浅埋隧道地表塌陷勘察中的物探应用——以于家岭隧道探测为例

刘文才

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

1 引 言

隧道是铁路、公路通过山体的主要方式，如何确保隧道施工和运营过程中的安全，及时解决各种隧道病害是业界关注的重点问题之一。浅埋隧道由于其自身特点很容易在地表形成塌陷区，对施工和运营安全造成隐患。因此快速准确地确定地表塌陷范围，找出潜在塌陷区域，制定针对性解决方案尤为重要。

由于塌陷区边界的不确定性和潜在塌陷区的隐蔽性，钻探不能准确地圈定塌陷区，且钻探方法成本大、周期长。物探技术是浅埋隧道地表塌陷勘察的重要手段，多种物探方法相结合，相互验证，能提高勘探成果的准确性。大量学者研究采空区塌陷勘察[1-8]和岩溶区塌陷勘察[9-12]，其研究结果对于隧道塌陷区勘察具有借鉴意义。在采空区塌陷勘察方面，董杰等[5]利用探地雷达法和瞬变电磁法对山东某金矿采空塌陷区进行勘察；邓中俊等[6]利用可控源音频大地电磁测深法和瞬变电磁法对地面塌陷区进行综合探测；丁荣胜等[7]利用高密度电阻率法和地震映像法对采空区塌陷进行勘察；李耀华等[8]利用瞬变电磁法和电阻率测深法勘测某铁矿采空区塌陷；在岩溶区塌陷勘察方面，梁风等[9]利用高密度电阻率法和瞬变电磁法对岩溶塌陷区进行勘测；刘继东[10]在河北滦县地面塌陷勘查中利用了物探方法。有些成果已经表明物探方法在隧道塌陷勘察中起到重要作用[13-15]。例如，李志华等[14]研究了物探在隧道塌方应急抢险中的应用；谭道远等[15]利用高密度电法探查岩溶隧道渗漏通道。

本文结合前人研究成果，针对于家岭隧道地表塌陷问题，分析塌陷原因，采用高密度电法、瞬变电磁法、地震映像法，并结合钻探制定综合勘察方案。

2 浅埋隧道地表塌陷原因及地球物理特征

2.1 浅埋隧道地表塌陷原因

引起浅埋隧道地表塌陷的因素有很多，大部分为不良地质体和地下水共同作用造成。不良地质体主要包括浅层软弱围岩、破碎带、断裂带、溶洞及其他松散地层等，当隧道穿越这些不良地质体时，如果预见性不足，施工措施不当，就可能发生塌陷；地下水不但能使岩石强度降低，并且使结构面的抗剪强度减小。由于岩体破碎或溶蚀裂隙发育，地下水(包括雨季的地表水)能够沿破碎带或溶蚀裂隙下渗，形成集中管道状或分散网络状地下径流向下游排泄；由于隧道开挖排水，改变了地下水的流动及其水动力条件，导致地下水和地表水向隧道内渗流和涌水，地下潜流在流经的土石分界处将土体逐渐冲蚀带走而形成土洞，并且由于雨水对土体的软化作用，导致地表塌陷在较强降雨期间频繁发生，严重时可能导致隧道坍塌。

2.2 地球物理特征

地下介质存在物性差异是进行物探勘探的前提。塌陷区及其周围的电性(电阻率)特征一般为：塌陷区和潜在塌陷区电阻率小于完整基岩[16]。塌陷区及其周围相关岩土力学参数(波速)特征一般为：塌陷区和潜在塌陷区波速小于完整基岩。隧道地表塌陷区及潜在塌陷区与完整围岩存在明显的电阻率及波速差异，应用物探手段探测地表塌陷区的方案具有可行性。

3 物探方法选择

浅埋隧道地表塌陷与地层岩土力学参数和含水性密切相关，从解决方法上可分为“地震法”和“电法”[17]。“地震法”求取波速等相关岩土力学参数；“电法”针对塌陷区含水性求取电阻率参数；“地震法”和“电法”可从不同角度反映塌陷区情况。针对电阻率参数，选择高密度电阻率法和瞬变电磁法；针对波速参数选择地震映像法和地震面波法。

