綜合地球物理勘察技術(shù)在鐵山坪隧道勘察中的應(yīng)用

袁 偉，朱永珠，幸大軍，鄒 維

(重慶市市政設(shè)計研究院，重慶 400020)

1 引 言

隨著現(xiàn)代隧道工程地質(zhì)勘察對勘探精度的要求越來越高，雖然傳統(tǒng)的地質(zhì)測繪和地質(zhì)調(diào)查、鉆探的方法可以獲得單一鉆孔位置的巖(土)體的風(fēng)化程度、巖土力學(xué)性質(zhì)等參數(shù)，但要獲得更詳細(xì)的隧道沿線的隧道圍巖級別劃分則需要更密集的鉆孔，大大增加了勘探成本。隨著綜合地球物理勘察技術(shù)的提高，音頻大地電磁法、高密度電法、綜合測井等工程物探方法可以獲得不同深度、不同尺度、不同參數(shù)的巖石物理性質(zhì)變化規(guī)律等，將這些地球物理參數(shù)結(jié)合鉆探巖心進(jìn)行標(biāo)定，可以獲得更加精確、更加寬廣區(qū)域的隧道沿線工程地質(zhì)性質(zhì)[1-3]。本文將結(jié)合音頻大地電磁法、綜合測井法和高密度電法的綜合地球物理勘察技術(shù)應(yīng)用到鐵山坪隧道工程地質(zhì)勘察中，獲得了較好的應(yīng)用效果。

2 工程概況

鐵山坪隧道作為渝長高速復(fù)線的快速入城連接通道，屬于重慶市快速路網(wǎng)的重要組成部分。線路西起內(nèi)環(huán)快速路大佛寺南橋頭，向東經(jīng)彈子石、唐家沱、魚嘴片區(qū)，終點(diǎn)在果園港接渝長高速復(fù)線，全長22.83 km。

線路區(qū)位于重慶平行嶺谷地貌區(qū)，背斜成山，向斜成谷，山高谷深，嶺谷相間，地形由北北東向窄條狀山脈和丘陵谷地組成。隧道穿越的銅鑼山為狹窄的條狀低山，北北東向20°方向延伸，與地質(zhì)構(gòu)造線方向一致，海拔高程一般為220～640 m。銅鑼山在線路南側(cè)1～5 km一線被長江切割形成峽谷(銅鑼?shí){)，往北東方向連綿起伏,一直延伸至四川盆地邊緣，長達(dá)190 km。山脈兩側(cè)地勢陡峻，多形成陡坡，山脊高程為400～500 m。兩端丘陵谷地則相對低緩，高程為200～300 m。

鐵山坪復(fù)線隧道段，隧道穿越銅鑼山，山體寬厚，北高南低，兩側(cè)山坡陡峻，切割強(qiáng)烈，山頂平緩地帶寬達(dá)1 km，起伏平緩。隧道段山頂最高點(diǎn)高程為577 m，一般標(biāo)高在500 m以上，地形坡度5°～15°。隧道最大埋深約321 m。兩側(cè)山坡坡度30°～60°，坡腳部分地形較緩，橫向沖溝發(fā)育，山體植被茂密，松柏成林，屬于鐵山坪森林公園。

線路區(qū)地層主要為一套內(nèi)陸河湖相碎屑沉積巖。鐵山坪復(fù)線隧道洞身段出露地層為三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj)地層，洞口段為侏羅系中下統(tǒng)自流井組(J2zl)、中統(tǒng)新田溝組(J2x)地層。唐桂隧道、石馬崗隧道段出露地層為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)、下沙溪廟組(J2xs)地層。海爾路出入口段、望江出入口段出露地層主要為侏羅系下沙溪廟組(J2xs)地層、中統(tǒng)新田溝組(J2x)地層。第四系松散堆積層處各洞口有較集中分布外，在銅鑼山山體兩側(cè)陡坡段也有部分分布。

