西成客運專線長大隧道涌水特征與物探資料的對比分析

羅文藝

（1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司地質(zhì)路基設計處，陜西西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室，陜西西安 710043）

長大隧道水文地質(zhì)勘察主要借助于遙感、地面調(diào)查、鉆探及物探等手段。遙感和地面調(diào)查只能基于平面及淺地表調(diào)查推斷隧道地質(zhì)特征。鉆探能直觀揭露隧道水文地質(zhì)特征，然而其勘探成本高、周期長、并且以點概面，有其局限性。物探手段經(jīng)濟，直觀，高效，目前已成為長大隧道圍巖劃分、富水性分區(qū)、涌水量預測計算的重要手段。

多年的勘察實踐表明，怎樣將物探解譯成果應用到水文地質(zhì)勘察中還是一個十分復雜的技術難題。徐則民等［1］通過地球化學、深部物探及常規(guī)物探等手段，對渝懷鐵路隧道涌水量及隧道疏干影響范圍進行了評估。李堅等［2］根據(jù)電阻率值，將異常分為Ⅴ，Ⅳ，Ⅲ類，對應隧道Ⅴ，Ⅳ，Ⅲ級圍巖?？v觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，基于物探結果反演隧道涌水水文地質(zhì)特征的研究較少［3-9］。西成客運專線長大隧道采用了音頻大地電磁法及高密度電法進行勘探，目前所有隧道均已施工貫通。

本文選取秦嶺及大巴山區(qū)10座長大隧道，開展施工涌水水文地質(zhì)特征與物探資料的對比分析，其成果有助于指導隧道水文地質(zhì)勘察設計及提高隧道涌水量預測精度。

1 地質(zhì)概況

西成客運專線西安北至陜川界為秦嶺山區(qū)第一條客運專線鐵路，全線長約344 km。隧道群橫穿秦嶺和大巴山區(qū)，該線既穿越了巖性和地質(zhì)構造復雜的秦嶺山區(qū)，又穿越了巖溶發(fā)育的大巴山區(qū)，長大隧道水文地質(zhì)條件極其復雜，施工風險巨大。

秦嶺山區(qū)地層巖性以變質(zhì)巖、巖漿巖及構造巖為主。變質(zhì)巖系包括泥盆系（D）、志留系（S）、奧陶系（Ο）、寒武系（∈）、震旦系（Z）、元古界（Pt）、太元古界（Ar）地層，巖性為片巖、云母石英片巖、變質(zhì)砂巖、千枚巖、片麻巖、混合片麻巖、大理巖、角閃巖等。巖漿巖主要為印支-燕山期及海西期的巖漿巖，巖性為花崗巖、閃長巖和輝長巖等。構造巖為碎裂巖、糜棱巖、構造角礫巖、斷層角礫、斷層泥等。大巴山區(qū)主要分布一套沉積巖及構造巖地層，包括侏羅系（J）、三疊系（T）、二疊系（P）、志留系（S）、奧陶系（Ο）、寒武系（∈）、震旦系（Z）地層，巖性為砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、頁巖、煤層（線）、礫巖、灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、生物灰?guī)r等。線路所經(jīng)千佛崖組和沙溪廟組部分地段分布油砂巖，勘探發(fā)現(xiàn)局部含原油、天然氣；構造巖為碎裂巖、糜棱巖、構造角礫巖、斷層角礫、斷層泥等。沿線共穿越3 個一級構造單元，5 個二級構造單元，詳見表1。

沿線地下水受氣象、水文、地形地貌、地質(zhì)構造、地層巖性等多種因素控制和影響，不同地貌、不同構造單元呈現(xiàn)不同的水文地質(zhì)特征。地下水主要類型為第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水。