3.1 高密度电法

高密度电法是集电剖面和电测深于一体,采用高密度布点进行二维地电断面测量的一种电阻率法勘探技术[2]。高密度电法集中了电测深法和电剖面法两者的优点, 不仅可以观测地下横向电性变化情况，同时还可以观测一定深度范围内垂向电性的变化。该方法数据量大，包含信息多，具有观测精度高、速度快等特点，在岩溶、断裂等不良地质体探查及划分地层等诸多方面得到了广泛的应用。浅埋隧道地表塌陷区及潜在塌陷区在断面图中呈现低阻异常，完整基岩在断面图中呈现高阻。

3.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法是一种脉冲感应电法勘探，属于时间域电磁法。它通过向勘探目标发送一次磁场，测量一次场的激励电源关断后一段时间内的二次磁场变化；通过二次磁场衰减变化的信号特征来解释和反演地下介质结构的性状，具有操作简单、工作效率高、抗噪、抗干扰能力强等优点[18]。

正常情况下，地下各层电性横向上相对均一，在隧道完整围岩区域，二次涡流场很快衰减，瞬变电磁视电阻率成果图上呈现高阻异常；浅埋隧道地表塌陷区及潜在塌陷区在一次场的激励下产生感应涡流，涡流磁场在脉冲磁场断掉后不会立即消失，而是大致按照指数规律衰减，在成果图中呈现低阻异常。

3.3 地震映像法

地震映像法是利用介质的弹性波速差异来解决地质问题的一种地球物理方法。采用单点激发，单点接收，受地形影响较小，适用于各种复杂地形，数据处理流程简单，工作效率高。地震映像法在资料处理过程中不进行校正处理，避开了动校正对浅层反射波的拉伸、畸变影响，可以使反射波的动力学特征全部保留，地震记录的分辨率不会受影响；由于每个记录道都采用了相同的偏移距，地震记录上反射波的动力学特征主要为地下地质体的反映，可直接对资料进行解译[19]。该方法在地表浅部地层划分、浅部采空、塌陷及溶洞的揭示等均有较好的应用效果。在浅埋隧道地表塌陷中，当上覆地层塌落、回填,反射波凌乱、一定范围内的反射波同相轴向下错动,呈现出松散、塌落的形态[20]。

高密度电法具有数据量大、效率高、观测精度高等优点，能够准确反映塌陷区地下电阻率的变化，较好地识别塌陷区及潜在塌陷区，缺点是结果受地形影响较大；瞬变电磁法具有操作简单、工作效率高、抗噪等优点，尤其对富水区反映敏感，缺点是易受到电磁干扰；地震映像法受地形影响较小，具有数据处理流程简单，工作效率高等优点，能较好地识别塌陷区位置，可以较好地反映浅部地质信息，缺点是不能具体反映塌陷深度。通过三种物探方法相结合，发挥各方法优势，从不同角度反映塌陷区规模和形态，提高勘察精度。

4 工程实例

4.1 工程概况

于家岭隧道穿越辽东低山区，隧道范围丘间沟谷内表层多为第四系粗角砾土覆盖，隧道洞身通过地层主要为大理岩及板岩等地层。塌陷区位于丘陵区宽缓的沟谷之中，地形较平坦，此段落隧道埋深25～80 m。

塌陷区内植被发育，水系较发育，地下水量丰富，由于岩体节理裂隙较发育，地下水及雨季的地表水能够沿节理面及破碎带下渗，形成集中管道状或分散网络状地下径流向下游排泄。隧道开挖过程中，受地表降水补给影响，溶洞塌腔体内充填物及洞顶松散体继续塌落涌出。该隧道开挖建成后一段时间，上方及附近地表在雨季陆续发生塌陷现象。

分析地表塌陷原因，是由于岩溶发育，局部岩体破碎，隧道开挖改变了地下水的流动及其水动力条件，造成地表塌陷。为查明塌陷区规模、找出潜在塌陷区域，排除安全隐患，根据现场调查情况，经技术分析，采用高密度电法和瞬变电磁法通过电阻率参数来识别塌陷区地下、风化破碎带、富水区域；采用地震映像法通过波速参数识别塌陷区地表位置和边界；钻探可以准确反映某一位置下面具体地层及其特征，验证物探成果，提高解释精度。因此制定采用高密度电法、瞬变电磁法、地震映像法三种物探方法，并结合钻探结果综合分析的勘察方案。

