基于代表性探测和验证探测的综合物探在特长燕山隧道地质勘察中的应用

2015-03-16黄东桥王学刚陈大敏

铁道勘察 2015年4期

赵　松　李　翔　黄东桥　王学刚　陈大敏

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300143；2.中交第一航务工程局铁路工程分公司，天津　300042)

The Application of Complex Geophysical Prospecting which Based on Representativeness Explore and Verification Explore in Yanshan Extreme Tunnel Geological Survey

ZHAO Song1　LI Xiang1　HUANG Dongqiao1　WANG Xuegang1　CHEN Damin2

基于代表性探测和验证探测的综合物探在特长燕山隧道地质勘察中的应用

赵松1李翔1黄东桥1王学刚1陈大敏2

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300143；2.中交第一航务工程局铁路工程分公司，天津300042)

The Application of Complex Geophysical Prospecting which Based on Representativeness Explore and Verification Explore in Yanshan Extreme Tunnel Geological Survey

ZHAO Song1LI Xiang1HUANG Dongqiao1WANG Xuegang1CHEN Damin2

摘要结合燕山隧道综合物探的应用实例，研究隧址区地形地貌和地质构造的特征以及各物探方法的应用原理和适用条件，总结出综合物探的主要内容、应用原则和实施方案，以及典型地质体的物性和电性特征。

关键词特长隧道勘察综合物探代表性探测验证探测

1综合物探概述

主要物探方法可以分为电法勘探、弹性波勘探和井下物探三大类，此外，还有重力勘探、磁法勘探等。电法勘探主要包括电测深法、高密度电法、激发极化法、可控源音频大地电磁、地质雷达等。弹性波勘探主要包括地震勘探、超声波法、地脉动测试等方法。井下物探主要包括单孔或跨孔声波探测、电测井、声速或超声成像测井等方法。

每种物探方法利用的物理参数各异，主要包括电阻率、极化率、介电参数等电性参数和弹性波在地质体中的传播速度及其特征等。由于物探是通过地质体的这些物理参数间接地勘察其分布和特征，而地质体的特征及其所处的地质环境是复杂多变的，地质体的物理参数受其自身特性和周围环境的影响，不同地质体在一定环境下可能具有相同的物理参数特征，这就导致物探测试具有多解性。因此，对同一地质体通过多种物探方法开展综合物探是必要的，只有这样才能抵消物探解译的多解性，提高物探的准确性。

在现代铁路工程中，特长深埋隧道越来越多，地质条件越来越复杂，单纯依靠地质调绘和地质钻探等传统勘探方法已不能满足现代铁路勘察任务的需求，单一的物探技术同样难以揭露复杂地质体的实际地质特征。因此，发展综合物探技术是铁路勘察的必然选择。

2燕山隧道工程地质概况

2.1　工程概况

燕山隧道地处河北省宣化县李家堡乡李家堡村与赤城县龙关镇八里庄村之间。该隧道西起自李家堡村东附近的黄土坡上，向东经周家窑后穿越轿顶山剥蚀中山区、西水泉村北、李家窑村南、龙关镇南，止于八里庄村东南，隧道最大埋深为轿顶山主峰南侧557 m，最小埋深不足20 m，改DK60+000处埋深最大，进出口部位埋深较浅。

燕山隧道设计为双洞单线隧道，线间距为40 m，左线进口里程为改DK52+990，出口里程为改DK74+075，长21085 m，右线进口里程为改右DK52+970，出口里程为改右DK74+110，长21140 m，是新建张家口至唐山铁路中最长的越岭隧道，也是张唐线的Ⅰ级风险隧道。

2.2　地质概况

燕山隧道绵延在燕山山脉西段中低山区及赵川盆地、龙关盆地三大地貌单元之中，穿越龙关穹褶束Ⅳ级构造单元的华北地台燕山台褶带北缘西段。地质条件主要受断裂构造和火山活动控制，区内构造复杂，洞身范围内断裂构造、褶皱构造和岩性接触带较为发育，在隧道西段发育一处较完整的火山喷发-侵入旋回。

隧址区主要地层为太古界、长城系、燕山期及进、出口少量的第四系地层。隧址区主要地质灾害包括隧道突水、围岩失稳及塌方掉块、高地应力和地下水流失等。

(1)隧址区地质发展史

该区经历了漫长的地质发展历史，据地质记录，大体可分三个性质不同的发展阶段，即新太古代基底形成阶段，中元古代盖层发展阶段和中、新生代地台活化阶段。

基底形成阶段：

新太古宙变质岩系经历了漫长而复杂的演化历史。大约25亿年前，沉积了中基性火山岩夹沉积岩，在五台运动的作用下，发生褶皱变形，并遭受高角闪岩相变质，形成中朝准地台的结晶基底的雏型。由于吕梁运动的影响，基底地层发生褶皱回返，随后地壳抬升剥露于地表，形成比较稳定的克拉通基底。

