物探技術在隧洞工程勘察的應用

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摘要:傳統鉆孔手段在灰巖地區隧洞工程的勘察工作中存在搬家難度大，效果一般，經濟成本高等問題，因此考慮采用物探這種便捷、經濟的方法在類似工程中作為主要的勘察手段。以實際工程為例，根據物探并結合鉆探成果驗證了物探成果方法在灰巖地區隧洞工程的勘察工作中確實具有可行性。

關鍵詞:高密度電法；大地電磁法；隧洞；溶洞；物探；鉆探；勘察

1物探技術原理

工程物探利用不同巖層介質在密度、彈性、導電性、磁性、放射性及導熱性等方面存在差異，對巖土層進行探測分類。具體的方法種類很多，根據現場實際情況選擇應用廣泛的高密度電法和大地電磁法（EH4）。高密度電法是一種以研究地下介質體的電阻率差異為地球物理基礎，集電剖面法和電測深法為一體，采用高密度布點，進行二維地電斷面測量的一種地學層析成像（Geotomography，簡稱GT）技術。觀測過程中，主機通過一對供電極對大地供電，利用一對觀測電極沿剖面逐層、逐點對電位、電流等地電參數進行測量，由高密度電法儀器自動記錄，并計算各測點的視電阻率值。借助計算機對蘊含有各種地質體信息的視電阻率剖面進行數據處理、解釋及成圖，得出剖面地下電性層的空間分布特征，通過結合有關資料進行綜合分析視電阻率剖面的異常情況，推測解釋勘探測線位置地層是否存在不良地質體（構造破碎帶、空洞、軟弱夾層等）。大地電磁法（EH4）又稱電磁成像系統，是由美國EMI公司和Geometrics公司聯合研制的一種大地電磁測量系統，實現了天然信號源與人工信號源的采集和處理。其方法原理與傳統的大地電磁法一樣，深部信息通過天然背景場源成像，其頻率為10Hz～100kHz；而淺部構造除了天然背景場源，通過一個新型的便攜式低功率發射器發射1kHz～100kHz人工電磁信號，以補償高頻天然信號的不足，從而提高了所采集數據的可靠性和分辨率。由電磁場理論可知，假設大地是水平介質，當天然電磁場信號垂直入射到大地介質中時，大地介質中將會產生感應電磁場，則在地面上可觀測到相互正交的電場分量和磁場分量，通過計算可確定介質的卡尼亞電阻率值。

2工程背景

本工程為輸水管道隧洞工程，隧洞全長0.974km。工程所在地地形崎嶇陡峭，地質復雜多變，且大部分隧洞段位于灰巖區域，巖溶發育強烈。隧洞開挖范圍內溶洞、土洞發育情況對施工影響巨大，必須查明隧洞開挖范圍內的溶洞發育情況，然而傳統鉆孔作業難度大，人力成本高，且效果難以保證。擬建輸水隧洞沿線出露的地表水主要為基巖滲水和隧洞進、出洞口處溪水。必須查明隧洞范圍內是否存在地下暗河，否則施工將面臨非常大安全隱患。在地形地質復雜的閩西北地區，隧洞工程的勘察異常困難，物探因其時效性、便捷性、無損等優勢，能夠較準確探明地下不良地質情況，再加以合理的鉆探施工驗證一定能達到事半功倍的效果。因此，本工程先進行物探工作，再結合物探資料在部分可能發育溶洞的區域進行鉆探加以驗證[1]，進而為設計提供依據。

3物探工作布置

根據隧洞埋深及現場各種干擾條件決定采用大地電磁法（EH4）、高密度電法查明隧道洞身位置是否存在構造斷層、巖溶發育等不良地質體。大地電磁法（1000m）：選擇順側線方向作為X軸，然后垂直X軸方向為Y軸，沿X、Y方向布置兩組相互垂直的磁探頭和電極組，采用“十”字形方式布極。本次工作采用測點點距20m，電極距20m。高密度電法（860m）：根據勘察工作的要求，本次工作電法測量儀器使用的是重慶奔騰數控技術研究所的WGMD-3高密度電阻率測量系統。本次工作采用溫納裝置，工作參數為每個排列電極60個，電極距10m，排列長度600m。

