綜合物探方法在廈蓉高速擴(kuò)建龍巖段邦山隧道塌陷病害勘察中的應(yīng)用

■傅慶凱

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 450004)

1 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，鐵路、公路也得到了進(jìn)一步的發(fā)展，而巖溶與斷層等不良地質(zhì)體對鐵路、公路中隧道的施工有著很大的危害，時(shí)常發(fā)生塌陷、透水事故，輕則造成國家財(cái)產(chǎn)的損失，重則危及他人生命。因此，對于即將施工的隧道進(jìn)行不良地質(zhì)體的勘察具有十分重要的意義。

我國對隧道的探測目前仍以鉆探方法為主，但近幾年發(fā)展起來的地球物理方法發(fā)揮的作用越來越大。常用的物探方法有：地震反射波法、電磁測深法、彈性波CT法、高密度電法、瞬變電磁場法等等[1-7]。其中，EH4法和高密度電阻率法是一種高效的工程地球物理方法，具有檢測速度快、采集密度大、信息量豐富、檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于各類工程檢測中。李軍等(2010)在對水庫大壩塌陷勘測中，選擇高密度電法進(jìn)行塌陷勘查，取得了良好的效果，查明了塌陷區(qū)的范圍[8]。王燁等(2009)使用EH4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)對宜(昌)萬(州)線大支坪隧道工程進(jìn)行了勘察，結(jié)果證明該方法在灰?guī)r地區(qū)巖溶洞穴及斷裂構(gòu)造探測方面具有較好效果[9]。孫英勛等(2008)使用高頻大地電磁對南貢山隧道的軟弱層、巖溶洞穴及斷層的賦存情況進(jìn)行了超前的宏觀預(yù)測，避免了施工風(fēng)險(xiǎn)和預(yù)防了施工過程中可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害[10]。

2 綜合物探方法的基本原理

2.1 EH4法的基本原理

高頻大地電磁法的原理與傳統(tǒng)的MT法一樣，它是利用宇宙中的太陽風(fēng)、雷電等入射到地球上的天然電磁場信號(hào)和人文活動(dòng)產(chǎn)生的電磁場信號(hào)作為激發(fā)場源，又稱一次場，所不同的是高頻大地電磁法主要利用一次場的高頻部分(10Hz～100kHz)，作為激勵(lì)場源，人文活動(dòng)產(chǎn)生的電磁場信號(hào)為其主體。由電磁場理論可知，當(dāng)該一次場是平面電磁波時(shí)，垂直入射到介質(zhì)中，大地介質(zhì)中將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電磁場，此感應(yīng)電磁場與一次場是同頻率的，引入波阻抗Z。在均勻大地和水平層狀大地情況下，波阻抗是電場E和磁場H的水平分量的比值。

2.2 高密度電法的基本原理

高密度電法屬直流電阻率法，其基本工作原理與常規(guī)電阻率法大體相同。所不同的是在觀測中布設(shè)了高密度的觀測點(diǎn)，實(shí)際上是一種陣列式電阻率測量方式[11]。它是一種以巖(礦)石的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)[12]的電探方法。通過供電電極A、B向地下供電流I，然后在測量電極M、N間測量電位差ΔV，從而可求得該點(diǎn)(MN中點(diǎn))的視電阻率值。

通過對地表不同部位人工電場的測量，得到視電阻率ρs的分布情況(見圖3)，根據(jù)巖土介質(zhì)視電阻率的分布推斷解釋地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)。高密度電法兼具電剖面法與電測深法的優(yōu)點(diǎn)，采集信息豐富，分辨率較高，且野外場地要求不高，外業(yè)數(shù)據(jù)采集可操作性強(qiáng)。

圖1 EH4電磁成像系統(tǒng)工作裝置布置圖

3 綜合物探方法的野外工作方法及數(shù)據(jù)處理

3.1 EH4法的野外工作方法及數(shù)據(jù)處理

野外實(shí)測時(shí)，以測線方向?yàn)閤軸，我們就是以線路為測線，垂直測線方向?yàn)閥軸，在測點(diǎn)上沿x方向和y方向布置兩組相互垂直的電極和磁探頭，采用“十”字形方式布極。根據(jù)地物、地形條件，各個(gè)測點(diǎn)的電極距為20m，點(diǎn)距20m，布極方向分別平行和垂直于測線(見圖1)。

