综合物探技术在旧堡隧道勘察中的应用与效果分析

2018-07-03李志华

铁道勘察 2018年3期

李志华张吉

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

1 概述

在隧道地质勘察过程中，经常会遇到多种不良地质问题，如滑坡、崩塌、岩溶、采空区等，如不及早查明并采取有效措施，可能会导致施工人员伤亡、工期延误等严重后果[1]。因此，在隧道勘察设计阶段，如何采用准确、有效的探测方法进行快速宏观预测，一直是该领域中亟待解决的技术难题[2-3]。以张集线旧堡隧道为例，就“在隧道复杂地质条件下，如何取得理想的勘察效果、合理解译物探异常、科学布置钻孔”等问题进行探讨，并对施工开挖后涌水、塌方、变形发生的位置与大地电磁法解译结果进行对比分析[4]。

2 工程概况

2.1 工程地质概况

张集线是京兰铁路的重要组成部分，线路东起张家口市，西至集宁市，全长约178 km。其中，旧堡隧道位于万全县旧堡乡与尚义县土夭村之间，地处洋河断陷盆地西缘之冀北低中山区，高程为950～1 550 m。地势总体西北高，东南低，沟谷切割强烈。隧道进口端靠近洗马林河，出口端靠近东洋河，隧道全长9.585 km，最大埋深为493 m。

测区主要地层：表层为第四系上更新统坡洪积黄土，局部夹砂砾石，洞身为太古界马市口组麻粒岩、下白窑组变粒岩，局部为辉绿岩脉及酸性花岗伟晶岩脉侵入。隧道位于阴山东西复杂构造带南部，构造形迹以断裂为主，褶皱相对较弱，岩浆活动较强烈。其中，北北东向逆冲断裂(F3)为隧道区较大断裂带，破碎带宽约300 m，此外还有多条小断裂发育。

2.2 物探勘探的目的和要求

为查明隐伏断层和破碎带的位置、规模及展布方向，地下水，基岩起伏形态等，采用了大地电磁法(EH4)、浅层地震折射法、综合测井等地球物理勘察方法。

3 综合物探技术原理

3.1 天然源(EH4)探测原理

大地电磁法(EH4)是一套轻便、快速、频率域与时间域相结合的电磁测量仪器，其原理如下：①对测点电磁场正交分量进行观测，得到相互正交的时域电场分量(Ex、Ey)和磁场分量(Hx、Hy)。②通过傅立叶变换、功率谱计算，求得地质体视电阻率值。③通过处理，得到深度-电阻率的二维等值曲线。其有效勘探深度为2～1 500 m，在1 000 m以内具有较高的分辨率，为探测与区分电阻率差异较小的地质体提供了可能[5-7]。

3.2 综合测井原理及实例

综合测井采用仪器观测钻孔及井间岩土物性差异所引起的天然或人工物理场变化规律，以研究孔壁和孔间空间的地质构造，测定岩土自然状态下物理力学性质和水文地质参数。

因深孔钻探费用巨大，其勘探信息就显得十分珍贵。综合测井可最大程度地获取深孔地层的信息，其成果可以提供：①软弱层、风化程度及厚度；②断裂带、岩溶位置；③岩层中富水程度、渗水点位置；④岩土体物理力学参数等。常用的物探测井方法有：自然电位测井、声波测井、井温测井、井斜测井、井中电视(见图1)、视电阻率测井(见图2)等[8]。

图3 大地电磁(EH4)成果

图1 井中电视显现钻孔涌水

图2 视电阻率测井揭示含水软弱夹层

其中，图1为涌水图像，可明显观察到出水的情景。图2为视电阻率曲线，视电阻率明显异常区多为岩体破碎或相对软弱的基岩夹层，视电阻率成果弥补了钻探资料的不足，可指导围岩分级。

综合测井成果可连续揭示钻孔的岩性状况，弥补和完善岩芯鉴定可能存在的疏漏，可得到钻探难以获取的隧道渗、出水空间位置[9-11]，避免了深孔水文试验的局限性，消除了施工隐患。

4 成果解译和施工验证效果

4.1 区域大断层及承压水

如图3所示，DK28+675～DK29+650段大地电磁成果中段表现为倾向东产状近似直立的带状低阻异常，钻探揭示DK29+413处岩芯呈土柱状(见图4)，破碎带垂向厚度达227.8 m。

图4 断层岩芯

图5 钻孔承压水涌出地面

区域地质资料显示F3为中生代逆冲推覆断层，规模较大，麻粒岩岩体破碎，构造节理极发育，呈碎石状压碎结构。麻粒岩内含有侵入花岗伟晶岩及辉绿岩脉，使得断层破碎带成为隔水带[12]。在小里程一侧的DK28+969.15处有承压水存在，承压水高出地表16.5 m(见图5)，证实了贫水地区隔水断层附近存在承压地下水。

施工过程中，在靠近断层大里程一侧进口方向K29+389～406段发生变形塌方事故，以后陆续发生6次大规模突泥突水、溜塌。说明最靠近隔水断层破碎带的断层影响带为围岩最软弱部位，隧道施工可使之形成松动区或塑性区，塑性区和地下水相互影响，使得围岩稳定性变差，最终导致变形塌方等事故。

4.2 推覆构造及承压水

DK27+480～DK29+000段，从大里程向小里程方向，上部有一层由高到低呈连续状分布的低阻带，并在小里程一侧(洞身同一低阻层)被明显的高阻阻断。高程较高的一侧低阻区域厚度较大，上部覆盖层薄；高程较低的一侧低阻区域厚度变薄，上部覆盖层较厚，低阻层上部覆盖层电阻率呈高低阻交错状，呈现明显推覆状构造(见图6)。另存在连续状的低阻层位，推断为岩性破碎含水，小里程一侧被明显的高阻阻断，洞身附近同一低阻层应为承压或含水层。依据物探确定的钻孔DK27+858揭示了承压水的存在，承压水头高出地面39.0 m。结合综合测井，较准确地确定了含水层的空间位置。

图6 推覆构造、承压水、隧道塌方变形和大地电磁成果关系成果

DK30+700～DK31+800段处于山势较低处，物探显示：两侧的凸状竖向高阻为麻粒岩隔水层，隔水层边界处呈现电性变化幅度较大的异常，应为含水层与完整基岩的反映。中间岩体呈现中低阻，可能为储水结构，物探确定的钻孔(DK31+000)揭示了承压水的存在(见图7)。

图7 承压水成果

5 隧道塌方变形和大地电磁成果规律

5.1 DK26+600～27+100段

发生变形或塌方的位置为DK26+765、DK26+803、DK26+855三处(见图8)，与同一岩层电阻率异常变化反应相对应，上部有一层高程由高到低呈连续状的低阻层位，高程较高的一侧低阻区域厚度较大，上部覆盖层较薄；高程较低的一侧低阻区域厚度变薄，上部覆盖层较厚；小里程一侧被明显的高阻阻断(即电阻率梯度变化较大)，洞身附近同一低阻层变为明显薄层。该低阻层推断为岩性破碎并含水。隧道施工方向是从小里程到大里程，恰恰在这个段落发生变形或塌方，表现为岩体破碎、节理密集发育及岩浆岩体侵入。在普遍发育的具有承压性的地下水作用下，结构面充填物极易软化流失，加之隧道开挖，造成应力重新分布，围岩发生变形，地下水汇集，使围岩稳定性不断变差，诱发围岩变形失稳。如果调整施工方向，地下水将得到有效释放，其危害可大幅降低。