綜合物探方法在高寒高海拔地區隧道不良地質體勘查中的應用研究

2024-05-04 00:00:00劉吉成周鈺邦星學銀

科技創新與應用 2024年11期

摘" 要：隧道地質工程勘察中對地下巖體的破碎和隱伏斷裂勘探是一項必要的工作手段。瑪沁地區屬典型的高寒高海拔地區，單一物探方法因存在多解性而不能較準確地表征勘查區的不良地質體發育情況。為查明瑪沁隧道淺地表強分化層的厚度、隱伏斷層位置及影響帶、破碎軟弱帶及巖體完整性等不良地質體的分布情況，應用音頻大地電磁法和高密度電阻率法等綜合物探方法對瑪沁隧道發育的不良地質體進行勘探。綜合勘查區地質特征和綜合物探研究成果表明，綜合物探方法在高寒高海拔地區隧道勘查中不僅能夠有效識別淺地表強分化層和破碎軟弱帶等不良地質體，而且可提高物探解釋的精度。

關鍵詞：綜合物探；瑪沁隧道；不良地質體；高寒高海拔地區；隧道勘查

中圖分類號：U45" " " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）11-0147-05

Abstract： It is a necessary working means to exploring the broken and hidden faults of underground rock mass in tunnel geological engineering investigation. Maqin area is a typical alpine and high altitude area. Due to the existence of multiple solutions， a single geophysical method can not accurately characterize the development of poor geological bodies in the exploration area. In order to find out the thickness of the strong differentiation layer on the shallow surface of Maqin Tunnel， the location of hidden faults and the distribution of unfavorable geological bodies such as influence zone， broken weak zone and rock mass integrity， integrated geophysical prospecting methods such as audio-frequency magneto-telluric method and high density resistivity method were used to explore the poor geological bodies in Maqin Tunnel. The geological characteristics of the integrated geophysical prospecting area and the research results of integrated geophysical prospecting show that the integrated geophysical prospecting method can effectively identify unfavorable geological bodies such as shallow surface strong differentiation layer and broken weak zone in tunnel exploration in high cold and high altitude areas. And the accuracy of geophysical interpretation is improved.

Keywords： integrated geophysical prospecting; Maqin Tunnel; unfavorable geological body; High Cold and High altitude area; tunnel exploration

隨著西部大開發和新青海建設的高速推進，在青海省內有較多公路正在建設，由于瑪沁隧道選址處于青海省東南部，主要以被侵蝕的高山地貌為主，加之瑪沁縣屬高寒高海拔地區，這為地質勘查增加極大的難度。為較精確查明瑪沁隧道淺地表強分化層的厚度、隱伏斷層位置及影響帶、破碎軟弱帶及巖體完整性等不良地質體的分布情況，采用多種物探方法進行勘探是不可或缺的。

近年來，地球物理電磁勘探方法因其成本低和效率高等優勢較多應用于隧道不良地質體勘探中。音頻大地電磁法因其通過天然場源的優勢，在無人區高寒高海拔地區應用優勢明顯，尤其大多數學者將該方法應用于隧道不良地質體勘探中[1-3]；高密度電阻率法因其經濟便捷等特點應用廣泛，在隧道勘查中主要進行含水層圈定、破碎帶識別、電性結構劃分等[4-6]；同時在隧道不良地質體勘查中也有地震勘探、面波勘探航空電磁勘探等方法的應用，效果也較為突出[7-11]。

綜上，基于各種物探方法的特性，以及考慮經濟、安全、普適性要求，本次研究選擇音頻大地電磁法和高密度電阻率法進行瑪沁隧道不良地質體的勘探。

1" 綜合物探方法

1.1" 音頻大地電磁法

音頻大地電磁法是一種以天然存在的區域性分布的交變電磁場為場源的電磁勘探方法。由電磁場理論可知，在均勻大地和水平層狀大地情況下，波阻抗Z是電場E和磁場H的水平分量的比值。

