综合物探在娄邵铁路张家湾隧道岩溶病害整治勘察中的应用

卿 志

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

综合物探在娄邵铁路张家湾隧道岩溶病害整治勘察中的应用

卿 志

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

岩溶作为一种不良地质病害，对隧道施工造成了严重的威胁。受隧道场地条件及物探方法自身应用条件的限制，常规物探方法的勘察效果不理想。根据张家湾隧道的特点，尝试地面与洞内勘察相结合的方法，采用高频大地电磁法与地质雷达法进行综合物理勘探，取得了理想的效果，论证了两种方法在隧道岩溶病害整治中的有效性及互补性。

岩溶隧道;综合物探;高频大地电磁法;地质雷达法

0 引言

岩溶的存在使得隧道的围岩力学状态更为复杂，客易造成围岩中应力过度集中，隧道周边变形量增加，从而引起施工中局部围岩的坍塌、掉块;若溶洞中存在岩溶水或充填物，施工过程中容易发生突水、突泥等工程灾害，直接危及施工人员和机械设备的安全，并造成隧道建成后运营环境及地表生态环境的恶化。

隧道的岩溶病害勘察主要以物探方法为主，受隧道场地条件及物探方法自身应用条件的限制，常规直流电法、地震反射、高密度电法、瞬变电磁法等在复杂地形条件下的隧道岩溶病害勘察中应用效果均不理想。在前人研究的基础上，此次张家湾隧道岩溶病害勘察工作，笔者尝试采用地表与洞内相结合的综合物探方法展开工作，取得了理想的勘察效果。

1 工程概况

新建娄邵铁路张家湾隧道位于湖南省娄底市附近中山丘陵地区，隧道埋深约50～120 m，隧道围岩以灰岩为主。任务段穿越附近山地汇水区域，山高谷深，岩溶地貌发育，地表渗流严重。隧道施工以来先后遇到三处较大溶洞，并发生了涌水险情，涌水量最大达710 m3/h;地表形成了直径约4.5 m、深约5 m的圆形陷坑。根据对涌水情况及抽水后现场情况观察，多处已施工完成的隧道二衬出水孔水量很大，且带有大量泥沙;二衬多处开裂、渗水，隧道结构受到破坏，给今后隧道的运营留下极大的隐患。需要查明隧道周边岩溶空间位置及规模，周边岩溶与隧顶岩溶洼地及地表塌陷的关系，以备确定施工整治方案。

2 物探方法选择［1－7］

常规的物探勘察方法有常规直流电法、地震反射、高密度电法、瞬变电磁等。其中常规直流电法与高密度电法受地形条件限制，不适合做越岭隧道岩溶勘察;地震反射法受民爆物质管理的限制，在工程勘察中应用难度逐年增加;瞬变电磁法勘探深度与线圈面积直接相关，复杂地形下外业工作特别困难，同时受关断效应影响，早期视电阻率没有利用价值，无法提供从地表到隧道洞身的连续地电信息，因此，该方法也不适用于复杂地形条件下的隧道岩溶勘察。

近年来铁四院及中南大学的专家学者通过对鄂西、湘中、滇北、晋东以及内蒙古中部地区大量实测的10 Hz～100 kHz大地电磁信号特征的研究，将大地电磁法的频带上限扩展到100 kHz的，从而提出了高频大地电磁测深的概念，并在宜万、贵广、向莆等多条复杂山区铁路针对埋深在50～1 000 m的隧道开展了大量勘察实践工作，在深部隧道岩溶、断层、岩性接触带查找等方面取得了突破。

洞内勘察方法中地质雷达法以其非破坏性探测、抗干扰性强、分辨率高、可连续测量等优势，在隧道围岩岩溶勘察方面得到了广泛应用。

根据任务的具体要求及隧道场地条件，此次任务尝试采用地面与洞内勘察相结合的方法，地面采用高频大地电磁法作为勘测手段，主要探查从地表到隧道洞身附近的岩溶发育情况及岩溶与地表塌陷、地下水渗流通道的关系;洞内选用地质雷达法，主要了解隧道围岩内岩溶发育带的准确空间位置及与隧道病害的关系。

3 数据采集及资料解释

3.1 高频大地电磁法

高频大地电磁法测线沿隧道中线布置，穿越DK17+260—+265地表塌陷处，采用连续剖面测深方式，矢量观测，点距15 m(见图1)。因测线穿越山顶村落，为改进数据质量、提高信噪比，本次勘测加设人工场源。

根据以往大量的工程实例所反映的一个普遍规律:只要不是与外界连通的无充填溶洞，岩溶在高频大地电磁法地电断面上呈现的都是低电阻率异常。由于高频大地电磁的高频端达到100 kHz，对于埋深数十米的岩溶隧道具有独特的纵横向高分辨率，其异常特征主要表现为与岩溶形态的相似性，反映了岩溶向下发育的管道状特征;对水平发育带中的岩溶，当规模较大且有水平延伸时，会形成封闭的低阻异常，其中一个最普遍、最重要的异常现象是高阻中出现相对低阻异常区［1－2］。

图2是张家湾隧道高频大地电磁法数据通过非线性共轭梯度反演(NLCG)得到的地电断面图。如图所示，浅部低电阻率主要对应地表第四系覆盖层，部分向深部延伸的低阻凹槽为灰岩溶槽、地下水渗流通道的反映;中深部以灰岩高阻背景为主，隧道洞身附近共发现较明显的相对低电阻率异常带7处，推测为溶蚀异常。其中Ⅲ号、Ⅳ号异常分别对应DK17+258—+273和DK17+352处发生大规模涌水险情的突水溶腔，且与地表+260—+265地表塌陷处及地表岩溶洼地的低阻溶槽异常存在连通关系，为附近地下水的主要渗流通道。

