隧道勘察中的物探方法

丁海紅 姜巍巍

摘要：隧道建設(shè)是一項(xiàng)民生工程，但自然界種種復(fù)雜的地質(zhì)問題會(huì)對(duì)其造成一定的影響，因此隧道擬建和建成后均需進(jìn)行地質(zhì)勘查，從而采取相應(yīng)措施保證隧道的安全穩(wěn)定，物探方法是隧道勘察的有效方法之一。本文介紹了隧道勘察中幾種常見的物探方法，并分析了各種方法的優(yōu)劣勢(shì)，指出隧道勘察不應(yīng)局限于某一方法，而應(yīng)是多方法、綜合性。

關(guān)鍵詞：物探方法；隧道勘察；地質(zhì)特征

近年來，因基礎(chǔ)建設(shè)需求增加，道路建設(shè)突飛猛進(jìn)，真正實(shí)現(xiàn)了天塹變通途。為滿足設(shè)計(jì)要求，路線在山嶺重丘區(qū)不可避免需采用隧道工程，這些隧道在建設(shè)中面臨著種種復(fù)雜的地質(zhì)問題，這些問題必須查明摸清，而在隧道勘察方法中，物探方法便首當(dāng)其沖。

1. 隧道勘察要解決的問題

一個(gè)地區(qū)擬建隧道，首先需進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查和工程勘察，以查明隧道工程場(chǎng)址的地質(zhì)、構(gòu)造背景，了解是否存在煤層、礦體、采空區(qū)、破碎帶等不利因素及擬建區(qū)的水文地質(zhì)特征，使隧道工程設(shè)計(jì)盡可能避讓掉不良地質(zhì)現(xiàn)象，從而為隧道選址、路線展布等提供一定的地質(zhì)依據(jù)。即便隧道建成投入使用后，一些特殊構(gòu)造仍在長期緩慢發(fā)展過程中，對(duì)隧道工程造成潛在威脅。因此，要想隧道工程成為一項(xiàng)利國利民的長遠(yuǎn)工程，就必須對(duì)隧道工程進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)，隨時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，并采取合理措施，將隱患降至最低。

2. 隧道勘察的常用物探方法

隧道勘察不同于礦產(chǎn)勘查的單一特征，既需要對(duì)地層進(jìn)行詳細(xì)分層，又需要探測(cè)某些特殊的目標(biāo)體，而這些目標(biāo)體可能是溶洞、含水層，亦有可能是斷裂、裂隙等。因此，隧道勘察中能夠采用的物探方法較多，最常用的物探方法包括地震勘探法[1-5]、高密度電阻率法[1-6]、可控源音頻大地電磁測(cè)深法[4-6]、氡濃度測(cè)量法[7]、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法[8]等。

2.1 地震折射波法

地震勘探法使用的前提是巖石、地層與目標(biāo)體間存在彈性性質(zhì)方面的差異，其原理是激發(fā)人工地震波（一般為炸藥），波于地下不均勻的介質(zhì)中傳播，當(dāng)介質(zhì)界面彈性性質(zhì)差異較大，反射和折射現(xiàn)象便出現(xiàn)了，在地面，反饋回的地震波被預(yù)先安置的地震儀接受并分析處理，從而將不同的分界面性質(zhì)解譯出，來推斷地層的構(gòu)造形態(tài)。

顧名思義，地震折射波法是通過在地面埋設(shè)一定排列和數(shù)量的檢波器，檢波器接受如上段所述的折射波反饋到地面的信號(hào)，再將此信號(hào)傳輸入地震儀，地震儀對(duì)接收到的折射波信號(hào)進(jìn)行放大處理，同時(shí)將折射波波形保存記錄于磁盤中。后期經(jīng)系列預(yù)處理后繪制出時(shí)距曲線圖，折射波法勘察過程中地震波隨時(shí)間距離的衰減情況可由折射波資料和解譯結(jié)果計(jì)算、分析得出，該法能有效計(jì)算各地層縱波速度，并結(jié)合地質(zhì)情況進(jìn)行綜合物探解釋，進(jìn)行地質(zhì)-物探剖面解譯。

