綜合物探技術(shù)在北京延慶松山隧道勘察中的應(yīng)用

陽 映，閆清華，衣駿杰，張亞龍

(1.中航勘察設(shè)計研究院有限公司,北京 100098；2.中國冶金地質(zhì)總局礦產(chǎn)資源研究院,北京 101300)

0 引言

在線路勘察中，隧道勘察是整個工程的重點。通過查明隧址區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、地層巖性組合特征、圍巖的基本物理力學(xué)性質(zhì)、地下水分布特征以及可能遇到的不良地質(zhì)的分布范圍，為隧道施工工法的選擇、洞身掘進方法、支護和襯砌類型以及洞口放坡提供工程地質(zhì)依據(jù)和設(shè)計參數(shù)，確保施工安全(黃潘等，2009)。地質(zhì)勘察的方法主要有鉆探和物探。由于隧址區(qū)地形陡峭、植被茂密，鉆機很難就位施工，工期長，費用高。物探方法快速、經(jīng)濟、有效的特點使其廣泛應(yīng)用于隧道勘察中。單一的物探方法具有一定的局限性，如探測深度、電磁干擾、地形條件等因素，因此在隧道勘察中常采用綜合物探的方法，利用不同的物性差異相互佐證，以提高物探資料的準(zhǔn)確性(張舉賢，2006；周竹生和豐赟，2011)。

通過淺層地震法和高密度電法相結(jié)合，可以有效查明淺層巖體風(fēng)化情況和圍巖等級。高密度電阻率法和地震折射波法取得了很好的效果，特別是高密度電阻率法可給出深度超過300 m的地質(zhì)信息，并得到了施工開挖的驗證，為開展綜合勘探和綜合物探積累了經(jīng)驗(樊耀武等，1998；李建國等，2006；時彥芳等，2010)。通過淺層地震法和大地電磁法相結(jié)合，不僅可以查明地表覆蓋層厚度，還可以準(zhǔn)確查明深層隱伏構(gòu)造、巖性變化和巖溶區(qū)等不良地質(zhì)體分布情況，為隧道開挖提供了重要的參考意義(胡樹林和陳煊，2010；韓松等，2010；劉劍飛，2011；譚遠(yuǎn)發(fā)，2012；覃圖觀和馮毅，2015)。

前人利用綜合物探方法對隧道選址、施工等方面進行了大量研究，但以往研究未考慮到不同施工段的側(cè)重點以及目的層深度的差異。本文以松山隧道為例，根據(jù)隧道不同施工段的側(cè)重點以及目的層深度，選擇最優(yōu)的測線布置方式以及物探方法，通過實際驗證，確定最優(yōu)的物探組合方法，以期解決隧道施工中的地質(zhì)問題。

1 工區(qū)概況

延崇高速公路(北京段)工程起于北京市延慶區(qū)大浮坨村西側(cè)，與興延高速公路相銜接，在市界處與延崇高速公路河北段相接。其中，松山隧道近東西走向(圖1)，是延崇高速公路最長的一條隧道，北京段全長4.5 km，里程為K28+935.00～K33+525.248，隧道洞身最大埋深約718.8 m，最高點標(biāo)高約1800 m。松山隧道沿線地形變化較大，溝谷、斷崖發(fā)育明顯，整體呈西高東低的狀態(tài)，主要表現(xiàn)為多條山脊自東向西延伸，山脊與溝谷交替出現(xiàn)。

圖1 擬建松山隧道沿線地貌圖

隧道勘察需查明隧址區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、地層巖性組合特征及圍巖的基本物理力學(xué)性質(zhì)，地下水分布特征，以及可能存在的不良地質(zhì)現(xiàn)象。然而隧址區(qū)地形陡峭，植被茂密，隧道洞身埋深大，地層均為基巖，且隧道位于松山國家級自然保護區(qū)內(nèi)，不允許破壞森林資源和生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)象發(fā)生，導(dǎo)致傳統(tǒng)鉆探方法很難在該區(qū)開展工作。