图1 张家湾隧道高频大地电磁法平面布置图Fig.1 Layout plan of high frequency magnetotellurics method of Zhangjiawan tunnel

图2 张家湾隧道高频大地电磁法地电断面图Fig.2 Geoelectric section of high frequency magnetotellurics method of Zhangjiawan tunnel

3.2 地质雷达法

洞内地质雷达法共布置测线9条(见图3)。选用100 MHz、400 MHz组合天线，连续测量方式。

地质雷达法溶洞异常判识标准［4－5］:界面反射波振幅强、时程较大后仍有后续反射信号，局部有绕射形态强反射信号区段，可判定为溶洞异常［4－7］。

洞内9条雷达测线共发现8个岩溶区，具体位置如图6所示。其中Ⅰ号、Ⅲ号、Ⅳ号分别对应DK17+010、+258—+273、+352处发生突水险情的溶腔位置。三处异常带范围较宽，横向贯穿整个隧道洞身，纵向延伸到衬砌背后15 m附近仍能见到明显的岩溶异常反映，异常带附近出水孔水量大，带泥，隧道衬砌面多处开裂，雨季渗水严重，为测区内主要溶蚀带。

图3 张家湾隧道洞内物探测线布置示意图Fig.3 Layout diagram of geophysical survey line of Zhangjiawan tunnel

图4 张家湾隧道3测线Ⅳ号异常雷达图像ig.4 Radar image of Line 3Ⅳgeophysical anomaly of Zhangjiawan tunnel

图5 张家湾隧道5测线Ⅲ号异常雷达图像ig.5 Radar image of Line 5Ⅲgeophysical anomaly of Zhangjiawan tunnel

图6 洞内地质雷达物探平面成果图Fig.6 The resultant map of ground penetrating radar inside the cave

3.3 洞内外方法综合对比

综合高频大地电磁法与地质雷达资料，两种方法异常位置对应性良好(见表1)，其中Ⅰ号、Ⅲ号、Ⅳ号异常段与隧道施工时遇到的突水溶腔位置对应。高频大地电磁资料较好地反映了DK17+258—+273和DK17+352处突水溶腔与地表塌陷位置及地表溶蚀洼地及中浅层灰岩溶槽的连通关系;地质雷达资料岩溶位置细化，结合各测线物探地质断面能较好地反映出岩溶相对于隧道的空间位置。

4 结论

通过本次工程实践表明，高频大地电磁法可以在宏观上整体把握地质情况和岩溶分布，地电断面上的岩溶异常与地貌特征、地下水渗流通道的关系都能够较清楚地得到体现，缺点是异常范围不够细化;地质雷达法可以较好地弥补高频大地电磁法在这方面的不足，能详细地反映出隧道附近围岩内岩溶异常相对于隧道的空间位置，为后续施工整治提供依据。

表1 张家湾隧道洞内外物探异常位置一览表Table 1 List of geophysical anomaly location of Zhangjiawan tunnel

根据综合物探成果资料有针对性地制定方案并进行了整治，经过雨季的观察，隧道渗水、开裂的情况得到了很好的控制，验证了高频大地电磁与地质雷达法综合物探在隧道岩溶病害整治勘察中的有效性。对同类工程中类似情况的处理具有良好的借鉴作用。

［1］ 朴化荣.电磁测深法原理［M］.北京:地质出版社，1990.

［2］ 曹哲明.高频大地电磁测深在隧道工程勘察中的应用［J］.工程勘察，2007(5):63－66.

［3］ 王若，等.可控源音频大地电磁数据的反演方法［J］.地球物理学进展，2003(2):197－202.

［4］ 李大心.探地雷达方法与应用［M］.北京:地质出版社，1994.

［5］ 李大心.地球物理方法综合应用与解释［M］.武汉:中国地质大学出版社，2003.

［6］ 倪章勇，等.地质雷达解释隧道衬砌空洞大小的定量研究［J］.铁道勘察，2010(1):59－62.

［7］ 江玉乐，等.探地雷达在隧道工程检测中的应用［J］.勘察科学技术，2008(1):58 －61.

(责任编辑:于继红)

The Application of Integrated Geophysical Exploration Method of the Karst Defect Treatment in Lou-Shao Zhangjiawan Railway Tunnel

QING Zhi
(China Railway Siyuan Survey and Design Guoup Co.，LTD.，Wuhan，Hubei430063)

Karst as a bad geological phenomenon，it's a serious threat to the tunnel construction.The effects of conventional geophysical survey methods are not good for tunnel site conditions and the limited of geophysical method application conditions.According to the characteristics of Zhangjiawan tunnel，attempted to combine with the ground and the cave survey methods，used high-frequency magnetotellurics method and ground penetrating radar integrated physical exploration，and achieved the desired results，demonstrated effectiveness and complementarity of two methods about defect treatment in karst tunnel survey.

karst tunnel;integrated geophysical method;high frequency magnetotellurics method;GPR method

P631;U457+.2

A

1671－1211(2014)02－0193－04

2014－02－21;改回日期:2014－02－27

卿志 (1976－)，男，工程师，应用地球物理专业，从事工程物探勘查工作。E－mail:739766256@qq.com

book=196,ebook=273