綜合地質(zhì)勘探方法在隧道勘察中的運(yùn)用

安 彬

(銅仁市公路勘察設(shè)計(jì)院)

1 隧道勘查地區(qū)基本地質(zhì)概況

1.1 自然地理

測(cè)區(qū)山坡上植被茂盛，以松樹、灌木及雜草為主，山間溝谷發(fā)育，沖溝植被發(fā)育，有小溪終年流水。

1.2 地形地貌

勘查區(qū)域?yàn)樯絽^(qū)地貌，地質(zhì)剝蝕現(xiàn)象明顯，山谷“V”字形分布，地形坡度20°～30°。場(chǎng)區(qū)東端及西端各發(fā)育一條沖溝，溝內(nèi)植被發(fā)育。山頂高程162 m 左右，溝谷地面高程約63 m。

1.3 地層構(gòu)造

邊坡區(qū)地層巖性主要為滑塌堆積層、第四系坡殘積土及泥盆系片巖、石英巖。受區(qū)域構(gòu)造影響，場(chǎng)區(qū)內(nèi)存在小斷層，節(jié)理很發(fā)育，裂隙雜亂，節(jié)理主體方向與坡向基本相近，巖體破碎。

1.4 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水按其賦存特征和類型可分為坡殘積土層孔隙水和基巖裂隙水，均靠大氣降水補(bǔ)給，其徑流方向受地形影響，一般隨地形由高向低排泄。

2 綜合物探法在隧道勘查中的運(yùn)用

2.1 瑞雷波法

(1)工作原理。

通常條件下，不同的地質(zhì)條件下的地層內(nèi)部能量波傳播的特征是不同的。瑞雷波發(fā)正是基于這一原理，通過(guò)向勘測(cè)區(qū)域地層發(fā)射瑞雷波，并通過(guò)優(yōu)化布設(shè)的檢波器對(duì)傳播特性進(jìn)行測(cè)量的方式獲得基本地質(zhì)信息。以一定的道間距Δx 設(shè)置N+1 個(gè)檢波器，就可以檢測(cè)到瑞雷達(dá)波在NΔx 長(zhǎng)度范圍內(nèi)的傳播過(guò)程，設(shè)瑞雷波的頻率為fi，相鄰檢波器記錄的瑞雷波的時(shí)間差為Δt 或相位差為Δφ，則相鄰道Δx 長(zhǎng)度內(nèi)瑞雷波的傳播速度為

VR=Δx/Δt 或VR=2πfiΔx/Δφ

測(cè)量范圍NΔx 內(nèi)平均波速為

在同一地段測(cè)量出一系列頻率的VR值，就可以得到一條VR－f 曲線，即所謂的頻散曲線或轉(zhuǎn)換為VR－λR曲線，λR為波長(zhǎng)

曲線或VR－λR曲線的曲線或曲線的變化規(guī)律是勘測(cè)區(qū)域地質(zhì)條件的客觀表現(xiàn)，結(jié)合勘測(cè)區(qū)域以往的地質(zhì)測(cè)繪與勘查信息可進(jìn)一步獲得合理的頻散曲線反演解釋，進(jìn)而獲得更為準(zhǔn)確的地質(zhì)巖土的物理性質(zhì)。圖1 為瑞雷波法探測(cè)原理示意圖。

圖1 瑞雷波法探測(cè)原理示意圖

(2)儀器設(shè)備。

淺層地震勘探采用北京市水電物探研究所SWS 型多波列數(shù)字圖像工程勘探與工程檢測(cè)儀。主要技術(shù)指標(biāo)道數(shù):24，A/D 轉(zhuǎn)換:20 位，頻帶寬度:0.5～4 000 Hz，采樣率:10 μs～20 ms，采樣長(zhǎng)度:5.12 ms～16 000 s。

(3)野外工作方法。

根據(jù)勘探目的和地質(zhì)體物性特點(diǎn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)方法試驗(yàn)確定符合實(shí)際情況的技術(shù)方法和參數(shù)。本次瑞雷波法勘察采用1Hz 檢波器，18 磅重錘錘擊震源，12 道接收，偏移距10～30 m，道間距1 m，采樣間隔0.25 ms，記錄長(zhǎng)度2 048 ms，通頻帶寬0～4 000 Hz。

2.2 高密度電法

(1)工作原理。

高密度電法隧道地質(zhì)勘探同樣基于對(duì)不同地層間導(dǎo)電性差異的勘測(cè)而獲得地質(zhì)勘查信息這一基本方法。和常規(guī)電法一樣，它通過(guò)A、B 電極向地下供電(電流為I)，然后測(cè)量M、N 極電位差△U，從而求得該記錄點(diǎn)的視電阻率值ρs=K×△U/I，進(jìn)而分析計(jì)算獲得的電阻率數(shù)值獲取以電阻率為表征的地質(zhì)特征。高密度電法集的勘測(cè)點(diǎn)更為密集，獲得的信息也更為全面，通過(guò)對(duì)大量測(cè)量信息的處理能夠獲得更為準(zhǔn)確的地質(zhì)構(gòu)造勘測(cè)結(jié)果，同時(shí)隨著眾多信息軟件以及處理終端的更新和發(fā)展，大數(shù)據(jù)應(yīng)用速度逐漸加快，勘測(cè)信息的處理速度同樣會(huì)有進(jìn)一步的提升。