優(yōu)勢(shì)：地震折射波法探測(cè)深度屬于淺層探測(cè)范疇，該方法主要通過波速異常分析準(zhǔn)確定量勘察覆蓋層及松散風(fēng)化層厚度情況；對(duì)隧道軸線展布方向所經(jīng)地層準(zhǔn)確分層、劃分隧道圍巖類別；并能通過不同介質(zhì)分界面速度差異探明諸如構(gòu)造破碎帶之類的隱伏構(gòu)造位置，該方法在埋深較淺的隧道勘察中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

不足：勘探深度較淺，在深埋隧道勘察中無法應(yīng)用；無法追蹤斷裂構(gòu)造的產(chǎn)狀；多采用炸藥激發(fā)人工地震波，而民爆物質(zhì)有一定的管理限制，施工難度逐年加大。

2.2 地震反射波法

巖石、地層與目標(biāo)體間存在彈性性質(zhì)方面的差異亦是地震反射波法運(yùn)用的前提，震源方式與折射波法相同，反射波法檢波器與地震儀的埋設(shè)方法與折射波法類似，所不同的是，反射波法檢波器收集的是地震波從不同地層界面反射回的地震反射記錄，通過地震儀進(jìn)行處理放大。反射波資料需經(jīng)過解譯，濾波、切波處理、速度分析及動(dòng)態(tài)校正等處理，通過譜分析提取速度資料，結(jié)合地質(zhì)情況開展地質(zhì)-物探綜合解釋。

優(yōu)勢(shì)：探測(cè)深度大于折射波法，適用于中深層埋深的隧道勘察，同樣可用于探測(cè)覆蓋層及風(fēng)化層厚度、圍巖分層級(jí)等級(jí)劃分，查明斷層、破碎帶、巖溶土洞發(fā)育情況。另外，可判定斷層產(chǎn)狀，對(duì)于構(gòu)造的展布和規(guī)模相對(duì)較小的次級(jí)構(gòu)造跡象追蹤也具有一定的效果。

不足：無法直觀地顯示速度數(shù)據(jù)，需通過系列預(yù)處理進(jìn)而分析速度譜來提取速度資料；用作震源的炸藥管理嚴(yán)格，獲取難度逐年加大。

2.3 高密度電阻率法

地下被探測(cè)目標(biāo)地質(zhì)體與圍巖的電性差異是高密度電阻率法得以開展的前提，該法采用人工法建立地下穩(wěn)定直流電場(chǎng)的方式，利用預(yù)定裝置及預(yù)定排列方式掃描觀測(cè)。通過收集研究傳導(dǎo)電流在地下的分布情況，分析探測(cè)目標(biāo)體賦存空間內(nèi)視電阻率變化情況。測(cè)量時(shí)一次性將全部電極布設(shè)好，能夠自動(dòng)化跑極和采集數(shù)據(jù)，且將剖面和測(cè)深融合于一體。測(cè)量數(shù)據(jù)直接傳輸入計(jì)算機(jī)，可對(duì)實(shí)測(cè)視電阻率剖面處理、解譯，從而得出地電斷面各類圖解。

優(yōu)勢(shì)：與一般電阻率法相比，該法一次布設(shè)完全部電極，故因電極設(shè)置引起故障和干擾的可能性得以降低，同時(shí)亦為快速化和自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)提供了便利，還能避免手工操作導(dǎo)致的錯(cuò)誤；工作模式多樣化，可采用若干種電極排列方式，能夠采集更豐富的斷面信息，從而獲取更翔實(shí)的結(jié)構(gòu)特征信息；具備預(yù)處理數(shù)據(jù)功能，剖面形態(tài)得以直觀顯示，化抽象數(shù)據(jù)為圖像化；一次測(cè)量完成了縱橫二維數(shù)據(jù)采集，以低成本的投入，實(shí)現(xiàn)了高效率工作，獲取了豐富信息的結(jié)果，勘探能力顯著提高，達(dá)到了事半功倍的效果。實(shí)際應(yīng)用方面，適用于埋深深度為中深層的隧道探測(cè)，尤其適用于隧道口勘察，利用視電阻率相對(duì)差異對(duì)覆蓋層及風(fēng)化層厚度、圍巖分層劃分等實(shí)現(xiàn)定性區(qū)分，利用視電阻率低異常查明斷層、破碎帶、巖溶土洞發(fā)育情況，除此之外，還可用于中深層賦水狀況分析。