3 地球物理物性特征

巖石的地球物理特征是開展各種資料解釋的前提，物性資料成果是地球物理勘探成果向地質(zhì)成果轉(zhuǎn)換的橋梁與紐帶，只有掌握客觀、豐富的物性資料，才能對物探資料作出較為準(zhǔn)確的解釋，從而獲得有意義的地質(zhì)成果[4-6]。

影響地質(zhì)體電阻率大小的主要因素有地質(zhì)體的礦物成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及含水情況等[7]。本次工作主要是根據(jù)測線地球物理反演結(jié)果，并結(jié)合地質(zhì)資料、測井及鉆探資料統(tǒng)計分析，得出了各地層所對應(yīng)的電阻率值。本文根據(jù)綜合測井結(jié)果和地面物性測試，得到的本區(qū)巖石物性特征見表1。

綜合上述三個測區(qū)主要巖層的三個主要物性參數(shù)，可以建立地電模型，作為做資料處理與地質(zhì)解釋的重要科學(xué)依據(jù)。

根據(jù)表1的巖石物性參數(shù)特征可知：砂巖的電阻率、聲波速度的平均值比泥巖高，自然伽馬平均值比泥巖、砂巖低；泥巖的電阻率、聲波速度、均低于砂巖和頁巖，自然伽馬的平均值處于中等；頁巖的電阻率、聲波速度的平均值處于中等，而自然伽馬平均值最高。因此可以根據(jù)這些物性的差異在大地電磁反演視電阻率剖面和綜合測井曲線中劃分砂巖和泥巖頁巖的分布界面。

表1 主要巖性物性特征

4 綜合地球物理勘察成果

4.1 音頻大地電磁測量結(jié)果

根據(jù)音頻大地電磁測量原理，其每個測點(diǎn)可以得到TE和TM兩種模式的數(shù)據(jù)，根據(jù)前人對大地電磁測深的二維反演模式的研究，兩種模式有不同的高低阻異常體和縱橫向分辨率[4-6]，根據(jù)本區(qū)測量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用TE和TM聯(lián)合反演模式計算測線電阻率剖面，以更好地得到地下電性結(jié)構(gòu)剖面[7，8]。

圖1為本隧道軸線正上方音頻大地電磁反演電性結(jié)構(gòu)剖面，圖中縱坐標(biāo)為海拔高程(單位km)，橫坐標(biāo)分別為物探測距(單位km)和隧道里程(單位km)，色標(biāo)為反演的視電阻率(單位Ω·m)，圖中藍(lán)色、綠色色標(biāo)代表低電阻區(qū)，然后經(jīng)黃色到紅色、紫紅色過渡到高電阻區(qū)。

結(jié)合隧道鉆探地質(zhì)剖面圖(圖2)，本區(qū)大地電磁測量結(jié)果可以反映三個方面的問題：

4.1.1 巖性分界

測線進(jìn)出口地表出現(xiàn)的藍(lán)色、綠色緩傾低阻異常帶與鉆探地質(zhì)剖面反映的泥巖分布帶基本一致；低阻帶以下黃色、紅色高阻區(qū)與砂巖對應(yīng)也比較好。高低阻數(shù)值上物性統(tǒng)計結(jié)果也具有對應(yīng)性，這反映出大地電磁法用于區(qū)分本區(qū)砂巖和泥巖的分界面具有較好的效果。

4.1.2 對破碎帶的探測

測區(qū)大地電磁反演的視電阻率斷面在里程9.4 km和10 km左右出現(xiàn)兩條明顯的低阻異常條帶，分別對比該區(qū)域的CTS13孔和CTS15孔的鉆探巖心(圖3、圖4)，可以發(fā)現(xiàn)這兩個鉆孔的巖心都出現(xiàn)了不同程度或者斷斷續(xù)續(xù)的破碎現(xiàn)象。該測區(qū)總體出現(xiàn)破碎巖心對應(yīng)低阻區(qū)的規(guī)律，因篇幅所限，這里不一一列出。該測區(qū)大地電磁法對砂、泥巖的破碎狀態(tài)具有較好的探測能力，這對隧道圍巖等級的評價和后期隧道施工突水區(qū)的提前預(yù)判具有重要意義。

