隧道勘察中的物探方法

丁海红 姜巍巍

摘要：隧道建设是一项民生工程，但自然界种种复杂的地质问题会对其造成一定的影响，因此隧道拟建和建成后均需进行地质勘查，从而采取相应措施保证隧道的安全稳定，物探方法是隧道勘察的有效方法之一。本文介绍了隧道勘察中几种常见的物探方法，并分析了各种方法的优劣势，指出隧道勘察不应局限于某一方法，而应是多方法、综合性。

关键词：物探方法；隧道勘察；地质特征

近年来，因基础建设需求增加，道路建设突飞猛进，真正实现了天堑变通途。为满足设计要求，路线在山岭重丘区不可避免需采用隧道工程，这些隧道在建设中面临着种种复杂的地质问题，这些问题必须查明摸清，而在隧道勘察方法中，物探方法便首当其冲。

1. 隧道勘察要解决的问题

一个地区拟建隧道，首先需进行地质调查和工程勘察，以查明隧道工程场址的地质、构造背景，了解是否存在煤层、矿体、采空区、破碎带等不利因素及拟建区的水文地质特征，使隧道工程设计尽可能避让掉不良地质现象，从而为隧道选址、路线展布等提供一定的地质依据。即便隧道建成投入使用后，一些特殊构造仍在长期缓慢发展过程中，对隧道工程造成潜在威胁。因此，要想隧道工程成为一项利国利民的长远工程，就必须对隧道工程进行长期监测，随时发现隐患，并采取合理措施，将隐患降至最低。

2. 隧道勘察的常用物探方法

隧道勘察不同于矿产勘查的单一特征，既需要对地层进行详细分层，又需要探测某些特殊的目标体，而这些目标体可能是溶洞、含水层，亦有可能是断裂、裂隙等。因此，隧道勘察中能够采用的物探方法较多，最常用的物探方法包括地震勘探法[1-5]、高密度电阻率法[1-6]、可控源音频大地电磁测深法[4-6]、氡浓度测量法[7]、地质雷达探测法[8]等。

2.1 地震折射波法

地震勘探法使用的前提是岩石、地层与目标体间存在弹性性质方面的差异，其原理是激发人工地震波（一般为炸药），波于地下不均匀的介质中传播，当介质界面弹性性质差异较大，反射和折射现象便出现了，在地面，反馈回的地震波被预先安置的地震仪接受并分析处理，从而将不同的分界面性质解译出，来推断地层的构造形态。

顾名思义，地震折射波法是通过在地面埋设一定排列和数量的检波器，检波器接受如上段所述的折射波反馈到地面的信号，再将此信号传输入地震仪，地震仪对接收到的折射波信号进行放大处理，同时将折射波波形保存记录于磁盘中。后期经系列预处理后绘制出时距曲线图，折射波法勘察过程中地震波随时间距离的衰减情况可由折射波资料和解译结果计算、分析得出，该法能有效计算各地层纵波速度，并结合地质情况进行综合物探解释，进行地质-物探剖面解译。

优势：地震折射波法探测深度属于浅层探测范畴，该方法主要通过波速异常分析准确定量勘察覆盖层及松散风化层厚度情况；对隧道轴线展布方向所经地层准确分层、划分隧道围岩类别；并能通过不同介质分界面速度差异探明诸如构造破碎带之类的隐伏构造位置，该方法在埋深较浅的隧道勘察中具有明显的优势。

不足：勘探深度较浅，在深埋隧道勘察中无法应用；无法追踪断裂构造的产状；多采用炸药激发人工地震波，而民爆物质有一定的管理限制，施工难度逐年加大。

2.2 地震反射波法

岩石、地层与目标体间存在弹性性质方面的差异亦是地震反射波法运用的前提，震源方式与折射波法相同，反射波法检波器与地震仪的埋设方法与折射波法类似，所不同的是，反射波法检波器收集的是地震波从不同地层界面反射回的地震反射记录，通过地震仪进行处理放大。反射波资料需经过解译，滤波、切波处理、速度分析及动态校正等处理，通过谱分析提取速度资料，结合地质情况开展地质-物探综合解释。

