綜合物探方法在復雜環境廢棄礦區勘察中的應用

徐旺興，趙子越

(1.福建省龍巖市城市建設投資發展有限公司，福建 龍巖 364000；2.中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731 )

隨著城市公共交通網的全面拓寬，更多復雜的工程地質問題需要工程科技人員去解決處理[1]，其中，針對廢棄礦區等范圍小、年代久、資料少的情況，單一物探方法的局限性就會被放大，無法準確探明采空區位置和大小，將產生極大的安全隱患[2]。探明廢礦區的工作也是對采礦行業的完美收尾，完善的勘察資料將對后續工作起到極大幫助。為此本文利用綜合物探方法，解決廢棄礦區勘察存在的困難，通過多種方法綜合勘察分析對比，對實際施工進行指導，解決地質先驗信息匱乏的問題，驗證地球物理方法在復雜地質條件下勘察的能力[3,4]。

本文將以華蓮西路二期道路工程地質勘察實際工作為例，其隧道工程穿過資料不完善的廢礦區，還存在富水區的風險，下文將結合綜合物探方法成果進行分析介紹。

1 工程概況

擬建的華蓮西路二期(西外環--紅田路東)道路工程總體呈東西走向，設計起點K0+000位于龍門組團西外環交叉口，位于龍巖市新羅區龍門鎮赤水村；設計終點K2+454.782位于紅田路交叉口以東579.129m，位于龍巖市新羅區紅坊鎮下洋村，道路全長2454.782m。

本次勘察的隧道工程為分離式雙線雙洞隧道，其中左線（即N線）進出口樁號K0+200～K1+320，全長1120m，凈寬10.25×5.0m（寬×高），設計標高393.00～357.399m，設計坡度為-2.697%；右線（即S線）進出口樁號K0+200～K1+380，全長1180m，凈寬10.25×5.0m（寬×高），設計標高387.607～355.78m，設計坡度為-2.697%；左右兩線隧道均屬長隧道，2014年勘察時最大埋深95.20m，洞門型式均采用端墻式。擬建隧道為山嶺隧道，采用礦山法施工。

由于該工區位于龍巖市虎中煤礦采礦區，據調查該地區地質條件復雜，對隧道設計、施工影響很大，且處理難度大，嚴重影響隧道安全。故采取綜合物探方法進行勘察，為后續工作提供有力保障。

2 地質概況

2.1 地形地貌

隧址區屬低山丘陵區地貌，呈雞爪狀地形，洞身地形中部高，兩出口地段地形較低，地形起伏較大。隧道線位內地表最大標高476.28m,最低標高359.68m，相對高差約116.6m。隧道進口位于山體斜坡下部，與等高線斜交，自然斜坡坡度較緩，坡角25°～28°；隧道出口位于山體斜坡下部，與等高線斜交，自然斜坡坡度較陡，坡角52°～56°。山體植被發育，為雜草、灌木，出口段分布少量民房。洞身段分布較多采煤洞（均已廢棄），在K1+070處存在2座高壓電塔，隧道右線從中間穿過。

2.2 地質構造

據鉆探揭露、工程地質調繪成果及對照福建省區域地質圖表明，場地內及其附近無新近形成的活動斷裂。但根據補充地質測繪，隧址區沿線見有較多的小型褶皺及煤層、煤洞，局部見有泥巖軟弱夾層。據前期勘察，隧址區煤系分布無規律性，部分地段夾泥巖，且節理、裂隙傾角大多小于75度，對隧道的穩定性及施工影響較大。且區域內分布有較多的斷層帶，其中對隧道影響較大的斷層有F2、F9、F10、F15、F34等5條斷層，總體走向南北，傾向東的單斜構造，與隧道近垂直相交或大角度斜交。隧址區發現的斷層及破碎帶降低了隧道的圍巖級別，對隧道的穩定性及施工影響較大。

2.3 物探條件綜合分析

隧道所穿越煤礦于2013年3月已關閉，缺失煤礦開采情況的完整資料，此外煤礦還存在無序開采情況；目前煤礦洞口已經封閉，并做了破壞性處理，無法進行礦下調查。其中，礦區內分布較多平洞、斜井、風井及采空區等；并分布有多種主要斷裂構造及兩條破碎帶，洞身段分布較多采煤洞，在K1+070處存在2座高壓電塔，這都對隧道設計、施工影響很大，且處理難度大，嚴重影響隧道安全。洞身段山頂現改造為公園，現狀地面標高約390m～428m，現狀地面下隧道最大埋深約56m。本次綜合物探主要目的是探測隧址區分布的斷裂構造、褶皺核部、采空區、老窯積水等具備物性差異的部位。隧址區現階段洞頂上部開挖整平改造，洞頂上部相對平整，洞身埋深減小(最大埋深約56m)，有利于進行物探測試。