4物探與鉆探成果對比分析

4.1物探成果。大地電磁法成果所示，里程K0+450、K0+640、K0+770、K0+900、K1+020處等值線橫向不連續，存在較明顯的低阻異常帶，異常形態近乎“掛面條”形狀。高密度電法成果所示，視電阻率剖面整體表現為北部視電阻率值較低，南部視電阻率值較高。區內發現多處閉合的低阻異常體。綜合大地電磁法及高密度電法分析，根據物探反演圖（見圖1），隧洞洞身物探成果：里程K0+470處推測存在一條構造破碎帶F-1；里程K0+620～K0+720段推測存在巖溶發育，異常規模較大，向進洞口方向深部延伸；里程K0+780～K0+860段推測存在巖溶發育或裂隙發育。此外，在低阻地段須查明是否有地下暗河的存在。具體情況應結合地質及鉆孔資料分析，建議在K0+480、K0+650、K0+810三處布設鉆孔，進一步驗證物探異常。4.2鉆探成果。本次勘察在工程地質測繪和物探的基礎上進行，在輸水隧洞進口、出口、洞身共布置勘探點17個（編號SK1～SK17）。其中，控制性鉆孔8個，一般性鉆孔9個（取土式樣鉆孔15個，原位測試孔14個）。隧洞洞身按50～150m間距布設鉆孔，隧洞洞口及橫斷面按20m左右間距布置鉆孔。其中SK8（里程K0+660）、SK9（里程K0+700）、SK10（里程K0+800）為異常區驗證孔。工程地質剖面圖如圖2。圖2工程地質剖面圖布置在物探反演異常區的三個驗證孔（SK8、SK9、SK10）均發現大小不一的土洞，充填物為軟塑～可塑的粉質黏土，與物探反演成果圈定異常較為接近，深度范圍上略有偏差。土洞發育情況如下：①SK8號鉆孔，80.90～90.10m為充填軟塑含角礫粉質黏土；②SK9號鉆孔，78.80～89.30m為充填軟塑含角礫粉質黏土；③SK10號鉆孔，89.90～102.30m為充填軟塑～可塑含角礫粉質黏土。在K0+660段隧洞位于土洞范圍內，需進行有效的洞頂模板支撐；K0+700段隧洞位于土洞下方，之間間隔約6m的中微風化灰巖，可只需進行噴漿處理；K0+800位于土洞范圍內，須上下均用模板進行支撐才能成洞。此外在物探的低阻地帶進行的鉆孔并未發現有地下暗河的發育?，F場隧洞開挖已進場約500m，根據現場實際施工情況，在隧洞里程K0+580處發現一個長度約30m、直徑約3m的土洞，有滴水現象，填充物為可塑粉質黏土。在里程K0+620～K0+700處遇到零星溶洞、土洞填充物為流塑～軟素粉質黏土，有小面積水洞。揭露少量積水裂隙，尚未發現地下暗河。4.3對比分析。本工程根據工程情況、灰巖地質特點選擇大地電磁法進行探測，反演后發現存在多個異常區，甚至在砂巖段亦存在溶洞異常反應，現場物探人員對周圍干擾進行梳理后判定是隧洞頂端高壓線對結果造成了干擾[3]。因此，又增加了高密度電法進行探測，結合兩種方法進行判定，排除干擾，劃定可能存在溶洞發育異常區，為鉆探鉆孔布置提供了依據，鉆探也佐證了本次物探工作較為準確，為工程設計提供可靠依據。

5結論

討論了物探法原理及適用范圍，在此基礎上，結合工程案例，驗證了物探法的可靠性和先進性，主要結果如下：（1）在較大型溶洞、土洞發育地段，物探資料對土洞、溶洞較為準確，SK8號鉆孔揭露的土洞在物探異常范圍內，但高程存在一定偏差，SK10溶洞范圍較物探異常區域范圍明顯較小。（2）現場具有高壓線等電信號干擾時，電法受到較為明顯的干擾，須進行識別，否則易出現判定錯誤。（3）灰巖與砂巖具有明顯的電阻差異，可以根據電阻值進行定性的巖性劃分，對設計施工具有一定指導作用，灰巖范圍內的低阻是因為發育東溶洞填充物含較多水分。若場地的灰巖無填充物，則灰巖會呈現高阻。砂巖呈現低阻狀態，這個應該在物探工作之前進行一個測試。（4）卡斯特地區勘察工作難度大，成本高，結合物探進行指導勘察、設計是一個重要的方向。

參考文獻

[1]巖土工程勘察規范：GB50021—2001（2009年版）[S].北京:中國建筑工業出版社,2009.

[2]公路工程物探規程：JTG/TC22—2009[S].北京:人民交通出版社,2009.

[3]顧寶和,曲永新,彭濤.劣質巖（問題巖）的類型及其工程特性[J].工程勘察,2006(1):1-7.

作者:周先強 單位:福建省華廈能源設計研究院有限公司