优势：探测深度大于折射波法，适用于中深层埋深的隧道勘察，同样可用于探测覆盖层及风化层厚度、围岩分层级等级划分，查明断层、破碎带、岩溶土洞发育情况。另外，可判定断层产状，对于构造的展布和规模相对较小的次级构造迹象追踪也具有一定的效果。

不足：无法直观地显示速度数据，需通过系列预处理进而分析速度谱来提取速度资料；用作震源的炸药管理严格，获取难度逐年加大。

2.3 高密度电阻率法

地下被探测目标地质体与围岩的电性差异是高密度电阻率法得以开展的前提，该法采用人工法建立地下稳定直流电场的方式，利用预定装置及预定排列方式扫描观测。通过收集研究传导电流在地下的分布情况，分析探测目标体赋存空间内视电阻率变化情况。测量时一次性将全部电极布设好，能够自动化跑极和采集数据，且将剖面和测深融合于一体。测量数据直接传输入计算机，可对实测视电阻率剖面处理、解译，从而得出地电断面各类图解。

优势：与一般电阻率法相比，该法一次布设完全部电极，故因电极设置引起故障和干扰的可能性得以降低，同时亦为快速化和自动化采集数据提供了便利，还能避免手工操作导致的错误；工作模式多样化，可采用若干种电极排列方式，能够采集更丰富的断面信息，从而获取更翔实的结构特征信息；具备预处理数据功能，剖面形态得以直观显示，化抽象数据为图像化；一次测量完成了纵横二维数据采集，以低成本的投入，实现了高效率工作，获取了丰富信息的结果，勘探能力显著提高，达到了事半功倍的效果。实际应用方面，适用于埋深深度为中深层的隧道探测，尤其适用于隧道口勘察，利用视电阻率相对差异对覆盖层及风化层厚度、围岩分层划分等实现定性区分，利用视电阻率低异常查明断层、破碎带、岩溶土洞发育情况，除此之外，还可用于中深层赋水状况分析。

不足：高密度电阻率法勘探区域呈现为倒梯形形状，勘探深度越大，勘探范围则越小，从而导致勘探区域两侧有一定盲区。受地形条件及测试仪器的制约，越岭隧道勘察困难性大，且勘察深度有一定限制。虽能直观地反映目标体界面形态，但在解释各界面埋深情况方面尚属于定性分析，尤其在地形复杂地区，无法准确确定埋深。

2.4 可控源音频大地电磁测深

勘察目标体与围岩之间的电性差异亦是可控源音频大地电磁测深（CSAMT法）开展的前提，该法系利用人工场源，沿一定方向布设接地导线，将某一音频的谐变电流供入地下，之后沿导线展布方向布设测线，沿测线观测彼此垂直的电场分量和磁场分量，进而计算卡尼亚电阻率。CSAMT法通过使用不同频率的电流达到探测不同深部的目的。

优势：工作效率高；具有强信号以及强抗干扰能力，受地形影响小；勘探深度范围大，一般可达1km～2km；对低阻异常敏感，具备很高的横向分辨能力及很强的视电阻率分辨能力。应用方面，适用于深大隧道勘察，尤其适用于隧道洞身勘察，可宏观把握长大深埋隧道洞身的分层情况、断裂、岩溶及含水性特征。

不足：CSAMT法的近场效应是对数据采集过程影响最大的因素。此影响需采取补救措施减小其影响，譬如采用大距离接收法。应用方面，表现出对浅层信息解译精度较差，异常不够细化，局部有多解性；分层方面也属于定性分析。

2.5 氡浓度测量

氡气测量是放射性测量的一种，地层中含有以铀同位素为主的放射性元素，铀会发生系列衰变，最终形成氡。当地层中有断裂、裂隙、破碎带存在时，一般会出现相较于围岩的高浓度氡异常，氡气测量便是据此浓度差而开展的勘测工作，从而接近寻找地层中的断裂破碎带。

