基于代表性探測(cè)和驗(yàn)證探測(cè)的綜合物探在特長(zhǎng)燕山隧道地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

趙　松　李　翔　黃東橋　王學(xué)剛　陳大敏

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300143；2.中交第一航務(wù)工程局鐵路工程分公司，天津　300042)

The Application of Complex Geophysical Prospecting which Based on Representativeness Explore and Verification Explore in Yanshan Extreme Tunnel Geological Survey

ZHAO Song1　LI Xiang1　HUANG Dongqiao1　WANG Xuegang1　CHEN Damin2

基于代表性探測(cè)和驗(yàn)證探測(cè)的綜合物探在特長(zhǎng)燕山隧道地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

趙松1李翔1黃東橋1王學(xué)剛1陳大敏2

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300143；2.中交第一航務(wù)工程局鐵路工程分公司，天津300042)

The Application of Complex Geophysical Prospecting which Based on Representativeness Explore and Verification Explore in Yanshan Extreme Tunnel Geological Survey

ZHAO Song1LI Xiang1HUANG Dongqiao1WANG Xuegang1CHEN Damin2

摘要結(jié)合燕山隧道綜合物探的應(yīng)用實(shí)例，研究隧址區(qū)地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造的特征以及各物探方法的應(yīng)用原理和適用條件，總結(jié)出綜合物探的主要內(nèi)容、應(yīng)用原則和實(shí)施方案，以及典型地質(zhì)體的物性和電性特征。

關(guān)鍵詞特長(zhǎng)隧道勘察綜合物探代表性探測(cè)驗(yàn)證探測(cè)

1綜合物探概述

主要物探方法可以分為電法勘探、彈性波勘探和井下物探三大類(lèi)，此外，還有重力勘探、磁法勘探等。電法勘探主要包括電測(cè)深法、高密度電法、激發(fā)極化法、可控源音頻大地電磁、地質(zhì)雷達(dá)等。彈性波勘探主要包括地震勘探、超聲波法、地脈動(dòng)測(cè)試等方法。井下物探主要包括單孔或跨孔聲波探測(cè)、電測(cè)井、聲速或超聲成像測(cè)井等方法。

每種物探方法利用的物理參數(shù)各異，主要包括電阻率、極化率、介電參數(shù)等電性參數(shù)和彈性波在地質(zhì)體中的傳播速度及其特征等。由于物探是通過(guò)地質(zhì)體的這些物理參數(shù)間接地勘察其分布和特征，而地質(zhì)體的特征及其所處的地質(zhì)環(huán)境是復(fù)雜多變的，地質(zhì)體的物理參數(shù)受其自身特性和周?chē)h(huán)境的影響，不同地質(zhì)體在一定環(huán)境下可能具有相同的物理參數(shù)特征，這就導(dǎo)致物探測(cè)試具有多解性。因此，對(duì)同一地質(zhì)體通過(guò)多種物探方法開(kāi)展綜合物探是必要的，只有這樣才能抵消物探解譯的多解性，提高物探的準(zhǔn)確性。

在現(xiàn)代鐵路工程中，特長(zhǎng)深埋隧道越來(lái)越多，地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，單純依靠地質(zhì)調(diào)繪和地質(zhì)鉆探等傳統(tǒng)勘探方法已不能滿足現(xiàn)代鐵路勘察任務(wù)的需求，單一的物探技術(shù)同樣難以揭露復(fù)雜地質(zhì)體的實(shí)際地質(zhì)特征。因此，發(fā)展綜合物探技術(shù)是鐵路勘察的必然選擇。

2燕山隧道工程地質(zhì)概況

2.1　工程概況

燕山隧道地處河北省宣化縣李家堡鄉(xiāng)李家堡村與赤城縣龍關(guān)鎮(zhèn)八里莊村之間。該隧道西起自李家堡村東附近的黃土坡上，向東經(jīng)周家窯后穿越轎頂山剝蝕中山區(qū)、西水泉村北、李家窯村南、龍關(guān)鎮(zhèn)南，止于八里莊村東南，隧道最大埋深為轎頂山主峰南側(cè)557 m，最小埋深不足20 m，改DK60+000處埋深最大，進(jìn)出口部位埋深較淺。