式中：f為頻率，Hz；ρ為電阻率，Ω·m；E為電場強度，mV/km；H為磁場強度，nT；φE為電場相位；φH為磁場相位，mrad。必須提出的是，此時的E與H，應理解為一次場和感應場的空間張量疊加后的綜合場，簡稱總場。在電磁理論中，把電磁場（E、H）在大地中傳播時，其振幅衰減到初始值1/e時的深度，定義為穿透深度或趨膚深度（δ）

由式（4）可知，趨膚深度（δ）將隨電阻率（ρ）和頻率（f）變化，測量是在和地下研究深度相對應的頻帶上進行的。一般來說，頻率較高的數據反映淺部的電性特征，頻率較低的數據反映較深的地層特征。因此，在一個寬頻帶上觀測電場和磁場信息，并由此計算出視電阻率和相位。可確定出大地的地電特征和地下構造。

1.2" 高密度電阻率法

高密度電阻率法是近幾十年發展起來的一種電法勘探新技術，其基本原理與傳統的電阻率法完全相同，所不同的是高密度電阻率法在觀測中設置了較高密度的測點，現場測量時，只需將全部電極布置在一定間隔的測點上，然后進行觀測。在設計和技術實施上，高密度電阻率法系統采用先進的自動控制理論和大規模集成電路，使用的電極數量多，而且電極之間可自由組合，這樣就可以提取更多的地電信息。

本次高密度電阻率法采用α排列（溫納裝置），點距5 m，排列最大電極數20道、采集剖面數6層。高密度電阻率法系統由WDA-1測量主機、供電電瓶、分布式高密度電阻率電纜線和銅電極組成。

2" 區域地質特征

瑪沁隧道位于瑪沁縣大武鎮，隧道近直線型展布，隧道左右線單洞隧道建筑限界凈寬14.0 m，凈高5 m，屬巖質分離式雙洞越嶺特長隧道。左右線進口型式為削竹式，出口型式為端墻式。

隧址區地質構造以東西向構造帶為主，區域內斷裂十分發育，主要為北西和北西西向，規模大，其中哈拉塘斷裂（F8）地處瑪沁縣大武鎮，是呈北西—南東向展布的逆斷層，與線路在K159+840呈大角度（60°）相交，受本斷裂影響，斷層面附近巖體破碎，圍巖穩定性差。

隧道進口段（K156+165）出露為三疊系（T2a）風化板巖，主要位于隧道進口段，節理裂隙發育-較發育，巖體破碎-較完整；洞身段K157+790—K159+990為白堊系（Ka）的灰色厚層狀雜礫巖夾含礫粗砂巖等，厚層狀構造；隧道出口段出露為三疊系（T2b）風化板巖，主要位于隧道進口段，節理裂隙發育-較發育，巖體破碎-較完整。

3" 綜合物探解譯成果

3.1" 音頻大地電磁法解譯成果

圖1為瑪沁隧道音頻大地電磁法成果圖，從圖1可知，隧道進口里程段K156+165—K156+450和K161+000—K161+090為低阻層，其視電阻率為451～1 662 Ω·m。其中K156+165—K156+250和K160+850—K161+090段圍巖受地表風化影響較大，視電阻率較低，巖體破碎、松散，推測進口段為破碎的板巖，施工時加強拱部支護防止產生滑塌、冒頂，側壁塌落；隧道里程段K156+450—K156+950和K159+780—K161+000為中低阻層，其視電阻率分別為1 662～9 173 Ω·m和1 662～7 508 Ω·m，推測為較破碎的板巖，施工時拱部無支護易產生滑塌、冒頂，側壁穩定性差；隧道里程段K156+950—K159+780為中高阻層，其視電阻率為9 173～24 145 Ω·m，推測為較完整板巖、礫巖、砂礫巖，施工時拱部無支護易產生滑塌、冒頂，側壁穩定性較差，其里程段K159+800為F8哈拉塘斷裂所在位置，視電阻率為12 883～13 730 Ω·m，相較于附近巖石視電阻率低，推測該里程段兩側巖石破碎。施工時拱部無支護易產生滑塌、冒頂，側壁穩定性差，可能存在有裂隙水，應做好涌水、滲水的預案。