氡气浓度测量数据处理较简单，将采集数据导入计算机，使用作图软件做出曲线图或平面图，再结合地质、钻孔资料，便可绘制地质-物探综合图。

优势：无须布设电极、测线等，仪器轻便，操作简单，数据数量简单易懂。

不足：该方法的应用需以存在断裂破碎带为前提；勘探深度较浅。

2.6地质雷达探测法

地质雷达探测法的使用依托于目标体与围岩的波阻抗不同，具体原理是利用不同介质面对电磁波的反射原理，进而对探测区域进行成像处理。

优势：能探测出探测面前方一定范围内的地质、构造情况，如岩性变化情况，地层中的空洞、含水层等的分布情况。使用于洞内勘察，可作为地震电法磁法的补充方法，为隧道后续整治提供依据。

不足：超前探测的距离不大；探测深度较浅。

3. 隧道勘察的发展前景

尺有所短、寸有所长，不难看出每种物探勘探方法均有优缺点，没有一种方法是解决问题的万能钥匙，而在实际应用中，亦是以综合物探方法的形式开展的，现简要列举两个典型应用实例如下：

（1）隧道施工前勘察实例[7]：在广梧高速公路隧道勘察中，周孝宇等学者采取了以地震折射波法和反射波法为主的勘察方法，初步查找覆盖层与下伏基岩的分界面信息，同时勾勒断裂位置及产状；辅以高密度电阻率法，根据其表现出的高低阻相间异常，推测出存在岩溶或断裂构造的大致位置；再应用CSAMT法和土壤氡浓度测量法，结合地质资料进一步确认了几处断裂破碎带和节理裂隙发育带，并将产状和位置描述出。断裂破碎带处折射波法体现出低波速特征，高密度电阻率法和CSAMT法表现为视电阻率低，测氡法显示氡浓度高，地质上地貌特征为较深沟谷。勘察结果经钻探验证吻合度较好，为该隧道施工提供了依据。

（2）隧道建成后勘察实例[8]：新建成的娄邵铁路张家湾隧道岩溶整治勘察时，卿志等研究者采取了地表与隧道内勘察并行的方法，将大地电磁测深法应用于地面勘察，用以勘察地表到隧道洞身部分的岩溶特征；而在隧道内，运用地质雷达勘探技术，旨在确定溶洞发育处与隧道的确切空间位置关系。经实践，大地电磁测深法反映出溶洞部分为相对低电阻率，该法不仅从宏观层面查明了地质特征和岩溶情况，并将附近地下水的主要渗流通道均显示出，但岩溶异常与隧道的相对位置关系表达得不甚清晰；而地质雷达探测反映出强反射信号区段中出现绕射形态处便为溶洞，地质雷达探测结果对前者反映的溶洞异常信息予以了细化表述，详细显示出隧道围岩内岩溶异常的空间位置，二者结果为整体与局部的结合，宏观与微观的联系，最终勘察结果为后续整治工作提供了依据，整治结果经测试表明是有效的。

综上所述，隧道勘察实际应用中地质情况复杂多变，各类因素相互影响，彼此牵连，因此在物探方法的选择上更要取长补短、因地制宜、优势互补，隧道勘察的发展趋势应建立在理性分析的基础上，有针对性地将物探勘察技术进行多方法、综合性合理组合运用。

参考文献：

[1] 黄潘，王传雷，刘兵，等.综合物探方法在隧道勘察中的应用[J].工程地球物理学报，2009，6（4）：503～507.

[2] 杨勇.综合物探方法在附件高速公路隧道勘察中的应用[J].福建地质，2010，29（2）：128～134.

[3] 周竹生，丰赟.隧道勘察中的综合物探方法[J].地球物理学进展，2011，26（2）：724～731.

[4] 尚小卫.物探方法在山体隧道勘察中的应用[J].西部探矿工程，2012，（5）：177～179.

[5] 杨可.隧道勘察中物探和钻探方法结合应用分析[J].山西建筑，2015，41（20）：85～87.

[6] 覃图观，冯毅.两种物探方法在观音岩隧道勘察中的应用[J].云南地质，2015，34（3）：444～448.

[7] 周孝宇.综合物探方法在隧道勘察中的应用[J].广东公路交通，2006，（97）：5～9.

[8] 卿志.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[J].资源环境与工程，2014，28（2）：193～196.