燕山隧道設(shè)計(jì)為雙洞單線隧道，線間距為40 m，左線進(jìn)口里程為改DK52+990，出口里程為改DK74+075，長(zhǎng)21085 m，右線進(jìn)口里程為改右DK52+970，出口里程為改右DK74+110，長(zhǎng)21140 m，是新建張家口至唐山鐵路中最長(zhǎng)的越嶺隧道，也是張?zhí)凭€的Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。

2.2　地質(zhì)概況

燕山隧道綿延在燕山山脈西段中低山區(qū)及趙川盆地、龍關(guān)盆地三大地貌單元之中，穿越龍關(guān)穹褶束Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元的華北地臺(tái)燕山臺(tái)褶帶北緣西段。地質(zhì)條件主要受斷裂構(gòu)造和火山活動(dòng)控制，區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，洞身范圍內(nèi)斷裂構(gòu)造、褶皺構(gòu)造和巖性接觸帶較為發(fā)育，在隧道西段發(fā)育一處較完整的火山噴發(fā)-侵入旋回。

隧址區(qū)主要地層為太古界、長(zhǎng)城系、燕山期及進(jìn)、出口少量的第四系地層。隧址區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害包括隧道突水、圍巖失穩(wěn)及塌方掉塊、高地應(yīng)力和地下水流失等。

(1)隧址區(qū)地質(zhì)發(fā)展史

該區(qū)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地質(zhì)發(fā)展歷史，據(jù)地質(zhì)記錄，大體可分三個(gè)性質(zhì)不同的發(fā)展階段，即新太古代基底形成階段，中元古代蓋層發(fā)展階段和中、新生代地臺(tái)活化階段。

基底形成階段：

新太古宙變質(zhì)巖系經(jīng)歷了漫長(zhǎng)而復(fù)雜的演化歷史。大約25億年前，沉積了中基性火山巖夾沉積巖，在五臺(tái)運(yùn)動(dòng)的作用下，發(fā)生褶皺變形，并遭受高角閃巖相變質(zhì)，形成中朝準(zhǔn)地臺(tái)的結(jié)晶基底的雛型。由于呂梁運(yùn)動(dòng)的影響，基底地層發(fā)生褶皺回返，隨后地殼抬升剝露于地表，形成比較穩(wěn)定的克拉通基底。

蓋層發(fā)展階段：

準(zhǔn)地臺(tái)結(jié)晶基底形成之后，轉(zhuǎn)入了相對(duì)穩(wěn)定的蓋層發(fā)展階段。階段初期一度處于長(zhǎng)城一級(jí)海平面升降旋回，期間依次經(jīng)歷了常州溝期、串嶺溝期、團(tuán)山子期和大紅峪期等地質(zhì)時(shí)期，直到大紅峪末期的青龍運(yùn)動(dòng)使地殼整體抬升，從而結(jié)束了這一構(gòu)造旋回。繼青龍運(yùn)動(dòng)之后，地殼活動(dòng)又趨于穩(wěn)定，盆地主要以均勻升降為主，在高于莊期和霧迷山期的沉積之后，中元古代的蓋層沉積歷史即宣告結(jié)束。

地臺(tái)活化階段：

自中生代開(kāi)始，本區(qū)進(jìn)入地臺(tái)活化階段。由于太平洋板塊向北西持續(xù)俯沖，中侏羅世堆積了一套紫紅色碎屑巖建造，并伴有中性火山巖噴溢。晚侏羅世地殼活動(dòng)加劇，火山活動(dòng)以爆發(fā)為主，在區(qū)內(nèi)西部形成了方家溝火山沉積盆地。到新生代早期以差異性升降為主，晚期整體處于間歇性抬升階段，并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕。隧道西段的火山噴發(fā)-侵入構(gòu)造即在該階段形成。