表1 西成客專西安北至陜川界區(qū)域地質(zhì)區(qū)劃

2 物探方法及工程應用

物探具有工效高、成本低、應用廣、透視性強、連續(xù)可追蹤等優(yōu)點，已在鐵路工程及水文地質(zhì)勘察中得到了廣泛的應用：探查構造破碎帶、地層巖性、某些不良地質(zhì)體的分布，探查儲水構造和含水體，測定巖土物理力學參數(shù)，隧道超前地質(zhì)預報，指導合理布置鉆孔等。鐵路水文地質(zhì)勘察常用的物探方法從大類上可分為電法、磁法、彈性波法和綜合測井。各種物探方法都有其適用條件，根據(jù)西成客運專線10座長大隧道的地質(zhì)特征，勘察階段有針對性地采用了音頻大地電磁法及高密度電法進行隧道綜合勘探。

2.1 音頻大地電磁法（AMT）

音頻大地電磁法［10-12］是指觀測頻率范圍（1～20 000 Hz）大致屬于音頻范圍內(nèi)的大地電磁法。大地電磁法首先是由法國地球物理學家卡尼亞于1953年提出，從理論上研究并定義了水平層狀大地的電阻率與地表電場強度與磁場強度的水平分量的比值平方成正比。均勻大地的電阻率為

式中：ρ為均勻大地的電阻率，Ω·m；f為電磁波頻率，Hz；E為地表電場強度，mv/km；H為磁場強度的水平分量，nT。

大地電磁法的理論基礎是電磁場在介質(zhì)傳播中的趨膚效應，也就是說電磁波的頻率越高穿透深度越淺，頻率越低則穿透深度越深。因此，大地電磁法也稱為大地電磁測深法。電磁波由地表向地層深部傳播時，因為能量損失而逐漸衰減。當電磁波的振幅衰減為地表振幅的e-1（e為常數(shù)）倍深度稱為電磁波的趨膚深度。其表達式為

式中：δ為電磁波的趨膚深度；ω為角頻率；μ為磁導率。

由式（2）可以看出，勘探深度δ與地下介質(zhì)的電阻率的平方根成正比，與頻率的平方根成反比。目前，野外數(shù)據(jù)采集儀器常用的有加拿大鳳凰公司的V8 多功能電磁系統(tǒng)（或MTU5A）或美國喬美特利公司的EH4 系統(tǒng)。就 AMT 而言，V8 的觀測頻率范圍為 1～100 00 Hz，而 EH4 的觀測頻率范圍為 10～20 000 Hz。因此，V8勘探深度比EH4更深，但淺部信息V8的盲區(qū)比EH4更大。

2.2 高密度電法

高密度電法［13-15］是根據(jù)直流電源形成的電場分布，測出其不同深度的供電電流強度和地表測量極距間的電位差，求出不同深度地層（或地質(zhì)體）的視電阻率。再通過二維反演獲得地層電阻率的空間分布，進而分析推斷各具有電性差異的地層（或地質(zhì)體）地質(zhì)情況。高密度電法與常規(guī)直流電測深法原理一樣，兩者不同之處在于高密度電法數(shù)據(jù)采集量更大，所反映的地質(zhì)信息更豐富，其缺點是因淺部（0～10 m 深度）數(shù)據(jù)采集量相對沒有直流電測深法多，對淺部地層的劃分不如直流電測深法。

3 長大隧道施工涌水特征與物探資料的對比

西成客運專線為秦嶺山區(qū)的第一條高速鐵路，全線隧道共34 座，其中大于10 km 的特長隧道有7 座，3～10 km 的隧道有10 座。選取其中7 座高風險隧道及3座水文地質(zhì)條件復雜的隧道作為研究對象。10座隧道特征信息見表2。

