的特點(diǎn)，在同相軸上表現(xiàn)出光滑特征，地震波的連續(xù)性較強(qiáng)，能夠整體反映巖層的變化;第二，在巖溶或者破碎帶區(qū)域，地震波會(huì)受地質(zhì)條件影響，發(fā)生散射、繞射等現(xiàn)象，此時(shí)得到波形會(huì)呈現(xiàn)出畸變、凌亂、不連續(xù)的特點(diǎn)。

在淺層地震數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，首先要將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式，將噪聲、壞道等不良數(shù)據(jù)去除，然后再進(jìn)行共深點(diǎn)迭加，靜態(tài)校正，使用速度掃描分析的方式進(jìn)行動(dòng)校迭加，從而取得其時(shí)間斷面，綜合相關(guān)分析結(jié)果得到勘察隧洞中不同巖土層縱波的速度，進(jìn)而繪制出工程地質(zhì)斷面圖［3］。

2.2 音頻大地電磁法

音頻大地電磁法是一種在大地電磁法基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的技術(shù)，其基本原理與大地電磁法相同，是依據(jù)麥克斯韋方程組完整統(tǒng)一電磁場(chǎng)理論進(jìn)行勘察結(jié)果反演的，其工作示意圖如圖1所示。

在音頻大地電磁法當(dāng)中，其物理學(xué)基礎(chǔ)是大地電阻率和信號(hào)頻率之間存在著直接關(guān)系，在大地電阻率改變時(shí)，信號(hào)頻率會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，從而得到相應(yīng)的探測(cè)數(shù)據(jù);音頻大地電磁法測(cè)量的數(shù)據(jù)是彼此正交的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，并將兩者相比得到波阻抗，最終經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算得到地下介質(zhì)的視電阻率，從而判斷地下情況。

圖1 音頻大地電磁法工作示意圖

音頻大地電磁法常用的測(cè)量方式是標(biāo)量測(cè)量，其使用的基本流程是收集測(cè)量區(qū)域附近的相關(guān)地質(zhì)資料，對(duì)地質(zhì)構(gòu)造情況和地形特征進(jìn)行初步了解，然后設(shè)計(jì)合適的觀測(cè)系統(tǒng)，采取TM 觀測(cè)方式進(jìn)行觀測(cè)，再次布設(shè)發(fā)射源并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，最后對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析［4］。

在探測(cè)方法中，發(fā)射源的布設(shè)和參數(shù)設(shè)置是最為重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)，其中，發(fā)射源布設(shè)應(yīng)該遵循以下幾點(diǎn)原則:

1)在野外測(cè)量時(shí)，通常選用電偶極發(fā)射源，將發(fā)射偶極子長(zhǎng)度控制在1 km～3 km，與發(fā)射偶極相連接的電纜要有超過(guò)2 mm的直徑，降低接入電阻值;2)發(fā)射偶極子與測(cè)線盡量平行，如果不平行則夾角要小于15°，所有發(fā)射偶極子盡量在同一水平面上，避免出現(xiàn)高差過(guò)大問(wèn)題。

2.3 高密度電法

高密度電法也被叫做自動(dòng)電阻率系統(tǒng)，是在直流電法基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的一種陣列勘察方法，綜合了四極測(cè)深和電剖面法的功能。高密度電法是利用巖土介質(zhì)電阻的不同，使用電極發(fā)電在地下形成人工電場(chǎng)，通過(guò)觀察電場(chǎng)分布特點(diǎn)，來(lái)分析地下介質(zhì)的視電阻率分布情況，進(jìn)而推斷出測(cè)量區(qū)域地質(zhì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

高密度電法的優(yōu)點(diǎn)在于所得圖像較為直觀，其分辨率較高，對(duì)于提高測(cè)量精確度有著重要作用;但由于地下水本身也有電阻率，所以，當(dāng)?shù)刭|(zhì)中含有較多水時(shí)，高密度電法測(cè)量的地質(zhì)電阻率會(huì)受到干擾，影響其最終測(cè)量結(jié)果。

高密度電法資料處理的流程是:利用傳輸系統(tǒng)將儀器測(cè)量的信息傳遞到計(jì)算機(jī)中，先對(duì)測(cè)量信息進(jìn)行壞點(diǎn)刪除、地形校正、格式轉(zhuǎn)換，再把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到專(zhuān)門(mén)的處理軟件當(dāng)中，利用軟件功能得到相應(yīng)的視電阻率等值線圖，最后，根據(jù)等值線圖上視電阻率信息，結(jié)合已有地質(zhì)資料，對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)解釋?zhuān)⒗L制出物探成果解釋圖(高密度電法視電阻率成像圖)［5］。

通常而言，如果勘察區(qū)域內(nèi)巖體完整，那么視電阻率的灰階圖像會(huì)呈現(xiàn)出層狀分布特點(diǎn)，也就是說(shuō)，在地面表層下，沿著垂直方向，視電阻率會(huì)不斷升高，如果遇到?jīng)_積層或覆蓋層，視電阻率會(huì)表現(xiàn)出顯著的變化;若是巖體中有破碎帶或者軟中層等容易滲水的通道，那么視電阻率圖像會(huì)在中層上發(fā)生狀態(tài)改變，呈現(xiàn)出橢圓形或條帶狀的低阻色塊，使得某些層位被錯(cuò)開(kāi)、拉伸發(fā)生畸變。

3 結(jié)語(yǔ)

鉆探與物探方法在實(shí)際勘察中單獨(dú)運(yùn)用都存在著一定的弊端，不符合當(dāng)前隧道勘察工作的實(shí)際需求，所以，在結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將兩種方法結(jié)合應(yīng)用于實(shí)際勘察工作中，通過(guò)勘察結(jié)果之間的互相對(duì)照比較分析，不僅可以更加準(zhǔn)確全面的掌握被測(cè)對(duì)象圖形資料，而且可以有效提高勘察工作效率，對(duì)于隧道勘察工作水平的提升有著重要作用。

［1］范全林.隧道勘察中物探和鉆探方法結(jié)合應(yīng)用淺析［J］.中國(guó)勘察設(shè)計(jì)，2014(6):86-88.

［2］鐘小飛，張 鵬.物探方法和鉆探方法相結(jié)合在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用［J］.江西建材，2013(6):320-321.

［3］程耀榮.物探與鉆探在工程地質(zhì)勘察中的具體應(yīng)用［J］.河南科技，2013(4):70.

［4］朱 超.鉆探—物探方法在淺層采空區(qū)探查中應(yīng)用［J］.中國(guó)科技信息，2012(17):57.

［5］陳寶柱.物探方法和鉆探方法相結(jié)合在工程地質(zhì)勘察中的運(yùn)用［J］.黑龍江科技信息，2014(30):114.