圖3 CTS13孔鉆探巖芯Fig.3 CTS13 borehole core

圖4 CTS15孔鉆探巖芯Fig.4 CTS15 borehole core

4.1.3 對斷層帶的探測

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)圖和鉆探地質(zhì)剖面圖可知，測線在里程10.8 km左右出現(xiàn)高坎子壓扭性逆沖斷層，斷層走向N10°～30°E，傾向NW，傾角55°～75°，長10 km，斷距約70～250 m，如圖5所示。對應(yīng)大地電磁反演結(jié)果剖面的相應(yīng)位置可以發(fā)現(xiàn)，該大地電磁反演的視電阻率剖面并沒有在斷層位置出現(xiàn)高阻或低阻異常條帶，此位置的視電阻率斷面的高低阻界面更好地反映的是砂、泥巖的分界位置。造成此結(jié)果的原因可能有兩方面：一是此斷層為壓扭性斷層，斷層內(nèi)裂隙不發(fā)育，因而其區(qū)內(nèi)含水率并不高，造成其電性差異不大；二是此斷層下部正好為砂、泥巖的分界面，砂、泥巖的電性差異掩蓋了斷層的電性差異。

圖5 高坎子斷層地質(zhì)剖面Fig.5 Geological profile of the Gaokanzi fault

圖6 CTS9孔綜合測井成果Fig.6 Comprehensive logging results map of CTS9

4.2 綜合測井技術(shù)對鉆孔柱狀圖的校正

本次采用綜合測井技術(shù)對隧道進(jìn)行探測，包含視電阻率、自然伽瑪、聲波波速、電阻率擴(kuò)散、井溫測井等方法。具體工作內(nèi)容如下：利用巖物性參數(shù)劃分地層剖面，確定軟弱夾層厚度；劃分破碎帶、裂隙發(fā)育帶；了解孔內(nèi)地溫及自然放射性變化情況并評價其對施工運(yùn)營的影響；了解孔斜及鉆孔空間位置的變化情況；對隧道圍巖進(jìn)行彈性波分級等工作[9-15]。

根據(jù)本次測井的目的要求，將預(yù)處理后的物性參數(shù)曲線圖作為基本圖件，與鉆探剖面進(jìn)行對比，并對該鉆孔進(jìn)行定性綜合分析。

圖6為CTS9號孔綜合物探測井成果圖。由圖6可知，本測區(qū)綜合測井揭露結(jié)果與鉆探結(jié)果基本一致，但在CTS9號鉆孔綜合測井結(jié)果與鉆探巖心柱狀圖在揭露一段含炭質(zhì)頁巖位置的地方出現(xiàn)了一定的深度偏差，鉆探揭露的含炭質(zhì)頁巖在深度173～198 m范圍內(nèi)，而綜合測井根據(jù)自然伽馬和自然電位曲線圖揭露的含炭質(zhì)頁巖在深度162～182 m范圍內(nèi)。針對此差異結(jié)果，物探人員與地質(zhì)鉆探人員后期對鉆孔重新進(jìn)行檢測描述，經(jīng)討論，后期以綜合測井確定的含炭質(zhì)頁巖深度為準(zhǔn)。

4.3 高密度電法與綜合測井對斷層的探測能力

為查明高坎子斷層的具體位置和規(guī)模，在其位置布置了一條高密度電法測線，測線長300 m，點(diǎn)距5 m，采用溫納排列進(jìn)行測試，測線中間位置對應(yīng)斷層的出露位置。并在斷層位置的已完成鉆孔進(jìn)行綜合測井測試，測試結(jié)果以高密度電法反演剖面為背景，并在斷面中間鉆孔位置附上鉆孔柱狀圖和綜合測試結(jié)果的波速和自然伽馬曲線，如圖7所示。圖中縱坐標(biāo)為海拔高程(單位m)，橫坐標(biāo)為測線長度(單位m)，色標(biāo)為反演的視電阻率(單位Ω·m)，圖中藍(lán)色、綠色色標(biāo)代表低電阻區(qū)，然后經(jīng)黃色到紅色、紫紅色過渡到高電阻區(qū)。