EH4通過接收地面電磁波來實(shí)現(xiàn)電阻率的測深。連續(xù)的測深點(diǎn)可以組成地下二維電阻率剖面。這一過程是這樣的：首先采集野外電磁場信號(hào)，然后將之傳到主機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理，生成四個(gè)文件：測量文件、時(shí)間序列文件、功率譜文件和阻抗文件。

該系統(tǒng)工作的具體流程見圖2。

圖2 系統(tǒng)工作的具體流程

3.2 高密度電法的野外工作方法及數(shù)據(jù)處理

高密度電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[13，14]主要由主機(jī)、多路電極轉(zhuǎn)換器、電極系三部分組成。多路電極轉(zhuǎn)換器是通過電纜控制電極系中各電極的供電與測量狀態(tài)；主機(jī)通過通訊、供電電纜向多路電極轉(zhuǎn)換器發(fā)出工作指令、向電極供電并接收、存貯測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集結(jié)果自動(dòng)存入主機(jī)，主機(jī)通過軟件把原始數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成要求的數(shù)據(jù)格式，經(jīng)畸變點(diǎn)剔除、地形校正等預(yù)處理后，繪制視電阻率等值線圖。結(jié)合地質(zhì)資料做出地質(zhì)解釋，并繪制出地質(zhì)解釋斷面圖。其數(shù)據(jù)處理與解釋流程見圖3。

4 工程概況

本文以廈蓉高速擴(kuò)建龍巖段邦山隧道塌陷病害勘察為例，論述綜合物探方法在高速公路地質(zhì)病害探查的勘察效果。該隧道位于龍巖市紅坊鎮(zhèn)，穿越近南-北向展布的低山區(qū)，山體最大高程約579.1m，為分離式雙線雙洞隧道。隧道區(qū)屬構(gòu)造-剝蝕低山地貌，地形起伏較大，山坡較陡，自然坡度 25～35°，局部達(dá) 40～45°，山脊(頂)平緩。

圖3 數(shù)據(jù)處理與解釋流程

龍巖地區(qū)屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，場區(qū)上覆坡殘積粘性土、碎石(Qel-dl)，下伏基巖二疊系下統(tǒng)童子巖組(P1t)、棲霞組(P1q)粉砂巖和灰?guī)r、泥盆系上統(tǒng)安砂群桃子坑組(D3tz)石英砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、千枚狀砂巖及風(fēng)化層，地層產(chǎn)狀 290°∠25～35°。

從物性特征來看，地表土壤及粘土層電阻率較低，灰?guī)r電阻率很高。灰?guī)r中的巖溶一般充水或有粘土充填物，電阻率變低。因此，沿深度方向電阻率在各層介質(zhì)中分布規(guī)律的差異較明顯，在各介質(zhì)分界面視電阻率存在明顯的電性差異，為塌陷區(qū)物探勘察提供良好的條件。

5 物探工作布置及異常成果解釋

5.1 物探工作布置

本次任務(wù)主要是運(yùn)用綜合物探與鉆孔驗(yàn)證相結(jié)合，查明邦山隧道塌陷區(qū)巖溶地質(zhì)特征和構(gòu)造。在初勘、詳勘設(shè)計(jì)階段，在原線位上依次布設(shè)了EH4法左、右線貫通該隧道，文中只截取塌陷區(qū)范圍內(nèi)工作量進(jìn)行分析，測線名稱SW1、SW2；在施工期間，分別在2017年4月6日和2017年4月14日，ZK145+100的位置附近發(fā)生兩次泥突，同時(shí)，在地表發(fā)生兩處塌陷，具體位置間圖4所示，施工停止作業(yè)，為查明塌陷區(qū)巖溶地質(zhì)特征，物探新增布置了兩條平行高密度電法剖面，測線名稱SW3、SW4；測線、地形情況見圖4、表1。