盖层发展阶段：

准地台结晶基底形成之后，转入了相对稳定的盖层发展阶段。阶段初期一度处于长城一级海平面升降旋回，期间依次经历了常州沟期、串岭沟期、团山子期和大红峪期等地质时期，直到大红峪末期的青龙运动使地壳整体抬升，从而结束了这一构造旋回。继青龙运动之后，地壳活动又趋于稳定，盆地主要以均匀升降为主，在高于庄期和雾迷山期的沉积之后，中元古代的盖层沉积历史即宣告结束。

地台活化阶段：

自中生代开始，本区进入地台活化阶段。由于太平洋板块向北西持续俯冲，中侏罗世堆积了一套紫红色碎屑岩建造，并伴有中性火山岩喷溢。晚侏罗世地壳活动加剧，火山活动以爆发为主，在区内西部形成了方家沟火山沉积盆地。到新生代早期以差异性升降为主，晚期整体处于间歇性抬升阶段，并经过长期风化剥蚀。隧道西段的火山喷发-侵入构造即在该阶段形成。

(2)隧址区主要地质构造

燕山隧道位于中朝准地台燕山台褶带北缘西段，隶属于龙关穹褶束Ⅳ级构造单元。区内出露准地台的基底(晚太古代变质岩系)和盖层沉积(中元古代、中生代、新生代地层)。从构造形迹上看，基底以褶皱变形为主，盖层以断裂构造为主。

断裂构造为影响隧道工程的主要构造。其中，朱家营断层位于隧道西段(小里程端)方家沟-朱家营一带，近直线形展布，走向北北东，倾向南东，倾角85°，地貌多呈鞍部，航片上线性影像清楚，切割新太古代崇礼岩群水地庄岩组和晚侏罗世张家口组，断层规模较大。断层破碎带以张性角砾岩为主，角砾成分随地而异，并沿带有石英正长斑岩脉侵入，活动性质以张剪性正断层为主。吴家沟—辛窑断层主要分布在吴家沟三岔口、辛窑、八里庄一带。北东向展布，近直线形，倾向北西，倾角70°，切割新太古代崇礼岩群水地庄岩组和中元古代常州沟组、串岭沟组、团山子组。地貌多呈沟谷，航片上有清楚的线性影像。在辛窑处有断层泉出露，破碎带以张性角砾岩为主，并可见高岭土化。在断面上可见明显的擦痕、阶步。断层性质以张剪性正断层为主，其活动时代为中、晚侏罗世。

3燕山隧道综合物探应用过程

3.1　实施原则

隧址区复杂的地形地貌使其地球物理场的分布产生严重畸变，形成了形态各异的假异常，难以找到合适的校正模型把真正异常从复杂地形干扰中分离出来。通过总结国内长大隧道的勘察经验结合燕山隧道的地质特点，决定本次综合物探以可控源音频大地电磁和高频大地电磁两种方法为主，辅以电测深、地震折射、声波测井、物探综合测井和孔内全景式数字摄影等方法。同时，在重要地质异常段落设计旁侧线和横测线，对异常段落进行验证和详细勘探。

为了论证大地电磁在特长燕山隧道这种地质条件下的应用效果，取得全面开展特长隧道勘探的经验。初期选择典型段落进行大地电磁效果试验，将试验结果与前期遥感判释和地质调绘结果进行对比。结果表明：燕山隧道在小里程端和大里程端分别有侵入火山岩和沉积岩发育，在隧道中段是岩性较单一的变质岩，岩体电性特征受影响较小，地球物理特征正常，大地电磁应用效果较好。勘探过程中，在局部地形较好段落，采用常规地震和直流电法进行专项勘探，核实验证大地电磁异常，判定断层和富水段落的位置和性质。此外，采用综合测井和孔内全景式数字摄影测量，直接在钻孔内对岩土层进行测试，划分隧道围岩级别，测定岩土层的地球物理特性，补充和验证了大地电磁成果。

3.2　实施方案

首先，选择地形条件好的典型地质段落进行大地电磁代表性探测，得到隧址区典型地层岩性的视电阻率特性。然后，将可控源音频大地电磁和高频大地电磁相结合，对全隧道实施贯通的大地电磁探测，得到隧址区不同段落地层岩性的视电阻率变化规律。结合区域地质图、遥感判释和地质调绘综合分析确定断层构造和富水段落等物探异常的位置。最后，因为地质构造的复杂性和物探解译的多解性，得到的物探异常位置及其种类需要多方面的验证探测：①根据地形条件的适宜性布置旁侧线或横测线，验证不良地质的产状等空间状态；②针对疑似富水段落，布置电测深法测试，验证其真实性；③针对疑似断层构造段落，布置地震折射法测试，验证其真实性；④后期地质钻探阶段的布孔要考虑对物探异常的验证，利用地质钻孔，根据物探异常的特征，有针对性地布置声波测井、物探综合测井和孔内全景式数字摄影测试，进一步对物探异常进行验证，并测定物探异常的详细参数(断层构造的地层岩性、破碎程度、断层带充填物和富水段落的水文地质参数等)。