2 物探方法的選擇

第四系地層與基巖存在明顯的物性差異。第四系地層因不同的密實程度、不同顆粒組成及物質(zhì)組成存在物性差異。基巖的巖性變化，巖體不同的風(fēng)化程度，節(jié)理裂隙不同的發(fā)育程度以及巖體破碎程度，導(dǎo)致相對明顯的電性、密度、波阻抗等差異。上述物性差異為在隧址區(qū)進行物探工作提供了前提。

2.1 物探方法的特點

隧道工程勘察中常用的物探方法一般有：淺層地震法(韓永琦等，2004；謝尚平等，2004；趙德亨等，2005；張慧利等，2014)、高密度電法(劉曉東等，2001；劉曉東等，2002；董浩斌和王傳雷，2003；郭秀軍等2004；嚴(yán)加永等，2012；陳晨等2019；陳龍等2019；陳亞乾等，2019)、瞬變電磁法(TEM)(劉樹才等，2005；薛國強等，2007；張開元等，2007)、大地電磁法(EH4)、可控源電磁法(CSAMT)(王赟等，2002；孫英勛，2005；李英賓等，2019)等。各方法的特點和適用條件見表1。

表1 物探方法特點

2.2 本工區(qū)隧道勘察關(guān)注的重點

隧道洞口段邊坡的穩(wěn)定性、不良地質(zhì)體和富水性是隧道施工重點關(guān)注的問題。由于隧道洞口段埋深較淺,需要有針對性地選擇分辨率高的物探方法。因此選擇地震折射波法和瞬變電磁法進行綜合勘探，重點分析隧道洞口段覆蓋層的厚度、地層分界線的位置以及不良地質(zhì)體的分布情況(彭湘桂等，2014)。

隧道洞身段施工時重點關(guān)注地層破碎帶、儲水構(gòu)造等不良地質(zhì)體。由于隧道洞身埋深較大，地震折射波法和瞬變電磁法的探測深度無法滿足要求，因此采用可控源音頻大地電磁法進行勘探，重點分析洞身段地層分界線的位置以及是否存在不良地質(zhì)體。

2.3 物探方法的選擇及測線布置原則

根據(jù)勘察目的，針對隧道洞口段與洞身段所關(guān)注的側(cè)重點不同，結(jié)合隧道埋深、地層分布特點、地形地貌情況和物探方法特點，在洞口段和洞身段選擇不同的物探方法以及測線布置方式，實現(xiàn)有針對性的綜合勘探。詳細(xì)原則見表2。

表2 物探測線布置方案

3 物探方法原理

3.1 地震折射層析成像法

地震折射層析成像法主要利用人工震源產(chǎn)生的折射波，通過構(gòu)建初始模型，利用射線追蹤理論，正演折射波初至?xí)r間，通過不斷的優(yōu)化正演初至與實際初至，反演速度模型。通過這種正反演的不斷迭代更新，使速度模型更加接近真實的地層情況。最后利用速度參數(shù)，確定覆蓋層的厚度以及速度異常體的范圍。

3.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法是時間域的電磁法，利用不接地回線(磁偶源)或接地電極(電偶極源)產(chǎn)生的脈沖式一次電磁場，通過線圈或接地電極接收地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場的時間以及空間分布情況。這種方法在完全沒有一次場的背景下觀測研究二次場。地下目標(biāo)體感應(yīng)的二次場強弱、隨時間衰減的快慢與地下所要探測的目標(biāo)異常體的大小、位置、產(chǎn)狀和導(dǎo)電性能等因素密切相關(guān)。因此，我們可以通過研究二次場隨時間和空間的分布情況獲得地下地質(zhì)異常體的埋深、形態(tài)及電性特征(薛國強等，2007)。

3.3 可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)屬于人工源大地電磁測深法，是為了克服天然源隨機性和信號弱等缺點發(fā)展起來的。該方法利用相距1～2 km的電偶極源作為場源，以場源外圍5～10 km的范圍為測量區(qū)，在測量區(qū)內(nèi)測量相互垂直的電場和磁場切向分量，計算卡尼亞電阻率。依據(jù)電磁波傳播原理及麥克斯韋方程租，可知由地下正交的電場與磁場可獲得地下的電阻率。另外根據(jù)電磁波傳播的趨附效應(yīng)，地表電阻率一定時，傳播深度隨頻率增大而衰減，低頻傳播深度大，高頻傳播深度小，通過改變發(fā)射電磁波的頻率改變探測深度，進而達到測深的目的。該方法具有探測深度大、分辨率高、地形影響小、高阻層屏蔽小等優(yōu)點(王赟等，2002)。