針對施工揭示的隧道涌水特征，將涌水類型分為：裂隙水不發(fā)育（＜10 L/（min·10 m），干燥、濕潤）、裂隙水較發(fā)育（10～25 L/（min·10 m），偶有滲水）、裂隙水發(fā)育（25～125 L/（min·10 m），經(jīng)常滲水），集中涌水（＞125 L/（min·10 m），突涌水）。物探常根據(jù)電阻率的大小及其在地下的展布形態(tài)來劃分地質(zhì)體及空間特征。根據(jù)電阻率值、電阻率梯度及異常形態(tài)，對全線10座長大隧道物探的電阻率形態(tài)特征綜合分析，總結得出音頻大地電磁法（V8，EH4）揭示的異常類型有6種：敞開貫通型、敞貫串珠型、串珠狀、敞開尖滅型、界面型、圈閉型。高密度電法揭示的異常類型有5 種：敞開貫通型、串珠狀、敞開尖滅型、界面型、圈閉型。10座隧道除阜川隧道未進行物探外，其余隧道物探百分比達25.5%～98.0%，施工揭示的典型涌水段與物探異常段相關性為16.7%～77.8%。10 座長大隧道揭示的典型涌水特征與物探資料的對比分析結果見表3及圖1。

表2 西成客運專線西安北至陜川界長大隧道特征信息

表3 典型涌水特征與物探資料的對比分析結果

圖1 涌水特征與物探異常的相關性

4 特征庫的建立

對西成客運專線10 座長大隧道施工涌水特征及對應的物探異常形態(tài)特征進行正反演綜合分析，建立了11 大類、22 種異常類型對比特征庫，見表4。該表較全面地揭示了隧道物探資料與施工涌水特征的相關性。由表4可見，音頻大地電磁法及高密度電法揭示地表表層出現(xiàn)的大面積低阻區(qū)，敞開貫通型大面積開口低阻區(qū)易受表層覆蓋層、巖體風化層、近場效應及地表電磁干擾等影響，分析預測時應對此類低阻異常區(qū)予以甄別。敞開尖滅型低阻異常區(qū)受高阻屏蔽的影響，容易出現(xiàn)漏判，對于低阻區(qū)距離路肩較近（50～100 m）、節(jié)理裂隙較發(fā)育的段落裂隙水可能發(fā)育。音頻大地電磁法及高密度電法揭示的敞開貫通型、敞貫串珠型、串珠狀及部分敞開尖滅型、界面型低阻異常類型與裂隙水發(fā)育及集中涌水具有較好的相關性。

表4 施工涌水水文地質(zhì)特征與物探資料對比分析特征庫

5 結論及建議

1）選取的10座長大隧道中大秦嶺隧道、房家灣隧道及漆樹壩隧道物探率大于65%，清涼山隧道、老安山隧道、得利隧道、福仁山隧道及何家梁隧道物探率為40%～50%，天華山隧道物探率僅為25.5%。因此，勘察設計階段應盡量采用物探貫通隧道，為隧道涌水特征預判提供翔實的物探數(shù)據(jù)，勘探深度應達路肩以下一定深度。

2）10座長大隧道共揭示物探異常86段，與物探相關的典型涌水40 段，平均相關性達46.5%，其中得利隧道、何家梁隧道2 座隧道物探與涌水的相關性高達70%。涌水段物探均存在低阻異常區(qū)，涌水段較低阻異常段偏移約50～100 m。

3）音頻大地電磁法對宏觀典型物性差異帶如斷層及巖性分界線富水性預測分辨率較高，高密度電法對150 m 范圍內(nèi)低阻異常具有較高的分辨率?？辈煸O計階段應根據(jù)不同的區(qū)域特征、地層巖性及隧道埋深選用適宜的物探方法。

4）音頻大地電磁法及高密度電法揭示的敞開貫通型、敞貫串珠型、串珠狀及部分敞開尖滅型、界面型物探低阻異常類型與裂隙水發(fā)育及集中涌水具有較好的相關性。音頻大地電磁法及高密度電法揭示的圈閉型、界面型及部分敞開尖滅型物探低阻異常類型與裂隙水不發(fā)育具有較好的相關性。

5）基于秦嶺山區(qū)（以巖漿巖及變質(zhì)巖為主）和大巴山區(qū)（以沉積巖為主）建立了隧道物探特征與涌水的特征庫，應用時應將預判隧道與特征庫隧道作類比分析，并結合隧址區(qū)的水文地質(zhì)條件對隧道富水特性進行綜合預判。