以燕山隧道综合物探的过程为例，总结出综合物探的实施方案(见图1)，具体的物探方法会随隧址区地层岩性和构造特征的不同而异。

图1　综合物探实施方案

3.3　数据处理

自主研究开发了以提高精度为目的的数据反演方法，成果突出低阻异常，图像清晰，信息丰富，效果显著，在大地电磁数据处理和解译技术方面取得了显著进展。

数据采集时应用频点加密技术，使纵向分辨率得以提高。反演时采用非线性反演和快速松弛法技术，使反演精度得以提高。针对不同异常体采用适宜的数据处理技术，使地下水和不良地质体区域凸显，有效提高了物探解译的精度。

4燕山隧道综合物探勘探成果

综合物探在各自方法创新性研究的基础上，对成果进行深入融合，对典型异常用多种方法互相验证，成果显著。

(1)找到了洞身岩体电阻率特征

隧道西段(改DK52+990～改DK60+800)视电阻率特征整体偏高，岩性主要为侏罗系安山岩及燕山期二长花岗岩、正长斑岩和石英正长斑岩，表层及进口出现低阻，为第四系地层的反应，该段岩体整体较完整。隧道中段(改DK60+800～改DK71+600)视电阻率特征相对偏低，岩性以太古界片麻岩和花岗片麻岩为主，局部段落断层构造发育，岩体整体较完整，局部较破碎。隧道东段(改DK71+600～改DK74+075)视电阻率特征整体偏高，岩性以太古界片麻岩、长城系粉砂岩、石英砂岩、页岩和白云岩为主，岩体整体较完整，但在改DK71+750～改DK73+100段发育3处断层，岩体破碎，导致该段落视电阻率偏低。

(2)查明了深部复杂断层

对大地电磁数据采用提高精度的数据处理技术，成功查明洞身断层15处。对重大断层布置旁侧线和横测线，查明了其分布和规模。后期，通过钻探验证3处，其中1处被验证为岩性接触带；通过工程地质调绘验证2处；通过工程地质调绘和钻探共同验证1处。

(3)查明了主要富水段落

将物探结果与水文地质调查、水文地质钻探和试验相结合，对隧址区的水文地质单元及泉域边界进行系统的划分，进而对隧道分段涌水量进行预测。通过风险评估，指出了该隧道左、右线共30段突水突泥极高风险段落和8段突水突泥高风险段落。

(4)施工开挖验证

燕山隧道综合物探共揭露低阻异常36处，通过对其中重要的异常位置进行钻探验证和施工阶段的开挖验证，判定综合物探准确率达到了85%以上。通过实施综合物探，为隧道工程地质和水文地质以及围岩稳定性评价和风险评估提供了重要依据。

5结论

(1)视电阻率等值线多闭合，局部扭曲，疏密不均具，多具方向性。当断层与表层第四系地层连通，断层低阻区与表层第四系低阻区也会连通，断层段落闭合等值线现象随之消失；②断层发育段落往往也是明显的低阻异常段落；③视电阻率等值线突然失去连续性，层位上下错动。

(2)富水段落一般在断层、岩性接触带及节理裂隙密集带等岩体破碎有储水空间的段落较发育，该段落常常表现为明显的低阻区，并伴以低阻闭合圈。

(3)多种物探方法的相互验证和典型地质体物性和电性特征的总结，一定程度上抵消了物探测试多解性对物探准确率的影响。以可控源音频大地电磁和高频大地电磁两种方法为主，辅以电测深、地震折射、声波测井、物探综合测井和孔内全景式数字摄影等方法的综合物探方法在特长深埋隧道勘探中的应用效果显著。

(4)代表性探测是综合物探应用的前提，是针对岩土体特性的多变性和复杂性而采取的物探措施，可以得到具体工程场地内岩土体的物性和电性特征，为接下来物探异常的解译提供依据；验证探测是综合物探应用中不可或缺的组成部分，是针对地质构造的复杂性和物探解译的多解性而采取的物探措施，可以有效提高物探探测的准确率；代表性探测、贯通探测和验证探测是综合物探的主要内容。

(5)综合物探是一种间接勘察方法，是对遥感判释和地质调绘结果的进一步验证，是地质勘察的进一步细化。同时，综合物探结果也需要后期钻探和试验的验证。

参考文献

[1]铁道第三勘察设计院.新建铁路张家口至唐山线燕山隧道工程地质勘察报告[R].天津：铁道第三勘察设计院，2010

[2]铁道第三勘察设计院.新建铁路张家口至唐山线燕山隧道风险评估报告[R].天津：铁道第三勘察设计院，2011

[3]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

[4]许再良，赵建峰，王子武，等.太行山特长隧道综合勘察技术的应用与效果[J].铁道工程学报，2007，10(10):53-57

[5]赵松，杨逾，陈大敏.硅化木探测中的地质雷达反射波特征分析[J].铁道勘察，2014(4):70-73

[6]赵松.燕山高风险特长隧道综合勘察技术的应用[J].铁道勘察，2015(1)

[7]付新平，李翔.胶新铁路地质加深工作中的工程地质综合勘察[J].铁道标准设计，2004(2)

中图分类号：U25

文献标识码：B

文章编号：1672-7479(2015)04-0052-03