4 應(yīng)用效果

針對松山隧道勘察對洞口和洞身側(cè)重點的不同，采用多種物探方法查明了隧道區(qū)域的地層以及不良地質(zhì)體分布，為隧道施工提供可靠依據(jù)。

4.1 隧道洞口段

隧道施工過程中，洞口段的施工是重中之重。邊坡的穩(wěn)定性，圍巖的風(fēng)化程度等，這些都是施工過程中需要考慮的因素。因此，在隧道洞口段增加橫剖面物探測線，為隧道施工提供更加全面的地質(zhì)情況。

(1)地震折射層析法成果解釋

地震折射層析成像法成果顯示松山隧道洞口段地層整體較均一(圖2)。第一層為碎石及塊石，視速度介于300～2500 m/s，厚度一般15～25 m；第二層為強風(fēng)化基巖，視速度>2500 m/s。進京線隧道截面(左側(cè))視速度為1500～2500 m/s，出京線隧道截面(右側(cè))視速度小于1500 m/s。隧道洞口段地層均為碎石或塊石層。受風(fēng)化、卸荷等影響洞口巖體完整程度為較破碎-破碎，不利于洞室圍巖的穩(wěn)定。洞口段圍巖成洞性很差，基本無自穩(wěn)能力，應(yīng)加強邊坡加固措施。

圖2 洞口段橫剖面地震成果圖

(2)瞬變電磁法成果解釋

瞬變電磁法成果(見圖3)在縱向顯示出一定的成層性，表層的相對低阻層視電阻率值一般小于100 Ω·m，推斷為碎石層；在碎石層以下存在著一個厚度不均的相對高阻層，視電阻率值約在100～600 Ω·m，根據(jù)鉆孔所揭露的信息，該區(qū)域內(nèi)塊石層普遍存在，塊石層與強風(fēng)化基巖具有相似的電性特征，所以該層推斷為塊石層(含強風(fēng)化基巖)；隨深度增加，視電阻率值繼續(xù)升高，約為600～1000 Ω·m，推斷為中風(fēng)化基巖；在中風(fēng)化基巖以下，視電阻率值高于1000 Ω·m的范圍推斷為微風(fēng)化基巖。進京線隧道截面(左側(cè))視電阻率為300～600 Ω·m，出京線隧道截面(右側(cè))視電阻率<250 Ω·m。隧道洞口段地層均為碎石或塊石層，圍巖成洞性很差，基本無自穩(wěn)能力，應(yīng)加強邊坡加固措施。

圖3 洞口段橫剖面瞬變電磁成果圖

通過兩種物探方法的成果圖對比發(fā)現(xiàn)，隧道洞口段地層分布情況基本一致，均為碎石及塊石。針對此碎石塊石地層，后期施工應(yīng)進行加固處理。兩種方法起到了相互驗證的效果，提高了物探成果的準(zhǔn)確性。

4.2 隧道洞身段

隧道洞身段施工過程中，重點關(guān)注地層破碎帶、儲水構(gòu)造等不良地質(zhì)體。松山隧道洞身段埋深變化較大，最大埋深可達700 m，根據(jù)隧道埋深的不同選用不同測深的物探方法進行勘察，為隧道施工提供更加全面的地質(zhì)情況。里程K28+945～K30+185段隧道埋深小于200 m，沿隧道設(shè)計瞬變電磁法縱剖面測線，里程K30+045～K33+645段隧道埋深為150～718 m，沿隧道設(shè)計測深較大的可控源大地電磁法縱剖面測線。

