物探技術在公路長深埋隧道選線中的作用

段明杰，羅 術，劉陽飛

(云南省交通規(guī)劃設計研究院有限公司，云南 昆明 650200)

1 引 言

云南省地形復雜，高山峽谷眾多，隨著云南省十四五“互聯互通”交通規(guī)劃的推進，高速公路建設逐漸向山區(qū)高海拔地區(qū)推進，受地形、地質條件等制約，山區(qū)高速公路長深埋隧道勘察設計難度越來越大[1]，一般要進行多個方案的比選，傳統的地質勘察手段在長深埋隧道方案比選中有巨大的局限性，很難滿足特殊條件下的勘察要求[2]，如何科學的、合理的發(fā)揮物探技術在公路長深埋隧道選線中的作用是我們物探勘察一直在思考的問題[3]。以羅坪山特長隧道為例，研究物探技術在公路長深埋隧道選線中的作用。

羅坪山特長隧道為劍川至洱源高速公路的控制性工程，擬選隧道方案經三個勘察階段確定，即工可研路線方案(以下簡稱GK方案)、初設路線方案(以下簡稱CK方案)、施設路線方案(以下簡稱SK方案)。隧址區(qū)地形困難，地質情況復雜，針對三個方案的勘察比選，開展了綜合物探技術手段。

2 羅坪山隧址區(qū)的概況及地球物理特征

2.1 地理、地形條件

羅坪山隧址區(qū)位于云南省洱源縣境內，隧道進口靠近煉鐵鄉(xiāng)，位于煉鐵鄉(xiāng)東南部2～3 km左右，出口靠近鳳羽鎮(zhèn)，位于鳳羽鎮(zhèn)北邊3～4 km。隧址區(qū)整體地勢為中間高、兩邊低，區(qū)內最高海拔3 300 m左右，最低為隧道進口，海拔約2 000 m左右，相對高差約1 300 m，局部區(qū)域地形陡峭。

2.2 地質條件

(1)地層巖性

隧址區(qū)主要分布有新生界沉積巖，元古界蒼山群變質巖，及第四系和第三系各種成因的堆積物，地質條件復雜，出露地層巖性復雜多變，地層巖性主要為第四系洪積物，第三系礫巖、砂巖、泥巖、粉砂巖等。前寒武系蒼山群絹云千枚巖、石英片巖，大理巖、白云質灰?guī)r、綠泥絹云片巖夾大理巖；斜長變粒巖、白粒巖。

(2)地質構造

隧址區(qū)范圍內地質構造較為復雜，受區(qū)域性構造影響，發(fā)育有眾多不同性質的斷層，共10條。區(qū)內以維西-喬后斷裂(F1)為界劃分了2個一級大地構造單元(揚子陸塊區(qū)、羌塘-三江造山系)、2個二級大地構造單元(上揚子古陸塊、蘭坪-思茅地塊)，并進一步細分為2個三級大地構造單元、2個四級大地構造單元。隧址區(qū)受多條斷裂影響，角礫巖、糜棱巖和擠壓片理較發(fā)育。主要斷裂見表1。

表1 隧址區(qū)發(fā)育斷裂統計表

2.3 地球物理特征

巖石電阻率值主要受巖石礦物成分、巖石的結構、構造及含水性等的影響[4]。對于該區(qū)能開展電法工作的地球物理前提為：隧址區(qū)內不良地質構造發(fā)育，地下水豐富，地層巖性復雜多表。基巖中的構造帶或斷層，會導致巖層電阻率值降低，形成低阻異常帶；不同地層巖性接觸帶，電阻率值也會表現出差異，如第四系和第三系的泥巖、砂巖、粉砂巖電阻率值一般為低阻特征，元古界蒼山群變質巖電阻率值一般為高阻特征；此外較完整巖體與充水破碎帶、軟弱巖體之間也存在明顯的電阻率值差異。因此，工區(qū)能夠用電性差異區(qū)分地層巖性，劃分斷層破碎帶等構造體，具備開展電法工作的地球物理條件。

3 綜合物探技術在方案比選中的作用

羅坪山特長隧道擬選方案主要有工可研方案(GK方案)、初設路線方案(CK方案)、施設路線方案(SK方案)。物探專業(yè)在這三個路線方案勘察中均發(fā)生了不可替代的作用。

3.1 工可研方案(GK方案)