(2)隧址區(qū)主要地質(zhì)構(gòu)造

燕山隧道位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)燕山臺(tái)褶帶北緣西段，隸屬于龍關(guān)穹褶束Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元。區(qū)內(nèi)出露準(zhǔn)地臺(tái)的基底(晚太古代變質(zhì)巖系)和蓋層沉積(中元古代、中生代、新生代地層)。從構(gòu)造形跡上看，基底以褶皺變形為主，蓋層以斷裂構(gòu)造為主。

斷裂構(gòu)造為影響隧道工程的主要構(gòu)造。其中，朱家營(yíng)斷層位于隧道西段(小里程端)方家溝-朱家營(yíng)一帶，近直線形展布，走向北北東，傾向南東，傾角85°，地貌多呈鞍部，航片上線性影像清楚，切割新太古代崇禮巖群水地莊巖組和晚侏羅世張家口組，斷層規(guī)模較大。斷層破碎帶以張性角礫巖為主，角礫成分隨地而異，并沿帶有石英正長(zhǎng)斑巖脈侵入，活動(dòng)性質(zhì)以張剪性正斷層為主。吳家溝—辛窯斷層主要分布在吳家溝三岔口、辛窯、八里莊一帶。北東向展布，近直線形，傾向北西，傾角70°，切割新太古代崇禮巖群水地莊巖組和中元古代常州溝組、串嶺溝組、團(tuán)山子組。地貌多呈溝谷，航片上有清楚的線性影像。在辛窯處有斷層泉出露，破碎帶以張性角礫巖為主，并可見(jiàn)高嶺土化。在斷面上可見(jiàn)明顯的擦痕、階步。斷層性質(zhì)以張剪性正斷層為主，其活動(dòng)時(shí)代為中、晚侏羅世。

3燕山隧道綜合物探應(yīng)用過(guò)程

3.1　實(shí)施原則

隧址區(qū)復(fù)雜的地形地貌使其地球物理場(chǎng)的分布產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，形成了形態(tài)各異的假異常，難以找到合適的校正模型把真正異常從復(fù)雜地形干擾中分離出來(lái)。通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)長(zhǎng)大隧道的勘察經(jīng)驗(yàn)結(jié)合燕山隧道的地質(zhì)特點(diǎn)，決定本次綜合物探以可控源音頻大地電磁和高頻大地電磁兩種方法為主，輔以電測(cè)深、地震折射、聲波測(cè)井、物探綜合測(cè)井和孔內(nèi)全景式數(shù)字?jǐn)z影等方法。同時(shí)，在重要地質(zhì)異常段落設(shè)計(jì)旁側(cè)線和橫測(cè)線，對(duì)異常段落進(jìn)行驗(yàn)證和詳細(xì)勘探。

為了論證大地電磁在特長(zhǎng)燕山隧道這種地質(zhì)條件下的應(yīng)用效果，取得全面開(kāi)展特長(zhǎng)隧道勘探的經(jīng)驗(yàn)。初期選擇典型段落進(jìn)行大地電磁效果試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與前期遙感判釋和地質(zhì)調(diào)繪結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：燕山隧道在小里程端和大里程端分別有侵入火山巖和沉積巖發(fā)育，在隧道中段是巖性較單一的變質(zhì)巖，巖體電性特征受影響較小，地球物理特征正常，大地電磁應(yīng)用效果較好?？碧竭^(guò)程中，在局部地形較好段落，采用常規(guī)地震和直流電法進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)勘探，核實(shí)驗(yàn)證大地電磁異常，判定斷層和富水段落的位置和性質(zhì)。此外，采用綜合測(cè)井和孔內(nèi)全景式數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量，直接在鉆孔內(nèi)對(duì)巖土層進(jìn)行測(cè)試，劃分隧道圍巖級(jí)別，測(cè)定巖土層的地球物理特性，補(bǔ)充和驗(yàn)證了大地電磁成果。

