综合物探技术在城市山岭隧道勘察中的应用研究

闫强刚，何寿迎，何松

(1.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032； 2.青岛岩土工程技术中心，山东 青岛 266032)

1 引 言

随着国民经济的发展，我国城市轨道交通工程建设的步伐不断加快，据不完全统计，目前已有40余个城市开展了城市轨道交通工程的建设工作。由于城市轨道交通工程向近郊延伸，城市山岭隧道逐渐增多。岩土工程勘察作为城市轨道交通工程提供基础资料的一个重要环节，越来越受到高度重视。现行的国家、行业规范、规程均强调在勘察过程中要采用综合勘探的方法，以确保勘察成果资料的可靠性[1～3]。在地质环境复杂尤其是地形起伏剧烈、隧道埋深大，造成岩土工程勘察工作受到局限的情况下，在隧道掘进施工过程中，有必要在开挖面进行多手段联合超前地质预报工作，提供详细的地质特征来指导施工建设[2，4]。综合勘察方法就是根据地形、地质条件、勘察阶段、工程类型等，采用多种勘察手段密切配合，使取得的地址资料相互验证、取长补短[5]。在山岭隧道中，大多以遥感结果为指导，大面积地质调绘、水文地质调查等为基础，利用综合物探解译成果结合必要的地质钻探，综合测试，并通过综合分析、研究，以达到提高岩土工程精度的要求。黄勇[6]在兰渝铁路木寨岭特长隧道工程中，采用多种勘察手段，发挥遥感的宏观控制作用，以地质调绘为基础，利用综合物探的解译，辅以钻孔加以验证，在实际工作中收到了很好的效果。郑国栋[7]在某工程中采用多种物探技术结合钻探手段揭示场地地层结构及其分布变化规律，尤其是碎卵石层的埋藏分布情况取得成功的案例。祁晓燕[8]以风力发电场工程勘察为例，介绍了综合勘察技术在不同的地形地貌、地层和水文地质条件中的应用。李军等[9]利用高密度电法与高频大地电磁法对湘桂铁路石山岭隧道进行探测研究，很好地查明了断层构造的发育情况。李慎岗[10]在兰渝铁路长寿山隧道勘察中采用了遥感、大面积地质调绘、物探、钻探、综合试验、测试等综合勘察技术。

当然，综合勘察技术也不是手段越多越好，而应具体问题具体分析，各种技术手段密切配合，优势互补，综合研究，以最优的技术组合、最少的工作量布置，取得最好的勘察效果。本文以青岛蓝色硅谷城际铁路隧道工程为例，介绍综合勘察技术的应用研究情况。

2 蓝色硅谷城际铁路隧道工程的特点

2.1 工程概况

青岛市蓝色硅谷城际铁路工程是位于东岸城区东部的一条南北向轨道交通快线，线路全长 58.44 km。崂山隧道位于北九水站～王哥庄站区间中部，现状滨海公路仰口隧道西侧，隧道两端与路基段相接，两端车站为高架车站，崂山隧道为蓝色硅谷城际铁路工程的关键控制节点。隧道起点K31+735位于大崂村，终点K36+315位于黄泥崖村，全长 4 580 m，属山岭长隧道。隧道拟采用单洞双线，断面宽约 12 m、高约 9 m，拟采用钻爆法施工。蓝色硅谷线全线路布展情况如图1所示。

图1 蓝色硅谷线布展图

2.2 地质特点

(1)地形地貌复杂

隧道场区地貌单元为中低山，地形起伏较大，地面标高 30 m～500 m，局部为山间沟谷地貌单元。场区山体受构造抬升而隆起，侵蚀剥蚀作用强烈，山峰尖峭，多呈尖脊状，沿北西向构造侵蚀谷地十分发育，植被密集，多悬崖峭壁。隧道根据埋深可分为两段：隧道中部K31+940～K35+630为深埋段，埋深 35 m～290 m；隧道起点K31+735～K31+940、K35+630～隧道终点K36+315为浅埋段，埋深小于 35 m。