5.2 異常成果解釋

大地電磁測深法(MT)是一種以天然電磁場為場源的地球物理方法，該方法同其他地球物理方法相比具有探測深度大、不受高阻層屏蔽、可探測深層隱伏地質(zhì)構(gòu)造、對低阻層反映靈敏等優(yōu)點(diǎn)。下面主要從深層構(gòu)造方面解釋。

圖4 物探布置平面圖(比例尺1：1000)

表1 物探設(shè)計(jì)工作量表

縱觀SW1、SW2測線EH-4大地電磁測深地質(zhì)斷面圖，發(fā)現(xiàn)兩圖中電阻率分布情況基本一致，說明EH4法數(shù)據(jù)的可靠性，見圖5、6。電阻率分布整體呈現(xiàn)上低下高的趨勢，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)及鉆孔CK622A、XS90、XS91(鉆孔平面位置，見圖4)，推測上部為砂巖、灰?guī)r等，深部為高阻花崗巖侵入體。根據(jù)電阻率橫向分布并結(jié)合地質(zhì)資料推測，SW1測線測點(diǎn)BS-48到BS-53處及BS-59到BS-67處電阻率異常變化為斷層反映，其中，BS-48到BS-53處斷層 F135產(chǎn)狀為 285°∠80°，BS-59到 BS-67處斷層F135a產(chǎn)狀為 300°∠70°。SW2測線測點(diǎn) BSY-2到 BSY-6處及BSY-10到BSY-18處電阻率異常變化為斷層反映，其中，BSY-2到 BSY-6處斷層 F135產(chǎn)狀為 285°∠80°，BSY-10到BSY-18處斷層F135a產(chǎn)狀為300°∠70°。另外，值得注意的是測區(qū)內(nèi)有多條高壓線與測線相交(見圖示位置)，高壓線附近測點(diǎn)數(shù)據(jù)受影響，不是很可靠。

下面主要從前層塌陷區(qū)巖溶發(fā)育方面解釋。

從SW3、SW4測線高密度等視電阻率圖電性分布情況來看，發(fā)現(xiàn)兩圖中電阻率分布情況基本一致，說明高密度電法數(shù)據(jù)的可靠性，同時(shí)與EH4法電性分布具有高度相似性，說明兩種方法在此處的成果是有效的。從高密度成果結(jié)合區(qū)域地質(zhì)、鉆孔XS90、XS91(鉆孔平面位置見圖4)來看，在構(gòu)造異常方面，結(jié)合前期EH4成果分析，測點(diǎn)8到11處及26到33處電阻率異常變化為斷層反映，其中，8到 11處斷層F135產(chǎn)狀為 285°∠80°，26到 33處斷層F135a產(chǎn)狀為300°∠70°，斷層產(chǎn)狀與前期EH4成果一致，具體異常分析見圖7、8。

左線4月6日及4月14日發(fā)生突泥處表現(xiàn)為相對低阻邊緣。經(jīng)分析推測：4月6日及4月14日突泥處受構(gòu)造影響，在構(gòu)造附近經(jīng)水作用形成溶蝕發(fā)育區(qū)，導(dǎo)致圍巖破碎且含水(含泥)，施工中因擾動(dòng)而發(fā)生突泥現(xiàn)象，并導(dǎo)致地表塌陷。施工建議：受構(gòu)造影響，測點(diǎn)26～33段附近裂隙(或斷層)發(fā)育區(qū)，圍巖破碎，強(qiáng)度低，應(yīng)注意施工安全，防止突泥突水事故。

