綜合物探技術在隧道水文地質勘察中的應用研究

［關鍵詞］隧道；水文地質；勘察；綜合物探技術

近些年來，我國大力發展基礎設施建設，大量不同類型的建設項目不斷涌現。其中建設項目涉及到隧道挖掘的更是不在少數。為確保隧道施工的高效、安全，需要做好針對性的水文地質勘察工作[1]。但是，很多隧道的水文地質條件十分復雜，勘察工作難度很大。針對這一情況，還需要積極地應用一定的綜合物探技術。

1 綜合物探技術原理與特點

在很多隧道的建設和施工過程中，隧道沿線地層巖性多變，地震區、巖溶、采空區、小型危巖落石、崩塌等不良地質發育，特殊巖土廣泛分布，勘察時空限制多[2]。水文地質勘察工作是隧道施工的重要環節，其目的是了解地下水的分布、水位、水質等情況，為施工提供準確的數據支撐。然而，在復雜的地下環境中，傳統的人工勘察方法往往難以全面、準確地獲取信息，容易受到人為因素和環境因素的影響。綜合物探技術是利用物理原理進行地質勘察的方法，如地震波探測、電磁探測等，具有高效、快速、無損等特點。這些技術可以在不破壞地下環境的情況下，快速獲取地下信息，為勘察人員提供更加全面、準確的數據支撐[3]。通過物探法可以獲取地下空間的分布狀態、地層界面等信息，結合地質資料和工程實踐經驗，可以較為準確地預測地質情況。目前，在針對不同項目進行水文地質勘察的過程中，可以應用的綜合物探技術包含了多種不同的類型[4]。不同的物探技術格局特點，可以為不同類型地質的勘察提供便利。例如，地質雷達探測是一種對地下不可見的目標進行定位的電磁技術，探測深度范圍在10～30 m，但準確性更高。還有就是紅外探水和水平鉆孔，通過這些方法，不僅可以提前知曉隧道前方水分布情況，還可以直接獲得前方地質狀況的直接證據。TSP地震波探測技術是利用地震波反射原理，準確預報范圍為前方100～150 m。在具體的勘察工作開展過程中，可以綜合應用多種不同的技術手段，以提高勘察效果[5-7]。這些技術的應用可以有效提高勘察效率，降低勘察成本，同時也能為隧道施工提供更加安全、可靠的數據支持。例如，地震波探測技術可以通過發射地震波并分析其反射情況，了解地下巖層的分布和結構；電磁探測技術則可以通過測量地下電導率來推斷地下水的分布情況。然而需要注意的是，綜合物探技術的應用也需要結合其他勘察方法，如鉆探等，以確保勘察結果的準確性和可靠性[8]。此外，在應用綜合物探技術時，也需要考慮到技術設備的成本、操作難度等因素，以確保技術的可行性和經濟性。利用“物探法”提前探測隧洞圍巖，可以確定不良地質條件情況，采用“超前探孔”進行補充、驗證，準確有效預判不良地質段的位置、規模；另一方面做到“我隨巖變”，通過支護措施和及時封閉開挖面等加強措施，最大限度降低突泥、涌水、塌方等地質災害的發生概率和危害程度，確保隧洞施工開挖安全[9]。目前，在各類隧道建設施工中，十分注重加強物探、鉆探等綜合手段對經過的重點難點施工地段圍巖、地下水等的探測，以切實保障施工安全。

2 隧道水文地質勘察中綜合物探技術的應用案例分析

2.1 案例概況

現有某隧道，位于云南省，該隧道所處地區的地形地貌主要為溶蝕侵蝕中低山地貌。從整體地形角度進行分析，該隧道隧址區呈現出較大起伏的地形特點，隧址區發育斷裂走向為南北向。在前期工作中，勘察人員進行野外地質勘察，勘察結果顯示，該隧道區域內的地下水涉及到不同的類型，其中主要的類型為第四系松散堆積層孔隙潛水、基巖裂隙水、巖溶水。

2.2 相關物探技術選擇

根據地質調繪、鉆探揭示，及原位測試和實驗室試驗，并結合l∶20萬區域地質調查成果，探測區第四系地層與下伏基巖交界處存在較大的波速差異。同時，基巖的風化程度也會導致其波速差異。因此用淺層地震折射波法與瞬態瑞雷面波法勘探可進行第四系地層和下伏基巖界線以及基巖風化層的劃分[10]。地震折射波法和瞬態面波勘探技術均是地質勘察中常用的物探方法，在隧道地質勘察中的應用十分廣泛。另外，分析第四系地層特點，在該地層中包含多種不同的物質，整體組成結構十分復雜。同時，不同物質在密實程度方面也存在較為顯著的差異。同時，受到外界環境因素影響，不同巖體在被風化情況方面存在一定的差異，以風化程度之間的差異十分顯著。在巖體破碎程度以及節理裂隙發育程度方面，也呈現出較大的差異。因此，地層中不同物質存在電性、密度等方面的較大差異。考慮到這一情況，此次研究中，嘗試應用EH4 大地電磁法這一物探方法對該隧道進行水文地質勘探。綜上所述，隧址區存在進行物探的良好的地球物理條件，可以綜合應用不同類型的物探技術開展水文地質勘察工作。