图2 青岛市构造纲要图

(2)地质构造特点

场区岩性主要为中生代燕山晚期侵入岩。场区构造属区域华夏式构造体系低级别、低序次、伴生与派生的构造成分。对本工程影响最大的为劈石口断裂，该断裂位于隧道东南侧约 300 m。该断裂自三标山南经崂山张村至浮山所，全长约 28 km，断裂带走向40°～45°，倾向北西，倾角约80°。结构面力学性质以压性～压扭性为主。上下盘均为燕山晚期花岗岩，沿断裂带发育煌斑岩及正长岩岩脉。断裂宽几米～几十米，以碎裂岩为主，可见糜棱岩。青岛市构造发育情况如图2所示。

(3)地层岩性

隧道场区结晶岩系为元古代侵入岩，缺失古生代地层，分布中生代燕山晚期侵入岩。新生代地层主要发育有第四系山前组、泰安组及人工填土。

3 综合物探技术在蓝色硅谷城际铁路隧道工程的应用

针对蓝色硅谷城际铁路隧道工程位于山区，线路长、深埋大且地形、地质复杂的特点，结合前人的研究成果和应用效果分析，确定勘探方法的原则是采用多种勘探手段密切配合，在广泛收集资料、认真研究场区遥感影响的基础上，深化工程地质调绘工作，根据地质调绘的结果修正后续工作布置，以物探测试为主与钻探验证相结合，以最少的勘察工作量达到最佳的勘察效果。

3.1 遥感技术

遥感技术在山岭隧道的勘察中具有很重要的作用。利用遥感影像的宏观性、穿透性、全面性，可以迅速查清区域地质构造特征。随着遥感技术的发展，遥感影像的分辨率越来越高，场区的地质构造特征既直观又清晰。在本工程中，我们调用青岛市勘察测绘研究院不同时期的卫星影像和航空影像图进行了分析研究，最后以高分辨率的卫片和航片判译成果指导了地面地质调绘工作，大大提高了勘察效率，取得了很好的效果。

3.2 大面积地质调绘

在全面收集、研究区域地质、第四纪地质、区域地质构造、水文地质、地震以及新构造运动资料的基础上，充分利用遥感影像判译成果，对线路开展 1∶1 000工程地质调绘工作，调绘范围为线路两侧 100 m。对进出洞口部 100 m～200 m范围内进行 1∶500工程地质调绘工作。对于对工程设计、施工有影响的工程地质现象，结合素描图、照片、节理玫瑰花图、赤平投影图等进行重点记录分析。查明了进出洞口部的地形地貌、地层、岩体、构造及地下水的基本特征和分布规律，查明了不良地质作用的分布范围和对工程的影响。在此基础上，对物探、钻探和测试等工作进行了优化布置。

3.3 物探技术

根据拟建隧道特征和工程需要，以查清场区构造特征，尤其是断裂及破碎带的分布位置、延展特征等地质信息为主要任务，在现场试验测试的基础上，选择了可控源电磁方法(CSAMT)、浅层折射波法、高密度电法和地质雷达4种物探手段，以达到相互补充，突出重点的目的。在深埋段(K31+940～K35+630)工作区地形起伏较大，局部通行条件不佳，如高分辨率的地震勘探等受地形影响较大，难以取得分辨率可观的数据，应用受到限制，采用CSAMT方法；在浅埋段(K31+735～K31+940、K35+630～K36+315)隧道口位置，埋深相对较浅且工程施工风险较大，所以选用探测精度较高的方法厘清构造发育情况，布设了电阻率剖面及浅震方法；在隧道出口附近的新近堆积块石土位置，由于钻探的局限性较大，布置了地质雷达对其厚度进行了探测。

(1)CSAMT法

可控源音频大地电磁测深法CSAMT法最早由加拿大多伦多大学的D.W.Strangway教授和他的研究生Myron Goldtein于1971年提出[11]，最大探测深度接近 2 km，远超其他物探方法是该方法的突出优点。本次勘察，在深埋段(K31+940～K35+630)布置CSAMT法测线2条。CSAMT测线电阻率横向变化较大，呈现高低阻相间的格局；纵向电阻率变化不大。电阻率值介于 200 Ω·m～2 000 Ω·m之间，其中，低电阻率区域主要分布于沟谷地区及构造节理发育部位，反映了地层岩性及构造特征。高电阻率区域分布较广，反映了地层岩性主要为较完整的花岗岩等。揭露的隧道沿线视电阻率普遍表现为低阻特征明显，推测其由于断裂或者节理发育，导致地层充水，造成电阻率减低，形成电阻率凹区。图3为测量反演视电阻率断面图。通过该方法揭露断裂13条(F1～F13断裂)，对于工程施工而言，应对13条断层区别对待。其中，F1、F3、F4、F5及F11等5条较为重要的断裂，存在透水崩塌的可能性较大，应加强监测，保证施工安全。

