综合地质勘探方法在隧道勘察中的运用

2014-08-05安彬

黑龙江交通科技 2014年12期

关键词：雷波电法高密度

安彬

(铜仁市公路勘察设计院)

1 隧道勘查地区基本地质概况

1.1 自然地理

测区山坡上植被茂盛，以松树、灌木及杂草为主，山间沟谷发育，冲沟植被发育，有小溪终年流水。

1.2 地形地貌

勘查区域为山区地貌，地质剥蚀现象明显，山谷“V”字形分布，地形坡度20°～30°。场区东端及西端各发育一条冲沟，沟内植被发育。山顶高程162 m 左右，沟谷地面高程约63 m。

1.3 地层构造

边坡区地层岩性主要为滑塌堆积层、第四系坡残积土及泥盆系片岩、石英岩。受区域构造影响，场区内存在小断层，节理很发育，裂隙杂乱，节理主体方向与坡向基本相近，岩体破碎。

1.4 水文地质条件

场区内地下水按其赋存特征和类型可分为坡残积土层孔隙水和基岩裂隙水，均靠大气降水补给，其径流方向受地形影响，一般随地形由高向低排泄。

2 综合物探法在隧道勘查中的运用

2.1 瑞雷波法

(1)工作原理。

通常条件下，不同的地质条件下的地层内部能量波传播的特征是不同的。瑞雷波发正是基于这一原理，通过向勘测区域地层发射瑞雷波，并通过优化布设的检波器对传播特性进行测量的方式获得基本地质信息。以一定的道间距Δx 设置N+1 个检波器，就可以检测到瑞雷达波在NΔx 长度范围内的传播过程，设瑞雷波的频率为fi，相邻检波器记录的瑞雷波的时间差为Δt 或相位差为Δφ，则相邻道Δx 长度内瑞雷波的传播速度为

VR=Δx/Δt 或VR=2πfiΔx/Δφ

测量范围NΔx 内平均波速为

在同一地段测量出一系列频率的VR值，就可以得到一条VR－f 曲线，即所谓的频散曲线或转换为VR－λR曲线，λR为波长

曲线或VR－λR曲线的曲线或曲线的变化规律是勘测区域地质条件的客观表现，结合勘测区域以往的地质测绘与勘查信息可进一步获得合理的频散曲线反演解释，进而获得更为准确的地质岩土的物理性质。图1 为瑞雷波法探测原理示意图。

图1 瑞雷波法探测原理示意图

(2)仪器设备。

浅层地震勘探采用北京市水电物探研究所SWS 型多波列数字图像工程勘探与工程检测仪。主要技术指标道数:24，A/D 转换:20 位，频带宽度:0.5～4 000 Hz，采样率:10 μs～20 ms，采样长度:5.12 ms～16 000 s。

(3)野外工作方法。

根据勘探目的和地质体物性特点，通过现场方法试验确定符合实际情况的技术方法和参数。本次瑞雷波法勘察采用1Hz 检波器，18 磅重锤锤击震源，12 道接收，偏移距10～30 m，道间距1 m，采样间隔0.25 ms，记录长度2 048 ms，通频带宽0～4 000 Hz。

2.2 高密度电法

(1)工作原理。

高密度电法隧道地质勘探同样基于对不同地层间导电性差异的勘测而获得地质勘查信息这一基本方法。和常规电法一样，它通过A、B 电极向地下供电(电流为I)，然后测量M、N 极电位差△U，从而求得该记录点的视电阻率值ρs=K×△U/I，进而分析计算获得的电阻率数值获取以电阻率为表征的地质特征。高密度电法集的勘测点更为密集，获得的信息也更为全面，通过对大量测量信息的处理能够获得更为准确的地质构造勘测结果，同时随着众多信息软件以及处理终端的更新和发展，大数据应用速度逐渐加快，勘测信息的处理速度同样会有进一步的提升。

(2)仪器设备。

电法勘探采用重庆地质仪器厂生产DUK－2 型高密度电法测量系统。该仪器具有存储量大、测量准确快速、操作方便等特点，由60 路电极转换器控制，16 种排列组合装置，最大供电电压1 000 V，最大供电电流5A，可存储400 条剖面数据，可与计算机串行通讯进行数据传输。

(3)野外工作方法。

λR=VR/f

本次高密度电法野外施工采用了采集数据量最多、测量精度较高的“温纳—施伦贝尔剖面(WS2)”装置。电极极距3 m，温施装置系数5，最小隔离系数1，最大隔离系数28。野外测量数据现场传输到计算机进行初步处理，做出初步的推断解释，对异常点及突变点进行检查测量，以确保数据真实可靠。

3 测线布置及完成的工作量

本次勘察的测线布置勘察方案及场地实际施工条件进行布设。测线根据边坡施工放桩及公路中线里程桩进行控制，利用皮尺量距进行布设。实际完成工作量详见表1，测线实际布设情况详见附图1 物探剖面布置及勘探成果平面图(注:测线位置以公路中心桩号为起点)。

表1 物探完成工作量统计表

4 数据处理及解释

4.1 瞬态瑞雷波法

瞬态瑞雷波法处理流程如下。

(1)收集整理勘测结果，初步处理原始资料，确保信息的准确性;

(2)以勘测结果为基础，按照相关换算公式计算不同勘测频率对应的瑞雷波速度;

(3)数据处理软件端选取面波时间—空间信息处理界面;

(4)以原始资料处理得到的频率与波数为参数获得面波;

(5)按照获得的面波进行频散分析，求取频散曲线图;

(6)遵照求取的频散曲线，初步分析勘测区域瑞雷波在地质层数和各层速度变化;

(7)深入研究瑞雷波在勘测区域地质条件下的传播特征，通过反复的拟合计算确定各层的准确厚度，并对计算结果进行定量解释;

(8)根据反演的结果绘制成彩色的地层瑞雷波波速影像图。下图2 为勘探区域剖面面波波速影像图。

图2 勘探区域剖面面波波速影像图

4.2 高密度电法

使用高密度电法进行隧道地质勘查时，其勘查资料的处理通常需要将测量仪器内的信息导出到数据处理终端，对于原始资料进行初步处理，如坏点删除、地形校正、格式转换等系列步骤，继而在勘探数据处理软件的协助下绘制出勘测区域的地质电阻率等值线图。最终通过地层电阻率的特征进行地质构造解释，绘制出物探成果图，为进一步的隧道工程设计施工提供参考。下图3 为高密度电法视电阻率等值线图。