右線年前突泥處呈現(xiàn)為相對高阻，而4月6日突泥處這表現(xiàn)為低阻。經(jīng)分析推測：年前發(fā)生突泥處的高阻為擾動(dòng)土充填塌陷區(qū)域所致、或?yàn)榛規(guī)r區(qū)內(nèi)溶槽區(qū)填入砂土狀強(qiáng)風(fēng)化砂巖，圍巖本身破碎，施工中因爆破擾動(dòng)而發(fā)生突泥現(xiàn)象，并導(dǎo)致地表塌陷；4月6日突泥處掌子面前上方為低阻區(qū)且位于灰?guī)r區(qū)域內(nèi)，推測為巖溶，并填流塑至軟塑狀填充物，因施工中破壞溶蝕導(dǎo)致突泥。施工建議：受構(gòu)造影響，測點(diǎn)24～31段附近裂隙(或斷層)發(fā)育區(qū)，圍巖破碎，應(yīng)注意施工安全，防止突泥突水事故。

從隧道洞深高程425平面電阻率圖(見圖9)電性分布分析推測：年前發(fā)生突泥處A、4月6日突泥處B、突泥處C、4月14日突泥處D在電性分布上聯(lián)系不強(qiáng)，除B外表現(xiàn)為巖溶異常外，其它區(qū)域推測為因圍巖破碎導(dǎo)致(A、B、C、D的位置見圖9)。圖中從小里程往大里程方向，依次出現(xiàn)4個(gè)低阻異常區(qū)(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)，推斷溶蝕發(fā)育區(qū)。測點(diǎn)23-35段因構(gòu)造F135a經(jīng)過，圍巖破碎。

圖5 SW1測線EH-4大地電磁測深地質(zhì)斷面圖

6 結(jié)論及建議

本文以廈蓉高速擴(kuò)建龍巖段邦山隧道塌陷病害勘察為例，運(yùn)用EH4法和高密度電法等綜合物探方法，結(jié)合地質(zhì)情況對該隧道地下塌陷病害進(jìn)行了解釋推斷，結(jié)果表明塌陷區(qū)巖溶洞穴、斷層的電阻率與圍巖的電阻率有明顯差異，在EH4法與高密度電法率成果剖面圖中表現(xiàn)為低阻異常區(qū)，結(jié)合鉆孔，圈定了塌陷區(qū)溶洞的埋深、大小與規(guī)模，取得良好的地質(zhì)效果。

具體結(jié)論及建議如下：

(1)通過多種物探方法的探測，可以相互驗(yàn)證數(shù)據(jù)、方法的可靠性，多種方法所得電性分布具有高度相似性，說明綜合物探方法的成果是有效的。

(2)通過EH4法的深層構(gòu)造探測和高密度電法的淺層塌陷區(qū)探測，深淺搭配，能夠很好的解決物探方法分辨率的問題。同時(shí)具有較高的勘察效率和較低的勘探成本。

(3)本次探測表明，高密度電法對圍巖的含水情況和溶洞特別敏感，圍巖因斷層破碎含水，其視電阻率明顯降低，完整、堅(jiān)硬巖土的視電阻率明顯高于斷層帶、破碎帶和富水帶圍巖的視電阻率。結(jié)合鉆探及其他物探資料，探測準(zhǔn)確度較高，因此，建議在灰?guī)r地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害勘察中，首先采用高密度電法并輔以其他物探方法進(jìn)行普查，必能起到事半功倍的效果。

圖6 邦山隧道SW2測線EH-4大地電磁測深地質(zhì)斷面圖

圖7 SW3測線高密度電法左線物探成果剖面

圖8 SW4測線高密度電法左線物探成果剖面

圖9 高程425m平切視電阻率等值線物探成果剖面

巖溶塌陷勘察具有時(shí)間緊迫，精度要求高，驗(yàn)證性強(qiáng)等特點(diǎn)，為此，應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)條件和地質(zhì)任務(wù)，合理地組合優(yōu)化物探方法，通過綜合物探解釋，提高物探成果的精準(zhǔn)程度。邦山隧道塌陷勘察實(shí)踐表明，高密度電法、EH4等綜合物探方法能夠勝任勘察要求，探測土洞發(fā)育，灰?guī)r巖溶，斷裂發(fā)育以及確定灰?guī)r的分布情況，取得較好的地質(zhì)效果，為施工提供合理、有效的建議。