2.3 綜合物探技術的應用

在對該隧道進行水文地質勘察的過程中，選擇使用地震折射波和瞬態面波法開展勘察工作，以分析隧道進出口覆蓋層厚度與巖石風化界限。在應用瞬態面波法的過程中，使用的儀器為垂直檢波器，頻率設定為4 Hz。借助該儀器，可以對各種低頻成分予以良好的接收，以加深探測深度。不同道間距設置為2.0 m，采樣率設定為0.5 m/s。地震折射波的應用過程中，使用的儀器為垂直檢波器，頻率設定為40 Hz。不同道間距設定為3.0 m，采樣率設置為0.2 m/s；為查明隧道右線整體地層結構情況，采用探測深度更深、效果更高的EH4大地電磁法[11]。EH4大地電磁法的應用過程中，所使用的儀器為EH4大地電磁儀器，應用大地電磁測深原理，可以開展天然源的大地電磁測深，也可以開展人工源的大地電磁測深，或者兩者混合采集。采用嵌入式實時操作系統，搭配并行硬件處理器，實現全頻帶采集的同時，電磁場功率譜、視電阻率、相位、相關度現場實時計算，并可以現場查看標量或張量的視電阻率、視相位剖面圖。按照該隧道現場的實際情況，對探測點的點距進行針對性的設定，按照灰巖區與非灰巖區特點分別進行設置。其中，非灰巖區與灰巖區的探測點距分別設置為30 m和20 m。在具體的測點過程中，選擇應用實時動態測量RTK技術，以提高放點的精確性，該技術具有疊加網絡地圖的功能，可以完成自動最近點放樣，放樣時不僅有參照，還能夠自動選擇最近點放樣，可以更好地滿足實際勘察工作中密集式放樣場景的實際需求。各種物探技術的測線布置情況如圖1所示。

2.4 物探結果分析

2.4.1 隧道進出口探測結果

按照上述方式對該隧道進出口情況進行勘察，綜合分析淺層折射結合瞬態面波法探測結果，并結合EH4 縱斷面探測結果及相關的地質資料，科學分析、判定該隧道地層風化界限與覆蓋層情況。最終得到的隧道進口折射波時距曲線如圖2 所示。結合檢測結果，參照相關的折射波數據，并對地層縱波速度分布情況進行準確的計算。再結合地震面波數據進行反演，可以得出地層面波的具體速度大小，得出隧道進口處面波頻散曲線，具體結果見圖3。

綜合分析圖2和圖3中的數據結果可以發現，在該隧道進口深度0～5 m內，在具體的速度大小方面，面波和縱波均表現出相對較低的特點。其中面波波速的分布范圍在220～330 m/s，縱波波速為的分布范圍在450～680 m/s。結合前期勘察過獲得的隧道現場相關地質信息進行分析，勘察人員推斷，在該深度范圍內，地層的土質類型屬于粉質黏土。另外，通過對探測結果進行分析還觀察到，隨著地層深度不斷增大，在速度大小方面，面波和縱波隨之出現一定的變化。整體來看，二者的速度帶下均呈現出不斷增加的變化趨勢。綜合分析不同地層深度下的縱波和面波的波速，可以對相應范圍內的地質情況進行分析和判定，具體情況見表1：

對隧道進口處的縱波以及面波速度的分布情況進行整體分析之后，可以得出該地點地質斷面情況示意圖，具體見圖4。

隧道出口地震折射波時距曲線如圖5所示。結合探測所得折射波相關數據結果，可以對地層縱波速度的分布情況進行相應的結算。

綜合地震面波相關數據結果進行分析，可以通過反演方式，得出地層面波的具體速度大小數據結果。隧道口面波頻散曲線如圖6所示。

綜合分析圖5和圖6的相關結果信息，可以分析不同地層深度范圍內，面波和縱波在波速方面的實際情況，并通過綜合分析勘察信息，推斷得出相應的地層地質情況。具體結果見表2：

綜合分析隧道出口處的面波與縱波速度分布，可以得出隧道出口處的地質斷面示意圖，具體情況見圖7。

2.4.2 隧道右線整體地層結構

在對該隧道右線的整體地層結構進行分析的過程中，此次研究選擇使用EH4大地電磁法。應用該物探方法，實施縱向探測。在整個探測和資料處理過程中，應用該技術，首先需要對相關地層結構的數據信息進行采集，并借助專門的軟件完成數據篩選，對其中時間序列數據進行篩選，并對張量阻抗進行計算。之后，使用AMT軟件進行相關處理，包括編輯曲線，識別模式等等，進而借助專門的軟件進行反演，得出具體的電性斷面圖。并對該隧道右線整體地層結構的相關情況進行解釋和推斷，分析其巖體情況和巖溶發育情況、軟弱發育等等，借以評估不同地層地質的具體情況[12]。通過觀察探測結果發現，使用EH4大地電磁法進行物探的過程中，探測的最大深度達到510 m，在淺地表處（0～15 m），視電阻率值呈現出相對偏低的情況。綜合分析后認為，該范圍內屬于第四系殘坡積黏土。對不同樁號的視電阻率值進行分析和分析，并綜合考慮前期進行現場勘察所獲得的資料和信息，可以對相應范圍內的土質情況進行評估和判斷。具體結果見表3：

2.5 鉆孔驗證結果

為了對此次研究中所應用綜合物探技術的探測效果進行分析，結合該隧道現場的實際情況，選擇若干鉆孔進行鉆探驗證。在選擇鉆孔位置的時候，所選擇的區域為地勢相對平坦的區域，分別選擇隧道中部處和隧道進口處兩個位置進行鉆探勘察，記錄不同地層深度下的地層情況。最終所得鉆孔驗證結果如表4所示：

將表4中所得鉆孔勘察驗證結果與以上應用綜合物探技術的探測效果進行比較，可得均符合。即表明，此次研究中針對該隧道情況所選擇使用的綜合物探技術獲得了良好的應用效果。

3 總結

總之，在對隧道整體地層巖性、不良地質體等情況進行普查時，可選擇探測深度較深、效率較高的EH4大地電磁法；在隧道進出口重點區域，可以采用精度更高的地震折射波與瞬態面波相結合的方法探測地層的結構。