GK方案隧道全長10 290 m，最大埋深1 000 m左右。該方案地質情況復雜，出露地層主要有第三系礫巖、砂巖，泥巖、粉砂巖夾泥灰?guī)r，蒼山群大理巖、灰?guī)r及變粒巖，千枚巖，片巖，石英巖，白粒巖，石英片巖等，隧道軸線穿越9條斷裂，特別是中部最大埋深處與大寶斷裂(F14)大范圍平行，相距100～200 m左右。為了初步探明隧道圍巖巖性分界，地質構造、斷層等不良地質情況，物探技術方案為：采用音頻大地電磁法進行勘察，要求全線貫通。

可看出，此次勘探成果基本探明了隧道圍巖巖性分界線及構造特征，圍巖完整性。其中軸線穿越的9條斷裂于物探成果圖中也有明顯的斷層異常帶顯示。結合地質調繪與音頻大地電磁法電阻率斷面圖可得出：GK方案里程+1 200 m～+2 000 m段圍巖電阻率呈多個低阻條帶異常并向深部延伸，電阻率值小于100 Ω·m，推測該區(qū)穿越多條斷層，巖體極破碎，隧道圍巖工程穩(wěn)定性差；里程+5 000 m～+7 200 m段圍巖電阻率值呈低阻特征，小于150 Ω·m，推測該段與F14斷裂小角度相交，受F14斷裂影響，該段隧道圍巖極破碎，極富水，工程地質條件極差。

3.2 初設方案(CK方案)

CK方案隧道全長11 150 m，最大埋深1 200 m左右。該方案隧址區(qū)地質情況復雜，隧道軸線與地層走向近似垂直，主要出露地層巖性為第四系洪積物，松散礫石層夾砂礫巖等；第三系礫巖、砂巖，鈣質泥巖、粉砂巖；寒武系蒼山群絹云千枚巖、石英片巖、綠泥片巖、石英巖、白云質灰?guī)r夾大理巖；黑云斜長變粒巖、白粒巖等。根據區(qū)域地質調查，大致推斷隧道軸線將穿越6條斷裂，為了探明隧道圍巖的巖性特征及6條斷裂的分布及產狀特征，采用了綜合物探的方法來探察隧道的基本地質情況。由于路線經過風電場及高壓輸電線，為了有效降低強電磁干擾，物探方法采用了何繼善院士提出的廣域電磁法，其具有勘探深度大、觀測范圍廣、工作效率高、測量精度高、抗干擾能力強等特點[5]。

可看出，廣域電磁法有效降低了山頂風電場及高壓輸電線的強電磁干擾，達到了預期的勘探目標，基本探明了隧道圍巖巖性特征及構造特征。其中軸線穿越的6條斷層于廣域電磁法成果斷面圖中也有明顯的低阻異常帶顯示，基本探明了6條斷層的具體位置及產狀特征。結合地質調繪可推測：CK方案里程+000 m～2 000 m段圍巖電阻率呈多個低阻條帶異常并向深部延伸，電阻率值小于100 Ω·m，推測該區(qū)穿越4條斷層，受斷層影響，該段巖體極破碎，富水，工程穩(wěn)定性極差；里程+8 000 m～11 200 m段隧道洞身位置圍巖電阻率值為低阻特征，推測地層主要為第四系洪積物，松散礫石層夾砂礫巖，圍巖穩(wěn)定性極差，而該段為隧道淺埋段，開挖時支護困難，極易發(fā)生坍塌。

為了進一步探明隧道出口段的圍巖特征，在隧道出口段采用高密度電法布設了一條縱剖面和兩條橫剖面。縱剖面沿隧道右幅中線布設，剖面起止點里程為：+11 m～+1 019 m，對應隧道右幅中線里程：+10 342 m～+11 350 m段，剖面長1 008 m，命名為縱剖面Z1，勘探結果如圖1(a)所示；兩條橫剖面分別為：(1)與CK方案路線里程+9 150 m處正交，命名為橫剖面H1，剖面起止點為+400 m～+1 400 m，剖面里程+700 m處與CK方案路線里程+9 150 m處正交，勘探成果如圖1(b)所示；(2)與CK方案路線里程+10 250 m處正交，命名為橫剖面H2，剖面起止點為+400 m～+1 400 m，剖面里程+1 000 m處與CK方案路線里程+10 250 m處正交，勘探成果如圖1(c)所示。

從圖1(a)可看出，隧道出口段(+10 342 m～+11 350 m段)隧道圍巖電阻率值小于150 Ω·m，整體呈低阻特征，局部小于80 Ω·m，推測圍巖為第四系洪積物，松散礫石層夾砂礫巖，巖體破碎，富水。