4.2 成果解释

浅埋隧道地表塌陷区及潜在塌陷区在高密度电法和瞬变电磁法成果图中呈现低阻异常；浅埋隧道地表塌陷区及潜在塌陷区在地震映像成果图上表现为反射波凌乱、一定范围内的反射波同相轴向下错动,呈现出松散、塌落的形态。

图1 DP-1测线高密度电法成果Fig.1 DP-1 survey line results of high-density resistivity method

从DP-1测线高密度电法成果图可以分析，地表电阻率较低，对应地层为粗角砾土层；向下电阻率逐步升高，对应大理岩地层；在大理岩地层中里程120～170 m和180～220 m有明显的两处低阻异常区，低阻区域上小下大，形如漏斗状，上部与地表低阻层相连通。推测此段溶蚀裂隙较发育、岩体较破碎、含水丰富，推断存在富水通道。随着地下水的活动加剧，岩溶及影响范围可能会扩大，推测为潜在塌陷区。

图2 TEM-1测线瞬变电磁法成果Fig.2 TEM-1 survey line results of transient electromagnetic method

从TEM-1测线瞬变电磁法成果图可以分析，在里程20～70 m电阻率等值线下凹，电阻率值明显低于两侧电阻率值，且低阻区域上部与地表低阻层相连通。推测此段为溶蚀裂隙较发育、岩体较破碎、岩溶发育导致的塌陷区。

图3 ZY-1测线地震映像成果Fig.3 ZY-1 survey line results of seismic image

通过ZY-1测线地震映像法成果图可以分析，在里程45～65 m，反射波凌乱、一定范围内的反射波同相轴向下错动,呈现出松散、塌落的形态，推测此段为塌陷区。

4.3 综合分析

高密度电法和瞬变电磁法通过电阻率参数来识别塌陷区及潜在塌陷区，在高密度电法DP-1测线120～170 m和180～220 m有明显的两处低阻异常区，在瞬变电磁法TEM-1测线里程20～70 m电阻率等值线下凹，电阻率值明显低于两侧电阻率值，这两种方法可以较好地反应深部地质信息；地震映像法通过波速参数识别塌陷区地表位置和边界，在地震映像法ZY-1测线里程45～65 m处，反射波凌乱、一定范围内的反射波同相轴向下错动,呈现出松散、塌落的形态，较好地反映了浅部地质信息；瞬变电磁法TEM-1测线和地震映像法ZY-1测线反映异常区位置重合，互相验证。

依据物探勘察结果，结合现场地形、地质情况，推荐钻探孔位，实施钻探。共推荐4处钻探位置。钻探结果显示，在高密度电法DP-1测线里程190 m位置钻孔(13-ZBD-503)、瞬变电磁法TEM-1测线里程50 m位置钻孔(13-ZBD-506)节理发育，并钻到溶洞，其余2处钻孔节理发育，岩心呈块状，证明了物探结果的可靠性。通过三种物探方法相结合，从不同角度反映了地下三维塌陷体规模和形态，结合钻孔结果综合分析，在平面图(图4)上画出塌陷区和潜在塌陷区位置，为后续治理提供了可靠依据。

图4 平面成果Fig.4 Flat results map

5 结 语

1)本文针对浅埋隧道地表塌陷问题，分析浅埋隧道地表塌陷原因及塌陷区地球物理特征，介绍了高密度电法、瞬变电磁法、地震映像法的原理和特点，阐述采用多种物探方法结合，利用多种参数，互相补充验证，从不同角度反映了地下三维塌陷体规模和形态。

2)通过于家岭隧道地表塌陷勘察实例，证明采用多种物探方法并结合钻探成果分析，制定综合物探勘察方案，可快速、有效地解决隧道地表塌陷勘察问题，对类似隧道工程勘察具有一定的示范和指导意义。