不足：高密度電阻率法勘探區(qū)域呈現(xiàn)為倒梯形形狀，勘探深度越大，勘探范圍則越小，從而導(dǎo)致勘探區(qū)域兩側(cè)有一定盲區(qū)。受地形條件及測(cè)試儀器的制約，越嶺隧道勘察困難性大，且勘察深度有一定限制。雖能直觀地反映目標(biāo)體界面形態(tài)，但在解釋各界面埋深情況方面尚屬于定性分析，尤其在地形復(fù)雜地區(qū)，無法準(zhǔn)確確定埋深。

2.4 可控源音頻大地電磁測(cè)深

勘察目標(biāo)體與圍巖之間的電性差異亦是可控源音頻大地電磁測(cè)深（CSAMT法）開展的前提，該法系利用人工場(chǎng)源，沿一定方向布設(shè)接地導(dǎo)線，將某一音頻的諧變電流供入地下，之后沿導(dǎo)線展布方向布設(shè)測(cè)線，沿測(cè)線觀測(cè)彼此垂直的電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量，進(jìn)而計(jì)算卡尼亞電阻率。CSAMT法通過使用不同頻率的電流達(dá)到探測(cè)不同深部的目的。

優(yōu)勢(shì)：工作效率高；具有強(qiáng)信號(hào)以及強(qiáng)抗干擾能力，受地形影響??；勘探深度范圍大，一般可達(dá)1km～2km；對(duì)低阻異常敏感，具備很高的橫向分辨能力及很強(qiáng)的視電阻率分辨能力。應(yīng)用方面，適用于深大隧道勘察，尤其適用于隧道洞身勘察，可宏觀把握長大深埋隧道洞身的分層情況、斷裂、巖溶及含水性特征。

不足：CSAMT法的近場(chǎng)效應(yīng)是對(duì)數(shù)據(jù)采集過程影響最大的因素。此影響需采取補(bǔ)救措施減小其影響，譬如采用大距離接收法。應(yīng)用方面，表現(xiàn)出對(duì)淺層信息解譯精度較差，異常不夠細(xì)化，局部有多解性；分層方面也屬于定性分析。

2.5 氡濃度測(cè)量

氡氣測(cè)量是放射性測(cè)量的一種，地層中含有以鈾同位素為主的放射性元素，鈾會(huì)發(fā)生系列衰變，最終形成氡。當(dāng)?shù)貙又杏袛嗔?、裂隙、破碎帶存在時(shí)，一般會(huì)出現(xiàn)相較于圍巖的高濃度氡異常，氡氣測(cè)量便是據(jù)此濃度差而開展的勘測(cè)工作，從而接近尋找地層中的斷裂破碎帶。

氡氣濃度測(cè)量數(shù)據(jù)處理較簡(jiǎn)單，將采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，使用作圖軟件做出曲線圖或平面圖，再結(jié)合地質(zhì)、鉆孔資料，便可繪制地質(zhì)-物探綜合圖。

優(yōu)勢(shì)：無須布設(shè)電極、測(cè)線等，儀器輕便，操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)數(shù)量簡(jiǎn)單易懂。

不足：該方法的應(yīng)用需以存在斷裂破碎帶為前提；勘探深度較淺。

2.6地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法的使用依托于目標(biāo)體與圍巖的波阻抗不同，具體原理是利用不同介質(zhì)面對(duì)電磁波的反射原理，進(jìn)而對(duì)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行成像處理。

優(yōu)勢(shì)：能探測(cè)出探測(cè)面前方一定范圍內(nèi)的地質(zhì)、構(gòu)造情況，如巖性變化情況，地層中的空洞、含水層等的分布情況。使用于洞內(nèi)勘察，可作為地震電法磁法的補(bǔ)充方法，為隧道后續(xù)整治提供依據(jù)。

不足：超前探測(cè)的距離不大；探測(cè)深度較淺。

3. 隧道勘察的發(fā)展前景

尺有所短、寸有所長，不難看出每種物探勘探方法均有優(yōu)缺點(diǎn)，沒有一種方法是解決問題的萬能鑰匙，而在實(shí)際應(yīng)用中，亦是以綜合物探方法的形式開展的，現(xiàn)簡(jiǎn)要列舉兩個(gè)典型應(yīng)用實(shí)例如下：

