花岗岩隧道物探异常区岩体特性研究

张晓宇

(中铁第一勘察设计院集团有限公司 地质路基处，陕西 西安 710043)

花岗岩隧道物探异常区岩体特性研究

张晓宇

(中铁第一勘察设计院集团有限公司 地质路基处，陕西 西安 710043)

在长大隧道工程勘察中，物探异常区往往是关注的重点。本文以八坊花岗岩隧道为例，首先应用高密度电法开展地球物理勘察，然后在隧道洞身低阻异常区布置勘探孔，并在孔内进行了综合测井及抽水试验。结果显示:物探异常区花岗岩电阻率低，岩石声波波速低，渗透系数大，岩体成砂土状，为全风化花岗岩。在勘察成果的基础上，预测了隧道可能发生的工程地质灾害类型及段落，以减少隧道施工的风险。

隧道工程 物探异常区 电阻率 花岗岩

地球物理勘探是以地壳表部岩、土的物理性质的差异为基础，用仪器探测地下天然的物理场变化。被测岩体与周边围岩的电阻率、波速、温度、自然电位等存在明显差异处称为物探异常区，异常区通常存在于断层带、岩性接触带、岩溶区、基岩面、风化层、裂隙及地下水发育区。在隧道工程地质勘察中物探异常区往往是关注的重点。

姜贤斌等［1］在杭宁铁路某隧道中应用高密度电法发现视电阻率呈不连续现象，存在低阻异常，并推测该异常区为断裂构造与岩性接触带。李志华等［2］在石太客运专线太行山特长隧道勘察中，应用综合物探查出各类异常73处，为确定不良地质体、富水区及钻探的位置提供了依据。刘剑飞［3］应用高密度电法、大地电磁法对西南某长大深埋隧道进行了大范围勘察，先根据低阻异常区推测了隧道区断层影响带，然后采用电测深确定了断层面宽度、产状，并通过钻探得到了验证。张举贤［4］认为物探是一种间接的勘探手段，是通过地质体的物理特性反应地质体的工程特性，数据采集受地形、地质、物性不均等多种自然因素的影响，因此物探成果做出的地质推断需要其它直接手段如地质调绘、钻探等验证，以了解其真实的地质内涵。谭远发等［5］在长大隧道勘察中应用高密度电法，根据获得的地下介质电阻率的分布情况，了解隧道围岩的性质和分布范围，推测了断层构造和岩溶构造的空间分布及其发育特征等。

从以上研究中不难发现，物探异常区一般为断层带、岩性接触带、富水带等，结合地质调查结果，在重要的异常地段进行钻探验证及孔内测试，对获取隧道工程的围岩性质意义重大。本文以广西资兴高速公路越岭八坊隧道为例，通过野外地质调查发现隧道洞身的花岗岩差异风化严重，采用高密度电法开展物探工作，在低阻异常区布置适当钻探，同时在孔内进行了综合测井及抽水试验工作，以获取围岩的物理力学及渗透性参数，准确划分围岩级别，合理确定隧道涌水量。

1 八坊隧道地质概况

八坊隧道位于广西省资源县，为资(资源)兴(兴安)高速公路控制性工程，长2 370 m。该隧道位于桂北低山地区，地形起伏大，植被茂密，海拔高程520～820 m，相对高差约300 m，隧道最大埋深约280 m。加里东期花岗岩分布于整个隧道地区，花岗岩为灰黄色、肉红色，粗粒结构，块状构造，节理裂隙发育，差异风化严重，岩体性质差别极大，局部全风化花岗岩厚度达25～45 m，除表层分布有全风化层外，局部深埋地段亦分布有花岗岩风化层。

隧道区年平均降雨量大，地表水发育。地下水主要赋存花岗岩风化带孔隙裂隙中，由于隧道区花岗岩差异风化严重，局部风化层呈砂土状、碎块状，孔隙裂隙发育，渗透性好，为地下水形成了良好的储水空间，隧道在局部地段形成富水区。