3.2" 高密度電阻率法解譯成果

瑪沁隧道進口段K156+185、K156+205里程處通過高密度電阻率法測量橫向2條斷面，總體方位107°，每條斷面長度為250 m，點距5 m，電極數為50個。

圖2為進口段K156+185高密度電阻率法成果圖。從圖2中可知，整條斷面探測深度約34 m，淺地表殘坡積碎石與強風化板巖，覆蓋層為6.0～12.1 m，總體呈中高阻層。在淺層20～100 m處存在相對中高阻層，視電阻率為3 838～7 568 Ω·m，推測巖石為強風化的板巖。在50～180 m，存在低阻層，視電阻率范圍為500～987 Ω·m，推測該層巖石為破碎的板巖，節理、裂隙發育，圍巖穩定性差。視電阻率范圍987～1 946 Ω·m為中阻層，推測該層巖石為較破碎的板巖。

圖3為進口段K156+205高密度電阻率法成果圖。從圖3可知，整條斷面探測深度約35 m，淺地表殘坡積碎石土層與強風化板巖，覆蓋層為2.4～9.9 m，總體呈中低阻層。淺層20～100 m處存在相對高阻層，視電阻率為2 833～8 346 Ω·m，推測巖石較完整，穩定性較好。在100～200 m處存在低阻層，視電阻率范圍為562～962 Ω·m，推測該層巖石為破碎的板巖，節理、裂隙發育。視電阻率范圍962～2 833 Ω·m為中阻層，推測該層巖石為較破碎的板巖。

瑪沁隧道出口段K160+990、K61+010里程處做高密度電阻率法測量橫向2條斷面，總體方位105°，每條斷面長度為250 m，點距5 m，電極數為50個。

圖4為出口段K160+990高密度電阻率法成果圖。從圖4中可知，整條斷面探測深度約35 m。淺地表坡洪積碎石土層與強風化板巖，覆蓋層為3.0～8.0 m，總體呈中低阻層。在20～80、100～140、180～200 m，處存在相對的中高阻層，視電阻率為7 156～9 541、7 156～9 194、8 139～9 194 Ω·m，推測巖石較破碎，節理、裂隙發育，圍巖穩定性較差。視電阻率范圍為495～2 693 Ω·m，為相對的中低阻層，推測該層巖石為破碎的板巖，節理、裂隙發育，圍巖穩定性差。

圖5為出口段K161+010高密度電阻率法成果圖。從圖5中可知，整條斷面探測深度約34 m。淺地表坡洪積碎石土層與強風化板巖，覆蓋層為3.0～7.0 m，總體呈中低阻層。在30～70、110～140、180～205 m處存在相對的中高阻層，視電阻率為7 283～12 597、8 133～12 597、7 159～12 597 Ω·m，推測巖石較破碎，節理、裂隙發育，圍巖穩定性較差。視電阻率范圍為378～7 159 Ω·m，為相對的中低阻層，推測該層巖石為破碎的板巖，節理、裂隙發育，圍巖穩定性差。

4" 結論

通過本次綜合物探方法在瑪沁隧道勘查中的應用研究，得出以下結論。

1）音頻大地電磁法能夠有效查明隧道淺地表強分化層的厚度，隱伏斷層位置及影響帶，褶皺處的電性特征，推測巖石的完整度。

2）高密度電阻率法可以對隧道圍巖級別的劃分和圍巖的破碎程度推斷提供電性參照，且優勢明顯。

3）音頻大地電磁法和高密度電阻率法在高寒高海拔地區不良地質體勘查中優勢明顯，是行之有效的綜合物探方法。

參考文獻：

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