（1）隧道施工前勘察實(shí)例[7]：在廣梧高速公路隧道勘察中，周孝宇等學(xué)者采取了以地震折射波法和反射波法為主的勘察方法，初步查找覆蓋層與下伏基巖的分界面信息，同時(shí)勾勒斷裂位置及產(chǎn)狀；輔以高密度電阻率法，根據(jù)其表現(xiàn)出的高低阻相間異常，推測(cè)出存在巖溶或斷裂構(gòu)造的大致位置；再應(yīng)用CSAMT法和土壤氡濃度測(cè)量法，結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)一步確認(rèn)了幾處斷裂破碎帶和節(jié)理裂隙發(fā)育帶，并將產(chǎn)狀和位置描述出。斷裂破碎帶處折射波法體現(xiàn)出低波速特征，高密度電阻率法和CSAMT法表現(xiàn)為視電阻率低，測(cè)氡法顯示氡濃度高，地質(zhì)上地貌特征為較深溝谷?？辈旖Y(jié)果經(jīng)鉆探驗(yàn)證吻合度較好，為該隧道施工提供了依據(jù)。

（2）隧道建成后勘察實(shí)例[8]：新建成的婁邵鐵路張家灣隧道巖溶整治勘察時(shí)，卿志等研究者采取了地表與隧道內(nèi)勘察并行的方法，將大地電磁測(cè)深法應(yīng)用于地面勘察，用以勘察地表到隧道洞身部分的巖溶特征；而在隧道內(nèi)，運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)勘探技術(shù)，旨在確定溶洞發(fā)育處與隧道的確切空間位置關(guān)系。經(jīng)實(shí)踐，大地電磁測(cè)深法反映出溶洞部分為相對(duì)低電阻率，該法不僅從宏觀層面查明了地質(zhì)特征和巖溶情況，并將附近地下水的主要滲流通道均顯示出，但巖溶異常與隧道的相對(duì)位置關(guān)系表達(dá)得不甚清晰；而地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)反映出強(qiáng)反射信號(hào)區(qū)段中出現(xiàn)繞射形態(tài)處便為溶洞，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果對(duì)前者反映的溶洞異常信息予以了細(xì)化表述，詳細(xì)顯示出隧道圍巖內(nèi)巖溶異常的空間位置，二者結(jié)果為整體與局部的結(jié)合，宏觀與微觀的聯(lián)系，最終勘察結(jié)果為后續(xù)整治工作提供了依據(jù)，整治結(jié)果經(jīng)測(cè)試表明是有效的。

綜上所述，隧道勘察實(shí)際應(yīng)用中地質(zhì)情況復(fù)雜多變，各類因素相互影響，彼此牽連，因此在物探方法的選擇上更要取長補(bǔ)短、因地制宜、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，隧道勘察的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)建立在理性分析的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地將物探勘察技術(shù)進(jìn)行多方法、綜合性合理組合運(yùn)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃潘，王傳雷，劉兵，等.綜合物探方法在隧道勘察中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2009，6（4）：503～507.

[2] 楊勇.綜合物探方法在附件高速公路隧道勘察中的應(yīng)用[J].福建地質(zhì)，2010，29（2）：128～134.

[3] 周竹生，豐赟.隧道勘察中的綜合物探方法[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2011，26（2）：724～731.

[4] 尚小衛(wèi).物探方法在山體隧道勘察中的應(yīng)用[J].西部探礦工程，2012，（5）：177～179.

[5] 楊可.隧道勘察中物探和鉆探方法結(jié)合應(yīng)用分析[J].山西建筑，2015，41（20）：85～87.

[6] 覃圖觀，馮毅.兩種物探方法在觀音巖隧道勘察中的應(yīng)用[J].云南地質(zhì)，2015，34（3）：444～448.

[7] 周孝宇.綜合物探方法在隧道勘察中的應(yīng)用[J].廣東公路交通，2006，（97）：5～9.

[8] 卿志.綜合物探在婁邵鐵路張家灣隧道巖溶病害整治勘察中的應(yīng)用[J].資源環(huán)境與工程，2014，28（2）：193～196.