(2)儀器設(shè)備。

電法勘探采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)DUK－2 型高密度電法測(cè)量系統(tǒng)。該儀器具有存儲(chǔ)量大、測(cè)量準(zhǔn)確快速、操作方便等特點(diǎn)，由60 路電極轉(zhuǎn)換器控制，16 種排列組合裝置，最大供電電壓1 000 V，最大供電電流5A，可存儲(chǔ)400 條剖面數(shù)據(jù)，可與計(jì)算機(jī)串行通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

(3)野外工作方法。

λR=VR/f

本次高密度電法野外施工采用了采集數(shù)據(jù)量最多、測(cè)量精度較高的“溫納—施倫貝爾剖面(WS2)”裝置。電極極距3 m，溫施裝置系數(shù)5，最小隔離系數(shù)1，最大隔離系數(shù)28。野外測(cè)量數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行初步處理，做出初步的推斷解釋，對(duì)異常點(diǎn)及突變點(diǎn)進(jìn)行檢查測(cè)量，以確保數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

3 測(cè)線布置及完成的工作量

本次勘察的測(cè)線布置勘察方案及場(chǎng)地實(shí)際施工條件進(jìn)行布設(shè)。測(cè)線根據(jù)邊坡施工放樁及公路中線里程樁進(jìn)行控制，利用皮尺量距進(jìn)行布設(shè)。實(shí)際完成工作量詳見(jiàn)表1，測(cè)線實(shí)際布設(shè)情況詳見(jiàn)附圖1 物探剖面布置及勘探成果平面圖(注:測(cè)線位置以公路中心樁號(hào)為起點(diǎn))。

表1 物探完成工作量統(tǒng)計(jì)表

4 數(shù)據(jù)處理及解釋

4.1 瞬態(tài)瑞雷波法

瞬態(tài)瑞雷波法處理流程如下。

(1)收集整理勘測(cè)結(jié)果，初步處理原始資料，確保信息的準(zhǔn)確性;

(2)以勘測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)，按照相關(guān)換算公式計(jì)算不同勘測(cè)頻率對(duì)應(yīng)的瑞雷波速度;

(3)數(shù)據(jù)處理軟件端選取面波時(shí)間—空間信息處理界面;

(4)以原始資料處理得到的頻率與波數(shù)為參數(shù)獲得面波;

(5)按照獲得的面波進(jìn)行頻散分析，求取頻散曲線圖;

(6)遵照求取的頻散曲線，初步分析勘測(cè)區(qū)域瑞雷波在地質(zhì)層數(shù)和各層速度變化;

(7)深入研究瑞雷波在勘測(cè)區(qū)域地質(zhì)條件下的傳播特征，通過(guò)反復(fù)的擬合計(jì)算確定各層的準(zhǔn)確厚度，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行定量解釋;

(8)根據(jù)反演的結(jié)果繪制成彩色的地層瑞雷波波速影像圖。下圖2 為勘探區(qū)域剖面面波波速影像圖。

圖2 勘探區(qū)域剖面面波波速影像圖

4.2 高密度電法

使用高密度電法進(jìn)行隧道地質(zhì)勘查時(shí)，其勘查資料的處理通常需要將測(cè)量?jī)x器內(nèi)的信息導(dǎo)出到數(shù)據(jù)處理終端，對(duì)于原始資料進(jìn)行初步處理，如壞點(diǎn)刪除、地形校正、格式轉(zhuǎn)換等系列步驟，繼而在勘探數(shù)據(jù)處理軟件的協(xié)助下繪制出勘測(cè)區(qū)域的地質(zhì)電阻率等值線圖。最終通過(guò)地層電阻率的特征進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造解釋，繪制出物探成果圖，為進(jìn)一步的隧道工程設(shè)計(jì)施工提供參考。下圖3 為高密度電法視電阻率等值線圖。

圖3 高密度電法視電阻率等值線圖

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，作為當(dāng)前隧道工程建設(shè)中最為全面的勘查方式，綜合勘探法在實(shí)際應(yīng)用中收到了較好的效果，獲得了行業(yè)的廣泛認(rèn)可。工程行業(yè)施工建設(shè)人員，應(yīng)提高對(duì)綜合地質(zhì)勘探技術(shù)應(yīng)用的重視程度，努力學(xué)習(xí)接受新型技術(shù)發(fā)展，通過(guò)科學(xué)合理選擇勘探方式，提高隧道工程地質(zhì)勘查準(zhǔn)確性，為工程建設(shè)提供更為詳細(xì)準(zhǔn)確的參考信息。

［1］劉慧明，王輝.綜合勘察技術(shù)在沿江高速公路中的運(yùn)用［J］.工程與建設(shè)，2009，(6).

［2］盧爾兵.淺談公路隧道的勘察設(shè)計(jì)和施工方法［J］.煤炭工程，2009，(8).

［3］李桂龍.高密度電法在巖溶地質(zhì)勘察中的應(yīng)用［J］.中國(guó)西部科技，2011，(15).