(1)瞬變電磁法成果解釋

里程K28+945～K30+185段洞身瞬變電磁法成果顯示(見圖4)，視電阻率隨深度的增加而增大，淺表層5 m左右深度范圍內(nèi)，視電阻率值一般小于100 Ω·m，推斷為碎石層；碎石層以下視電阻率升高，視電阻率值約在100～600 Ω·m，推斷為塊石(含強風(fēng)化基巖)；隨深度增加，視電阻率值繼續(xù)升高，約為600～1000 Ω·m，推斷為中風(fēng)化基巖；在中風(fēng)化基巖以下，視電阻率值高于1000Ω·m的范圍推斷為微風(fēng)化基巖。

圖4 瞬變電磁法成果圖

隧道洞身處里程K28+945～K29+100區(qū)間內(nèi)，視電阻率為100～600 Ω·m，推斷為強風(fēng)化基巖，巖體為較硬巖，完整程度為較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，形成較不利的空間結(jié)構(gòu)組合，不利于洞室圍巖的穩(wěn)定。圍巖成洞性較差，基本無自穩(wěn)能力。因此，隧道開挖時應(yīng)加強超前地質(zhì)預(yù)報及支護工作，保證施工安全；隧道洞身處其他里程段，視電阻率均大于600 Ω·m，推斷為中風(fēng)化基巖，巖體為較硬巖，完整程度為較完整。隧道開挖時應(yīng)加強超前地質(zhì)預(yù)報及支護工作。

(2)可控源音頻大地電磁法成果解釋

里程K30+045～K33+645段隧道洞身可控源音頻大地電磁法成果顯示(圖5)，剖面淺部視電阻率約在80 Ω·m以下，呈低阻特性，推測為碎石層的反映；隨著深度增加，依次為塊石(含強風(fēng)化基巖)與中風(fēng)化基巖，其中塊石(含強風(fēng)化基巖)電阻率約在100～150 Ω·m，中風(fēng)化基巖電阻率大于150 Ω·m；隧道里程K30+645～K31+360區(qū)間內(nèi)，視電阻率小于100 Ω·m，在所探測深度范圍出現(xiàn)了相對低阻異常，隨深度增加向東北方向延伸，推斷此區(qū)域為裂隙發(fā)育帶；里程K32+795～K33+117區(qū)間內(nèi)，由表層以下至高程1020 m左右的范圍出現(xiàn)了相對低阻異常，推斷此區(qū)域為裂隙發(fā)育帶。這兩段裂隙發(fā)育帶處巖體破碎，工程性質(zhì)較差，隧道開挖時應(yīng)加強超前地質(zhì)預(yù)報及支護工作。

圖5 大地電磁法成果圖

5 結(jié)論

(1)針對松山隧道洞口段與洞身段所關(guān)注的側(cè)重點和隧道埋藏深度的不同，有針對性地選擇合適的物探方法以及測線布置方式進行綜合勘探。查明隧道洞口段覆蓋層的厚度以及洞身段不良地質(zhì)體的發(fā)育情況，為施工工法的選擇提供了重要的依據(jù)。

(2)根據(jù)隧道洞口段地震折射層析法和瞬變電磁法成果圖推斷，隧道洞口主要位于碎石和塊石中，巖體較破碎，圍巖成洞性很差，基本無自穩(wěn)能力。因此，隧道開挖時應(yīng)加強邊坡加固措施。

(3)根據(jù)隧道洞身段瞬變電磁法成果圖推斷，里程K28+945～K29+100區(qū)間內(nèi)，隧道洞身位于強風(fēng)化基巖中，巖體較破碎，圍巖成洞性較差，基本無自穩(wěn)能力。因此，隧道開挖時應(yīng)加強超前地質(zhì)預(yù)報及支護工作，保證施工安全；里程K29+100～K30+185區(qū)間內(nèi)，隧道洞身位于中風(fēng)化基巖中，巖體較完整。

(4)根據(jù)隧道洞身段可控源音頻大地電磁法成果圖推斷，里程K30+045～K33+645區(qū)間，隧道洞身主要位于微風(fēng)化基巖中，巖體較完整。其中，里程K30+645～K31+360區(qū)間內(nèi)，在所探測深度范圍出現(xiàn)了相對低阻異常，推斷為裂隙發(fā)育帶，該區(qū)域巖體破碎，工程性質(zhì)較差，隧道開挖時應(yīng)加強超前地質(zhì)預(yù)報及支護工作。

[附中文參考文獻]

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