地球物理測(cè)井技術(shù)在鐵路隧道勘察中的應(yīng)用探討

孟憲波 馮彥謙

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

在鐵路勘察中,復(fù)雜、深埋、長(zhǎng)大隧道的工程地質(zhì)勘察越來(lái)越多,必要的深孔勘探就顯得十分寶貴。如何最大程度的獲取深孔巖層的信息,并對(duì)大地電磁等物探方法的結(jié)論進(jìn)行全面的補(bǔ)充改正,綜合測(cè)井就是一個(gè)非常重要的手段,同時(shí)也能夠?yàn)殂@孔圍巖類別劃分、含水性分析等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)依據(jù)。地球物理測(cè)井技術(shù)能夠在鉆孔中測(cè)定各種地層的物性參數(shù),從而達(dá)到劃分地質(zhì)剖面,驗(yàn)證補(bǔ)充鉆探資料的目的。

1 地球物理測(cè)井方法

常用的地球物理測(cè)井方法包括:聲波測(cè)井、視電阻率測(cè)井、自然電位測(cè)井、井溫測(cè)井、井斜測(cè)井、井中電視等。

1.1 聲波速度測(cè)井

聲波在地層中的傳播速度是巖石密度和彈性的函數(shù),根據(jù)聲波實(shí)測(cè)值并結(jié)合曲線可以區(qū)分巖性,劃分各種不同巖性的地層形態(tài),相對(duì)幅值,詳細(xì)準(zhǔn)確地判別地層并用于地層的對(duì)比。

1.2 視電阻率測(cè)井

視電阻率測(cè)井是基于不同巖層間的電阻率差異(即礦物和巖石的導(dǎo)電性的物理學(xué)基礎(chǔ))區(qū)分巖性,配合其他測(cè)井曲線劃分巖層界面,確定巖層的電阻率,劃分咸、淡水界線,確定地下水的礦化度等。

1.3 自然電位測(cè)井

自然電位測(cè)井是基于巖石的電化學(xué)活動(dòng)性質(zhì),即測(cè)量巖層或礦體在天然條件下產(chǎn)生的電場(chǎng)電位(自然電位)變化的一種測(cè)井方法。在離子導(dǎo)電的巖層上可以觀測(cè)到主要由擴(kuò)散和吸附作用產(chǎn)生的自然電位,在不同的巖層上有著不同的數(shù)值,配合其他測(cè)井曲線,可劃分含水層與隔水層界面。

1.4 井溫測(cè)量

測(cè)量鉆井內(nèi)溫度(通常是井液溫度)及其沿井軸或井周的空間分布,是基礎(chǔ)地學(xué)研究中獲得深部地溫梯度并計(jì)算地?zé)崃髦档闹匾侄?是勘察設(shè)計(jì)或安全措施所需地下溫度資料的重要來(lái)源,也被用來(lái)劃分含水層位和分析補(bǔ)給關(guān)系。

1.5 井斜測(cè)量

測(cè)量井軸偏離垂直方向(鉛垂軸)的角度(稱為傾角或頂角)及井軸在水平面上的投影與磁北方向之間的夾角(稱為方位角)。終孔井斜資料用于計(jì)算巖層的真厚度。

1.6 井中電視

井中電視采用井下攝像機(jī)通過錐形反光鏡攝取孔壁四周圖像,利用計(jì)算機(jī)控制圖像采集和圖像處理系統(tǒng),自動(dòng)采集圖像,并進(jìn)行展開、拼接處理。

2 綜合測(cè)井技術(shù)要求

(1)綜合測(cè)井應(yīng)在鉆孔完成1～2d后進(jìn)行測(cè)試。

(2)鉆孔現(xiàn)場(chǎng)有場(chǎng)地安放綜合測(cè)井的儀器設(shè)備。

(3)鉆孔內(nèi)必須有水,特別是隧道洞頂以上10m有穩(wěn)定水位,以保證測(cè)試的順利進(jìn)行。

(4)鉆孔內(nèi)的破碎部位應(yīng)以泥漿護(hù)孔,防止孔內(nèi)坍塌、掉塊,防止探頭被卡,影響測(cè)試。

3 地球物理測(cè)井技術(shù)的應(yīng)用

3.1 確定巖層完整性及破碎程度

當(dāng)聲波在風(fēng)化嚴(yán)重,有節(jié)理、裂隙的巖體中傳播時(shí),由于這種不連續(xù)界面中往往富含有液體使其波阻抗降低,且在這種界面上傳播的聲波會(huì)發(fā)生不同程度的反射、繞射,致使聲波的能量很大程度地被衰減、吸收,反映在聲速曲線上往往會(huì)出現(xiàn)聲速“低值異?！睅?。而視電阻率曲線在破碎巖層處也會(huì)呈現(xiàn)出低的幅值,二者結(jié)合可有效的劃分出破碎帶。圖1是利用聲波測(cè)井和視電阻率測(cè)井曲線來(lái)進(jìn)行劃分某隧道鉆孔巖層破碎帶的例子。該段巖層為花崗閃長(zhǎng)巖,破碎帶的位置為①:30.35～32.70m,為低速低阻帶。結(jié)合鉆探資料,鉆探日志顯示該段節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖芯呈碎塊狀,其他段巖層較完整。鉆探資料和測(cè)井曲線吻合的較好。