图3 CSAMT测量反演视电阻率断面图

(2)浅层折射波法

浅层地震中的折射方法是常规的地震勘探方法，它是基于人工地震源产生地震波，在速度差异较大的地层界面上产生折射，在外业地震记录上拾取折射波初至，进行分析，以探测目标体的速度差异为前提进行的[12]。该方法采集数据信息量大，可以进行成像计算，成图直观性强。根据以往的探查经验证明该方法对速度差异大的地质体具有很强的探查能力。

根据测量解译，该测线区段基岩面很浅，区段覆盖层厚度均小于 1.0 m，测线尾端 60 m范围内较深，达 1.5 m。基岩中纵波速度较高，介于 3 200 m/s～4 200 m/s，其波速稍低于隧道南入口波速；在测线 K35+965 m～K35+970 m及 K36+118 m～K36+122 m范围内，岩体波速较低，约为 2 400 m/s，时距曲线上地震波走时增大且出现跳跃，推断为断层破碎带，其他区段岩体相对均匀。图4为隧道北出口测线DZ2时距曲线(上)与波速断面图(下)。

图4 隧道北出口测线DZ2时距曲线(上)与波速断面图(下)

(3)高密度电法

高密度电阻率法是在常规电法基础上发展起来的新型物探方法，以岩土介质的导电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的地下稳定电流场的分布规律从而来解决地下地质问题[13]。其原理与普通电阻率法相同，所不同的是在观测中设置了高密度的观测点，增加了空间供电和采样的密度，提高了纵横向分辨能力和工作效率。

从成果图上可以看出，DZ2断面视电阻率等值线中部具有一处明显的高阻异常区，并在相邻的右侧存在一处形状较规则的低阻异常区，低阻异常极值位于地表以下 22 m处。其他低阻异常区规模均较小。其中，DZ2测线 25 m～30 m区段深部的高阻区域推测为致密岩体，其浅部等值线出现下凹趋势，推测为基岩顶面风化层或者节理所致。42号点异常区范围较大，且低阻极值较明显，推测为破碎赋水部位或煌斑岩侵入脉岩。DZ2视电阻率断面图如图5所示。

图5 DZ2视电阻率断面图

结合电法和地震的勘查资料，浅层折射波法推测的断裂与高密度电法所解译的断裂对应比较好的为F16、F17和F18，尤其是F16、F17及F18断裂为重点关注断裂或者不良地质体发育部位，在工程施工中存在安全隐患，主要体现在岩体碎裂或者裂隙发育导水，应在施工前进行查实，保证施工顺利开展。

(4)地质雷达

地质雷达应用于工程地质勘察中是利用高频电磁波(主频为数十兆赫至数百兆赫至上千兆赫)以宽频带短脉冲形式，由地面发射天线T向地下发射，碰到地下地层或目的体(物性有差异)经反射后，利用地面接收天线R接收并经数字化处理，送入计算机内存贮、显示。雷达图像常以脉冲反射波的波形形式记录，根据雷达图像可以判断出地下地层的变化及目标体的形状。

共布置地质雷达布置测线11条。从地质雷达探测的结果看，第四系与基岩界面明显，结合钻探结果分析：场区基岩强风化带较薄，在地质雷达剖面中未明显体现；中风化带与微风化带界限不明显，由中风化带至微风化带呈渐变走势，雷达剖面中未明显体现；场区基岩有花岗岩、片麻岩等多种岩性岩石，相同风化程度的不同岩性岩石性质较接近，在地质雷达剖面中其界限反应不明显。