從圖1(b)可看出橫剖面H1圍巖電阻率值整體呈低阻特征，電阻率值介于100～200 Ω·m，推測圍巖破碎，富水，與CK方案路線軸線正交處隧道洞身位置圍巖破碎，圍巖級別低，工程穩(wěn)定性極差；從圖1(c)可看出橫剖面H2圍巖電阻率值整體呈低阻特征，電阻率值小于100 Ω·m，推測圍巖極破碎，富水，與CK方案路線軸線正交處隧道洞身位置圍巖電阻率值小于50 Ω·m，推測圍巖極破碎，圍巖級別低，工程穩(wěn)定性極差。

圖1 高密度電法電阻率斷面圖

綜合廣域電磁法勘探成果及高密度勘探成果可知：兩種物探方法有很好的一致性，基本可推測出CK方案隧道出口淺埋段圍巖極破碎，強富水，工程穩(wěn)定性極差，開挖過程中極易發(fā)生坍塌。

3.3 施設方案(SK方案)

SK方案隧道全長10 920 m，最大埋深1 079 m左右。該方案隧址區(qū)地質情況復雜，隧道軸線與地層走向近似垂直，主要出露地層巖性為第三系礫巖、砂巖，鈣質泥巖、粉砂巖；寒武系蒼山群絹云千枚巖、石英片巖、綠泥片巖、石英巖、白云質灰?guī)r夾大理巖；黑云斜長變粒巖、白粒巖等。根據區(qū)域地質調查，大致推斷隧道軸線將穿越8條斷裂，為了探明隧道圍巖的巖性特征及8條斷裂的分布及產狀特征，本方案采用的物探方法與CK方案一致，為廣域電磁法，該方法能有效降低路線經過的風電場及高壓線的電磁干擾，提高信噪比。

可看出，廣域電磁法有效降低了山頂風電場及高壓輸電線的強電磁干擾，達到了預期的勘探目標，基本探明了隧道巖性特征。其中軸線穿越的8條斷層于廣域電磁法成果斷面圖中也有明顯的低阻異常帶顯示，基本探明了8條斷層的具體位置及產狀特征。結合地質調繪可推測：SK方案里程+000 m～2 000 m段圍巖電阻率呈多個低阻條帶異常并向深部延伸，電阻率值小于150 Ω·m，推測該區(qū)穿越5條斷層，受斷層影響，該段巖體破碎，富水，圍巖級別低；里程+2 000 m～+10 880 m段隧道圍巖電阻率值以中高阻為主，結合地質調查可推測該段隧道圍巖地層為寒武系蒼山群地層，巖體整體上較完整，局部較破碎，圍巖等級高，工程穩(wěn)定性性較好。

3.4 綜合評價

(1)施設方案(SK方案)與工可研方案(GK)：隧道進口段兩個方案地質條件基本相當，軸線都穿越多條斷裂，圍巖破碎，富水；隧道中部SK方案優(yōu)于GK方案，主要表現在GK方案隧道中部大范圍段近平行于大寶斷裂(F14)，物探成果圖中表現為大范圍的低阻異常段，巖體完整性差。

(2)施設方案(SK方案)與初設方案(CK)：隧道進口段兩個方案地質條件基本相當，軸線都穿越多條斷裂，圍巖破碎，富水；隧道出口段SK方案優(yōu)于CK方案，主要表現在CK方案隧道出口近2.5 km范圍隧道圍巖為第四系洪積物，松散礫石層夾砂礫巖，物探成果圖中表現為圍巖呈低阻特征。該段為隧道淺埋段，巖體穩(wěn)定性差，支護困難，開挖過程中極易坍塌。

通過以上分析可知，SK方案地質條件優(yōu)于GK方案及CK方案，SK方案在隧道中部避開了大寶斷裂(F14)，巖體完整性相對較好；在隧道出口段避開了第四系洪積物，且不再是淺埋段，巖性以蒼山群片麻巖、變粒巖，片巖、石英片巖為主，巖體完整性相對較好。

4 結 論

羅坪山特長隧道是高原、高海拔、大埋深隧道的典型代表，一個地形起伏大，斷裂構造多，巖層分布時代廣、地質情況復雜的長深埋隧道，故其在設計勘察期間對三個方案進行比選。物探技術在如此復雜條件下取得了非常好的探測效果，基本探明了隧址區(qū)內的斷層分布特征，地層巖性分界及巖體完整性，為隧道方案的比選提供了重要的地質依據，表明了物探技術具有探測深度大、分辨率高、測量速度快等特點，在公路長深埋隧道方案比選分析中起到了至關重要的作用。