圖1 利用測(cè)井曲線確定巖層完整性及破碎程度

3.2 利用視電阻率、自然電位曲線、井溫曲線聯(lián)合劃分滲透性巖層

通常,第四系孔隙含水層上或基巖裂隙含水層的地層水和井液存在著明顯的礦化度差異,所以含水層上往往出現(xiàn)清楚的自電異常。異常的一般特點(diǎn)是:在含水層上,自然電位幅值大,曲線偏離基線急劇上升或下降。自電曲線的偏離方向,即出現(xiàn)正異常還是負(fù)異常,決定于地層水和井液的礦化度。同時(shí),在低礦化度的淡水層上,視電阻率曲線也有明顯的反映。含水砂層上,相對(duì)于低電阻率的黏土類地層呈現(xiàn)高阻異常;基巖裂隙含水段相對(duì)于完整致密基巖段呈現(xiàn)低阻異常。另外,地下水在巖層中的運(yùn)移過程中,不斷地與圍巖產(chǎn)生熱交換,從而改變正常的地溫,產(chǎn)生局部的相對(duì)高溫或低溫異常。異常的判別根據(jù)井溫曲線的變化和正常地溫增長(zhǎng)率的比較來(lái)確定高溫或低溫異常,進(jìn)而判別是來(lái)自淺部的低溫水還是來(lái)自深部的高溫水。三者相互配合可以很好地判別和劃分含水層,同時(shí)利用井溫曲線還可以查明地下有無(wú)熱災(zāi)害的情況。

圖2是利用視電阻率曲線、自電曲線、井溫曲線聯(lián)合劃分含水層的例子,圖2左側(cè)是視電阻率曲線,右側(cè)是自然電位曲線。對(duì)照鉆探日志和聲波曲線可知:該段巖層裂隙比較發(fā)育。圖中的標(biāo)號(hào)①:115.95～122.85m即為基巖裂隙含水層段,在該段上,視電阻率呈現(xiàn)低阻異常,自然電位呈現(xiàn)正異常,井溫曲線不符合區(qū)域正常地溫增長(zhǎng)規(guī)律。

圖2 利用視電阻率、自電、井溫曲線聯(lián)合劃分含水層

3.3 利用井斜曲線判斷鉆孔的偏斜情況

在鉆探過程中,若存在鉆機(jī)施工操作不當(dāng),或地質(zhì)條件比較復(fù)雜時(shí),往往導(dǎo)致鉆孔發(fā)生彎曲或傾斜。為此,必須進(jìn)行鉆孔頂角的測(cè)量。

表1是某鐵路隧道鉆孔的不同位置的井斜情況,按照《鐵路工程地質(zhì)鉆探規(guī)程》(TB10014—98),要求鉆探孔斜允許誤差為1.5°/100m,該鉆孔設(shè)計(jì)深度為125m,由表中數(shù)據(jù)得知:鉆孔偏離設(shè)計(jì)方向較多,不符合《鐵路工程地質(zhì)鉆探規(guī)程》,為不合格孔。

3.4 利用井中電視觀察巖層裂隙發(fā)育情況

井下攝像探頭在鉆孔中徐徐下降,攝取的孔壁圖像信號(hào)通過視頻傳輸電纜傳給地面控制器,計(jì)算機(jī)通過深度自動(dòng)控制采集,完成展開、拼接處理,顯示在屏幕上,可實(shí)時(shí)觀測(cè)孔壁圖像。

圖3為井中電視的測(cè)量結(jié)果,表明:該段巖層有一個(gè)倒“U”形裂隙,該裂隙上下還有小的裂隙分布。

表1 井斜測(cè)井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖3 井中電視的測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)論

地球物理測(cè)井技術(shù)現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于鐵路隧道勘察中,取得了一系列顯著的效果。

(1)利用聲波測(cè)井技術(shù)能夠劃分地質(zhì)剖面,區(qū)分低速帶,推測(cè)巖體的完整性程度,同時(shí)聲波測(cè)井技術(shù)與鉆探技術(shù)相配合,可以相互取長(zhǎng)補(bǔ)短,而且能彌補(bǔ)鉆探取心不足孔段的地質(zhì)資料,并且測(cè)量方便、快捷。

(2)利用視電阻率曲線、自然電位曲線、井溫曲線聯(lián)合判斷地下水的活動(dòng)位置是行之有效的。除此之外,視電阻率曲線還可以配合聲波曲線共同來(lái)判斷巖層的破碎情況,利用井溫曲線測(cè)得的地溫梯度還可以判斷地?zé)崆闆r。

(3)利用井斜測(cè)井可以判斷孔的傾斜情況,從而為鐵路隧道設(shè)計(jì)提供科學(xué)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

(4)利用井中電視可以觀察到巖層裂隙的發(fā)育情況,從而成為聲波測(cè)井資料的必要補(bǔ)充。

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