3 綜合物探方法

3.1 高密度電法

（1）工作原理

高密度電阻率法是20世紀發展起來的一種電阻率方法，經過多年的發展和實際應用已經趨于成熟，穩定應用于解決各種工程問題。它結合了電剖面和電測深法的優點，通過合理地進行高密度布點，完成二維地電斷面測量。實施的地球物理屬性前提是：地下介質空間內待測區域存在導電性差異，通過布設電極建立外加電場，研究其作用下地下傳導電流的分布規律，推斷出具有不同電阻率地質體的賦存情況。根據實測的視電阻率剖面，進行計算、分析，便可獲得地層中的電阻率分布情況，從而可以劃分地層，判定異常等。由于提供的數據量大，信息多，并且觀測精度高，速度快，探測的深度也很靈活，因此在工程地質勘察和水文地質勘察中有著廣闊應用前景。

3.2 微動探測

（1）工作原理

微動探測方法（The Microtremor Survey Method，簡稱MSM）是從圓形臺陣采集的地面微動信號中通過空間自相關法提取出面波（瑞利波）頻散曲線，經反演獲取臺陣下方S波速度結構，以探查地質構造的地球物理探測方法。微動速度剖面能準確、直觀地反映地層巖性變化及異常體形態、規模。這一方法在國外，特別是在日本已廣泛應用于盆地結構調查、工程地質勘察、場地穩定性評價等多個領域。

4 資料采集及解釋

4.1 資料采集

高密度電法勘探采用EDJD-3分布式數字多功能直流電法儀，微動探測設備是I-Nodal節點式全內置地震采集站。根據實際現場情況設置合理的測量觀測系統，工區整體測線布置如圖1所示。

圖1 工區整體測線布置圖

4.2 成果綜合解釋

兩種方法的探測結果如圖2～3所示。

圖2 微動勘探左右測線成果圖

圖3 左、右測線高密度電法電阻率反演解釋成果圖

（1）高密度電法

左線測線（ZK0+290～ZK0+870段）：測線測試范圍內地表視電阻率值較高，高程390m以下，隧道洞身范圍除ZK0+620～ZK0+650段外，視電阻值極低，推測該里程段圍巖破碎～極破碎，巖層富水。左線測線（ZK1+170～ZK1+325段）：受方法及場地限制，該段測線僅ZK1+262～ZK1+288段測試深度達到隧道底標高，隧道穿越區域視電阻值極低，推測該里程段圍巖破碎～極破碎，巖層富水。

右線測線（K0+260～K1+020段）：測線測試范圍內地表視電阻率值較高，高程385m以下，隧道洞身范圍除K0+560～K0+610段外，視電阻值極低，推測該里程段圍巖破碎～極破碎，巖層富水。右線測線（K1+150～K1+360段）：受方法及場地限制，該段測線僅ZK1+245～ZK1+280段測試深度達到隧道底標高，隧道穿越區域視電阻值極低，推測該里程段圍巖破碎～極破碎，巖層富水。

（2）微動探測

左線測線（ZK0+330～ZK1+330段）：測線測試范圍內整體視速度值低，隧道洞身范圍ZK0+997～ZK1+071段，視速度值變化較大，推測該段圍巖破碎；隧道洞身范圍ZK1+170～ZK1+203段，視速度值較高，推測該段圍巖較完整；其余里段視速度值極低，推測其余里程段巖層極破碎。此 外，由 于ZK0+610～ZK0+730，ZK0+860～ZK0+900，ZK1+205～ZK1+284里程段，存在與地表連通的極低視速度帶，推測為采空區影響段，巖層富水，且與地表水連通。

右線測線（K0+180～K0+360段）：測線測試范圍內整體視速度值低，隧道洞身范圍K0+495～K0+595（K0+530～K0+580因施工無法施測）段，K0+680～K0+740段，視速度值起伏較大，推測該段圍巖較破碎；K0+293～K0+330段視速度值較高，推測該段圍巖較完整；其余里段視速度值極低，推測其余里程段巖層極破碎。在K0+650～K0+680，K0+780～K0+950，ZK1+160～ZK1+290里程段，存在與地表連通的極低視速度帶，推測為采空區影響段，巖層富水，且與地表水連通。

5 結論

（1）通過綜合物探方法對廢礦區采空區、富水層及其它影響后續施工的安全隱患進行全方面排查，準確地檢測出異常區域的位置，合理地推斷分析出異常體的成因，為后續工作的開展提供準確的勘測資料。

（2）隧道在后續開挖中驗證了本次綜合物探所探測到的異常區，表明該綜合探測方法在復雜環境廢礦區地質勘察中具有良好的結果，也為日后廢礦區整治提供了可靠的勘察資料。

（3）針對過去資料不足、勘察信息不完善的礦區，綜合多種物探方法的探測能提供更準確的地下信息，有效預防相關施工事故的發生，具有廣闊的應用前景。