分析圖7可以發(fā)現(xiàn)，高密度電法反演剖面從上到下大致可分為三個巖性段，淺部0～5 m為紅色高電阻率區(qū)，電阻率大于150 Ω·m，這與淺部為干燥的碎石、粉質(zhì)黏土相符。中部為藍(lán)色、綠色低阻區(qū)，并且在測線前部低阻范圍加深，電阻率小于150 Ω·m,推測此段巖體較破碎，含水率較高。底部為紅色、紫色高電阻率區(qū)，電阻率大于200 Ω·m，推測此區(qū)域巖體較完整。斷層帶內(nèi)高阻與低間隔出現(xiàn)，說明斷層帶完整性差別大，含水量差距大，巖體均勻性差。電阻率剖面反應(yīng)的低阻趨勢與斷層走向基本一致。對比綜合測井的自然伽馬曲線可知，曲線在泥巖段自然伽馬值明顯升高，在砂巖段自然伽馬值相對較低，這與上文中的物性統(tǒng)計結(jié)果相符。且高自然伽馬值正好對應(yīng)高密度電法的低阻藍(lán)色、綠色泥巖區(qū)域，低自然伽馬值正好對應(yīng)高密度電法的黃色、紅色高阻區(qū)?？梢?，高密度電法和綜合測井的自然伽馬曲線都可以很好地探測砂、泥巖分界面，且可以相互印證。

圖7 高密度電法反演的視電阻率剖面Fig.7 Apparent resistivity profile inversion by high density resistivity method

4.4 綜合測井溫度參數(shù)的應(yīng)用

對本隧道鉆孔的綜合測井的溫度參數(shù)進(jìn)行分析提取可知，該隧道沿線存在高地溫梯度和高地溫異常[16-20]。如圖(8)所示，圖中縱坐標(biāo)為海拔高程(單位km)，橫坐標(biāo)為隧道里程(單位km)，色標(biāo)為綜合測井所得的地溫(單位℃)，圖中藍(lán)色、綠色色標(biāo)代表低地溫區(qū)，然后經(jīng)黃色到紅色、紫紅色過渡到高地溫區(qū)隧道圍巖段井溫為15.60～27.1 ℃，地溫梯度最高22°/100 m>正常地溫梯度1.5°/100 m，屬地溫偏高區(qū)，通過地溫分布圖可知，K9+000～K9+300以及K9+900～K10+100段地溫皆達(dá)到26 ℃以上，超過正常隧道施工地溫。此揭露的高地溫異?？勺尯笃谒淼朗┕r提前做好應(yīng)對高地溫施工的措施。

圖8 隧道溫度變化剖面Fig.8 Tunnel temperature change profile

5 結(jié) 論

1)音頻大地電磁法對該隧道的巖體破碎帶和砂、泥巖分界面的探測具有較好的應(yīng)用效果，對橫向分布較窄的壓扭性斷層探測效果不佳。

2)高密度電法對淺部電性結(jié)構(gòu)具有較好的探測分辨率，且若將其反演的視電阻率剖面結(jié)合鉆孔測井的波速、自然伽馬等參數(shù)，可多方面驗(yàn)證探測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3)隧道勘察應(yīng)注重綜合測井技術(shù)的綜合分析，將其分析得到的較準(zhǔn)確的巖性分界面、破碎區(qū)域、水文參數(shù)、鉆孔的柱狀參數(shù)等，與音頻大地電磁和高密度電法的剖面視電阻率參數(shù)相結(jié)合，可驗(yàn)證剖面視電阻率反演結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且可將驗(yàn)證的剖面視電阻率反演結(jié)果推廣到?jīng)]有地質(zhì)鉆孔的區(qū)域，這有助于提高對隧道部位的工程地質(zhì)評價的準(zhǔn)確性。

4)本次研究根據(jù)綜合測井技術(shù)在該區(qū)獲得的溫度參數(shù)發(fā)現(xiàn)了地溫異常，可以幫助后期隧道施工時進(jìn)行提前部署，應(yīng)對高地溫施工問題。