2 高密度电法勘察

2.1 测线布置

高密度电法是综合物探的有效方法之一，是以岩土体的电性差异为基础的一种物探方法，其原理与普

通电阻率法相同，具有点距小、数据采集密度大、能较直观地反映基岩界线、地质构造、以及围岩中异常体的发育情况等。八坊隧道高密度电法使用仪器为E60BN直流电法仪，采用10 m电极距，温纳装置采集，整个隧道布置了1个高密度电法纵断面，起止里程K57+370—K59+960，2个补充剖面 AA'，BB'，其中AA'剖面与线路平行，BB'剖面与线路垂直，总计完成3条测线，长5 480 m。八坊隧道物探测线平面布置见图1。

2.2 勘察结果与分析

图2为八坊隧道越岭地段K58+200—K59+400电阻率纵断面图。从图中可见，隧道洞身K58+200—K58+610电阻率为5 000～15 000 Ω·m，为高阻花岗岩，岩体完整;K58+610—K59+048电阻率为500～2 000 Ω·m，为低阻花岗岩，岩体极破碎;K59+048—K59+400电阻率为5 000～10 000 Ω·m，为高阻花岗岩，岩体较完整。一般来说，电阻率值越低，节理裂隙越发育，岩体越破碎。

图1 八坊隧道物探测线平面布置

图2 八坊隧道K58+200—K59+400电阻率纵断面(单位:Ω·m)

为了进一步确定八坊隧道岭南地区低阻区的范围，在K58+800—K59+240左侧50 m，布置了一条平行于隧道洞身的剖面AA'(图3(a))以及在K58+970附近布置了垂直隧道洞身的剖面BB'(图3(b))。从图3(a)可以发现，测点240～310之间为低阻区，电阻率为500～2 000 Ω·m，对应的里程为K58+920—K59 +040，整个断面的电阻率大多小于5 000 Ω·m，属于中～低阻花岗岩，与图2电阻率纵断面图一致。从图3(b)可以发现，测点120～320之间电祖率为 500～2 000 Ω·m，为低阻花岗岩，对应的里程为K58+940—K59+020。

通过以上分析可推测，八坊隧道岭南地区K58+ 610—K59+040段埋深为80～260 m，该段花岗岩为低阻花岗岩，节理裂隙极发育，岩体极破碎，局部可能存在全风化花岗岩，地下水富集，有突涌水、涌沙的可能。

图3 八坊隧道AA'，BB'剖面电阻率(单位:Ω·m)

3 勘探及孔内试验成果

工程地质钻探是最直接的勘察方法，一方面可以准确提供设计所需的各项岩土物理力学指标，另一方面也可验证物探和工程地质调绘结果［5］，同时也可为后续综合测井、水文试验提供条件。

八坊隧道在物探异常区K58+954.5左20 m及K59+081右23 m布置2个勘探孔。GXDZ-880孔深130 m，0～13 m为全风化花岗岩;13～34 m为强风化花岗岩;34.0～100.3 m为中风化花岗岩;100～108 m为砂土状全风化花岗岩;108～130 m为中风化花岗岩，该孔在隧道洞身处存在风化层。GXDZ-881孔深85 m，0～6.5 m为全风化花岗岩，6.5～8.0 m为强风化花岗岩，8.0～85 m为中风化花岗岩。该孔在隧道洞身处岩体较完整。

通过对GXDZ-880钻孔综合测井成果分析，该孔地层岩性可划分为5个岩性段:

1)66.0～76.2 m花岗岩电阻率较高，平均为3 703 Ω·m，岩石声波纵波速度高，平均为4.84 km/s，岩体完整。

2)76.2～90.8 m花岗岩电阻率较低，平均为3 385 Ω·m，岩石声波纵波速度较高，平均4.55 km/s，起伏变化较大，该段岩石裂隙比较发育，岩体较为完整。

3)90.8～100 m花岗岩电阻率较低，平均1 650 Ω·m，岩石声波纵波速度略高，平均为4.25 km/s，该段岩石裂隙较发育，岩体较破碎。

4)100～108 m为花岗岩风化体，本段岩石电阻率低，平均为277 Ω·m，岩石声波纵波速度较低，平均为2.38 km/s，岩体极破碎。

5)108～130 m花岗岩电阻率较低，平均360 Ω·m，岩石裂隙较发育，岩体破碎。

GXDZ-880孔内综合测井成果表明该钻孔在80.0～81.5 m，85.4～86.4 m，100～108 m自然电位、电阻率和井温均出现较为明显的异常，显示为含水段落。