4 工程地质钻探

4.1 钻探验证

钻探是地质勘察中最常用、直接、可靠而有效的手段[14]，可以直接获取岩芯，从而直观反映地层岩性、厚度、完整性、破碎程度、含水情况以及稳定水位等工程地质和水文地质参数。在遥感判译、野外地质调绘和物探测试成果的基础上，结合规范要求，本次钻探工作布置如下：①隧道浅埋段(K31+735～K31+940、K35+630～K36+315)埋深较浅，在充分利用现有资料的基础上，左右交错按 30 m间距共布置勘探孔25个。②隧道深埋段(K31+940～K35+630)洞身整体埋深较大，在充分利用前面成果的基础上，兼顾区间风井，经综合考虑布置勘探孔6个。③在斜井洞口处布置勘探孔1个，在斜井洞身中部推测的断裂发育处布置勘探孔1个，以查明该断裂特征、洞身围岩破碎程度、围岩透水性等工程地质条件。

4.2 综合试验、测试

结合布置的钻探工作，分别在钻孔内外布置了一系列的试验、测试工作。孔内测试主要包括原位测试、水文地质测试、综合测井[15]、孔内电视等。孔外主要对岩土(水)样进行了一系列的物理、力学试验测定，为设计及施工等提供详细而可靠的地质资料。

5 综合分析

通过在场区开展的地质测绘和工程钻探等工作对上述物探成果进行了验证和补充，总体分析后得到以下主要结论：①场区对隧道工程有重要影响的不良地质作用主要为断裂发育，场区崩塌危岩体对隧道主体基本无影响。②场区北东、北西向断裂较为发育，其内碎裂岩岩体破碎且易形成富水带。FY1、FY5、F3～F5、F7、F11、F13、F15～F19断裂推测其岩体破碎程度较高，透水、崩塌的可能性大，应加强监测，保证施工安全。③场区特殊性岩土主要为人工填土，尤其是隧道出口附近堆填的块石堆，对出洞口部工程影响较大。在基岩中脉岩较为发育、煌斑岩脉中见有球状风化现象，在隧道开挖和超前支护时应注意基岩可能具有软硬相间、上硬下软的特点。④隧道围岩放射性污染主要是γ射线污染，沿线围岩的γ射线测试结果不超过ICRP年有效剂量平均值1mSv，可不进行辐射防护。隧道围岩无有害气体。

6 结 论

已于2015年12月底顺利贯通的青岛蓝色硅谷城际铁路隧道工程，勘察成果的现场符合率高、围岩变更少，施工开挖过程没有遇到突发性的不良地质情况。通过对勘察及施工过程情况进行总体分析，可以得到以下结论：

(1)野外工程地质调绘的详尽程度在很大程度上决定了物探和钻探工作量的布置，在山岭隧道的勘察工作中必须充分深化野外地质调绘工作。随着遥感技术的发展，高分辨率的影像资料的利用可以极大提高野外工程地质调绘的效率。

(2)对于下伏基岩的块石土堆积区域，地质雷达对于探测填土厚度具有较好的适应性。地下水赋存状态在花岗岩地区基本与断裂破碎带的特征相一致，反映在电阻率参数表现为低阻异常。而波速信息对于地下水的反映相对很弱，基本表现为波速降低。

(3)结合电法和地震的勘查资料，浅层折射波法推测的断裂与高密度电法所解译的断裂对应比较好的为F16、F17和F18，其中F17、F18为高密度电法探测破碎程度较发育的两条断裂。可见，高密度电法对电阻率变化非常敏感，能够识别规模较小的电性异常体，地震方法对波阻抗变化较敏感，两者联合可以从不同角度揭示地下介质的分布特征。

(4)正式测定前，各物探手段必须重视现场物性测量及试验工作，以确定合理的相关测试参数。

(5)物探结果具有多解性，地形、地貌以及地质环境等因素都影响着物探技术的应用和成果的解译，在对物探技术与场区特点适应性研究的基础上再布置物探工作，做到多种测试手段各展所长、优势互补，才能更好地发挥物探技术的作用，提高勘察效率，减少钻探等工作量。

(6)综合勘察技术的运用，是复杂隧道工程岩土工程勘察的必要手段，必须联合运用，才能保证勘察成果资料的准确性。