3.2　實(shí)施方案

首先，選擇地形條件好的典型地質(zhì)段落進(jìn)行大地電磁代表性探測(cè)，得到隧址區(qū)典型地層巖性的視電阻率特性。然后，將可控源音頻大地電磁和高頻大地電磁相結(jié)合，對(duì)全隧道實(shí)施貫通的大地電磁探測(cè)，得到隧址區(qū)不同段落地層巖性的視電阻率變化規(guī)律。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)圖、遙感判釋和地質(zhì)調(diào)繪綜合分析確定斷層構(gòu)造和富水段落等物探異常的位置。最后，因?yàn)榈刭|(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性和物探解譯的多解性，得到的物探異常位置及其種類(lèi)需要多方面的驗(yàn)證探測(cè)：①根據(jù)地形條件的適宜性布置旁側(cè)線或橫測(cè)線，驗(yàn)證不良地質(zhì)的產(chǎn)狀等空間狀態(tài)；②針對(duì)疑似富水段落，布置電測(cè)深法測(cè)試，驗(yàn)證其真實(shí)性；③針對(duì)疑似斷層構(gòu)造段落，布置地震折射法測(cè)試，驗(yàn)證其真實(shí)性；④后期地質(zhì)鉆探階段的布孔要考慮對(duì)物探異常的驗(yàn)證，利用地質(zhì)鉆孔，根據(jù)物探異常的特征，有針對(duì)性地布置聲波測(cè)井、物探綜合測(cè)井和孔內(nèi)全景式數(shù)字?jǐn)z影測(cè)試，進(jìn)一步對(duì)物探異常進(jìn)行驗(yàn)證，并測(cè)定物探異常的詳細(xì)參數(shù)(斷層構(gòu)造的地層巖性、破碎程度、斷層帶充填物和富水段落的水文地質(zhì)參數(shù)等)。

以燕山隧道綜合物探的過(guò)程為例，總結(jié)出綜合物探的實(shí)施方案(見(jiàn)圖1)，具體的物探方法會(huì)隨隧址區(qū)地層巖性和構(gòu)造特征的不同而異。

圖1　綜合物探實(shí)施方案

3.3　數(shù)據(jù)處理

自主研究開(kāi)發(fā)了以提高精度為目的的數(shù)據(jù)反演方法，成果突出低阻異常，圖像清晰，信息豐富，效果顯著，在大地電磁數(shù)據(jù)處理和解譯技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)展。

數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)用頻點(diǎn)加密技術(shù)，使縱向分辨率得以提高。反演時(shí)采用非線性反演和快速松弛法技術(shù)，使反演精度得以提高。針對(duì)不同異常體采用適宜的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，使地下水和不良地質(zhì)體區(qū)域凸顯，有效提高了物探解譯的精度。

4燕山隧道綜合物探勘探成果

綜合物探在各自方法創(chuàng)新性研究的基礎(chǔ)上，對(duì)成果進(jìn)行深入融合，對(duì)典型異常用多種方法互相驗(yàn)證，成果顯著。

(1)找到了洞身巖體電阻率特征

隧道西段(改DK52+990～改DK60+800)視電阻率特征整體偏高，巖性主要為侏羅系安山巖及燕山期二長(zhǎng)花崗巖、正長(zhǎng)斑巖和石英正長(zhǎng)斑巖，表層及進(jìn)口出現(xiàn)低阻，為第四系地層的反應(yīng)，該段巖體整體較完整。隧道中段(改DK60+800～改DK71+600)視電阻率特征相對(duì)偏低，巖性以太古界片麻巖和花崗片麻巖為主，局部段落斷層構(gòu)造發(fā)育，巖體整體較完整，局部較破碎。隧道東段(改DK71+600～改DK74+075)視電阻率特征整體偏高，巖性以太古界片麻巖、長(zhǎng)城系粉砂巖、石英砂巖、頁(yè)巖和白云巖為主，巖體整體較完整，但在改DK71+750～改DK73+100段發(fā)育3處斷層，巖體破碎，導(dǎo)致該段落視電阻率偏低。