GXDZ-880，GXDZ-881抽水试验结果表明，花岗岩体的渗透性与其风化程度密切相关。钻孔GXDZ-880由于存在多处含水段，且100～108 m段为全风化花岗岩，地下水主要为花岗岩风化裂隙水，岩体渗透系数达到了1.8 m/d。钻孔GXDZ-881主要为中风化花岗岩，地下水类型为基岩裂隙水，渗透系数仅为0.026 m/d。

4 成果应用

4.1 花岗岩风化特征

勘探结果表明，该隧道物探异常区的花岗岩存在明显的电阻率低、纵波波速低、渗透性好的特点，花岗岩差异风化不仅存在于表层，在岩体深部亦存在砂土状全风化花岗岩。

4.2 围岩级别划分及水量预测

综合物探异常形态、视电阻率及其梯度值大小，可

以对低阻异常进行分类，并确定相应的围岩级别。八坊隧道综合勘察获取了不同地段花岗岩体的力学参数，结合物探电阻率成果，对围岩进行了划分。花岗岩体电阻率 ＞2 000 Ω·m，围岩为Ⅲ级;电阻率 500～2 000 Ω·m，围岩以Ⅳ级为主;电阻率为100～500 Ω·m，围岩为Ⅴ级。主要分段情况见表1。

表1 八坊隧道K58+200—K59+400围岩划分及水量预测

根据八坊隧道水文地质条件、勘探获取的花岗岩体渗透系数及围岩级别，应用降雨入渗系数法和地下水动力学法对该段隧道涌水量进行了预测。预测结果见表1，其中K58+610—K59+048洞身花岗岩地层电阻率低、岩体破碎，为全风化花岗岩，渗透性好，为强富水段落，施工中存在突水、突泥及涌砂的可能。是该隧道工程高风险地段。

5 结论

1)八坊隧道岩性以花岗岩为主，高密度电法物探结果显示隧道在K58+610—K59+048电阻率为500～2 000 Ω·m，为低阻花岗岩，物探异常区结果表明K58+610—K59+048隧道洞身附近(埋深100～108 m)为砂土状全风化花岗岩。GXDZ-880孔内综合测试表明在埋深100～108 m处岩体电阻率低，平均277 Ω·m，岩石声波纵波速度低，平均2.38 km/s，岩体极破碎，呈全风化状。GXDZ-880抽水试验涌水量大，全风化岩体渗透系数为1.8 m/d。各种勘探方法相互验证，取得了良好效果。

2)八坊隧道勘探成果表明，花岗岩差异风化不仅仅存在于地表岩体，受多种因素影响，在岩体深部亦有可能存在花岗岩球状风化，其风化程度与矿物成分有密切关系，而这种风化体对隧道工程的影响极大，不仅岩体破碎，围岩级别低，而且富水。

3)八坊隧道综合勘探工作，确定了不同地段花岗岩岩体物理力学性质，明确了花岗岩体物探异常地段的风化特征，获取了不同风化特征花岗岩体的渗透系数，很好地指导了围岩级别划分及水量预测，预测了该隧道可能发生的工程地质灾害，从而减少了隧道施工风险。

［1］姜贤斌，都彤宇.浅层地震折射波法与高密度电法在隧道工程勘察中的应用［J］.中国水运，2008，12(8):209-211.

［2］李志华，赵建峰.石太客运专线特长太行山隧道综合物探研究［J］.铁道工程学报，2011，10(10):78-83.

［3］刘剑飞.西南地区长大深埋隧道综合物探的应用研究［J］.铁道建筑技术，2011(增):125-129.

［4］张举贤.浅谈长大深埋隧道工程地质勘察中地质对物探的配合［J］.铁道工程学报，2006，3(3):17-20.

［5］谭远发.长大深埋隧道工程地质综合勘察技术应用研究［J］.铁道工程学报，2012，4(4):24-31.

(责任审编 葛全红)

U456

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.21

2015-04-10;

:2015-07-20

张晓宇(1982— )，男，陕西大荔人，高级工程师，工学硕士。

1003-1995(2015)09-0070-04