(2)查明了深部復(fù)雜斷層

對(duì)大地電磁數(shù)據(jù)采用提高精度的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，成功查明洞身斷層15處。對(duì)重大斷層布置旁側(cè)線和橫測(cè)線，查明了其分布和規(guī)模。后期，通過(guò)鉆探驗(yàn)證3處，其中1處被驗(yàn)證為巖性接觸帶；通過(guò)工程地質(zhì)調(diào)繪驗(yàn)證2處；通過(guò)工程地質(zhì)調(diào)繪和鉆探共同驗(yàn)證1處。

(3)查明了主要富水段落

將物探結(jié)果與水文地質(zhì)調(diào)查、水文地質(zhì)鉆探和試驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)隧址區(qū)的水文地質(zhì)單元及泉域邊界進(jìn)行系統(tǒng)的劃分，進(jìn)而對(duì)隧道分段涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，指出了該隧道左、右線共30段突水突泥極高風(fēng)險(xiǎn)段落和8段突水突泥高風(fēng)險(xiǎn)段落。

(4)施工開(kāi)挖驗(yàn)證

燕山隧道綜合物探共揭露低阻異常36處，通過(guò)對(duì)其中重要的異常位置進(jìn)行鉆探驗(yàn)證和施工階段的開(kāi)挖驗(yàn)證，判定綜合物探準(zhǔn)確率達(dá)到了85%以上。通過(guò)實(shí)施綜合物探，為隧道工程地質(zhì)和水文地質(zhì)以及圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了重要依據(jù)。

5結(jié)論

(1)視電阻率等值線多閉合，局部扭曲，疏密不均具，多具方向性。當(dāng)斷層與表層第四系地層連通，斷層低阻區(qū)與表層第四系低阻區(qū)也會(huì)連通，斷層段落閉合等值線現(xiàn)象隨之消失；②斷層發(fā)育段落往往也是明顯的低阻異常段落；③視電阻率等值線突然失去連續(xù)性，層位上下錯(cuò)動(dòng)。

(2)富水段落一般在斷層、巖性接觸帶及節(jié)理裂隙密集帶等巖體破碎有儲(chǔ)水空間的段落較發(fā)育，該段落常常表現(xiàn)為明顯的低阻區(qū)，并伴以低阻閉合圈。

(3)多種物探方法的相互驗(yàn)證和典型地質(zhì)體物性和電性特征的總結(jié)，一定程度上抵消了物探測(cè)試多解性對(duì)物探準(zhǔn)確率的影響。以可控源音頻大地電磁和高頻大地電磁兩種方法為主，輔以電測(cè)深、地震折射、聲波測(cè)井、物探綜合測(cè)井和孔內(nèi)全景式數(shù)字?jǐn)z影等方法的綜合物探方法在特長(zhǎng)深埋隧道勘探中的應(yīng)用效果顯著。

(4)代表性探測(cè)是綜合物探應(yīng)用的前提，是針對(duì)巖土體特性的多變性和復(fù)雜性而采取的物探措施，可以得到具體工程場(chǎng)地內(nèi)巖土體的物性和電性特征，為接下來(lái)物探異常的解譯提供依據(jù)；驗(yàn)證探測(cè)是綜合物探應(yīng)用中不可或缺的組成部分，是針對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性和物探解譯的多解性而采取的物探措施，可以有效提高物探探測(cè)的準(zhǔn)確率；代表性探測(cè)、貫通探測(cè)和驗(yàn)證探測(cè)是綜合物探的主要內(nèi)容。

(5)綜合物探是一種間接勘察方法，是對(duì)遙感判釋和地質(zhì)調(diào)繪結(jié)果的進(jìn)一步驗(yàn)證，是地質(zhì)勘察的進(jìn)一步細(xì)化。同時(shí)，綜合物探結(jié)果也需要后期鉆探和試驗(yàn)的驗(yàn)證。

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中圖分類(lèi)號(hào)：U25

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-7479(2015)04-0052-03

作者簡(jiǎn)介：第一趙松(1985—)，男，2013年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)巖土工程專(zhuān)業(yè)，碩士，助理工程師。

收稿日期：2014-04-17