综合地球物理勘察技术在铁山坪隧道勘察中的应用

袁 伟，朱永珠，幸大军，邹 维

(重庆市市政设计研究院，重庆 400020)

1 引 言

随着现代隧道工程地质勘察对勘探精度的要求越来越高，虽然传统的地质测绘和地质调查、钻探的方法可以获得单一钻孔位置的岩(土)体的风化程度、岩土力学性质等参数，但要获得更详细的隧道沿线的隧道围岩级别划分则需要更密集的钻孔，大大增加了勘探成本。随着综合地球物理勘察技术的提高，音频大地电磁法、高密度电法、综合测井等工程物探方法可以获得不同深度、不同尺度、不同参数的岩石物理性质变化规律等，将这些地球物理参数结合钻探岩心进行标定，可以获得更加精确、更加宽广区域的隧道沿线工程地质性质[1-3]。本文将结合音频大地电磁法、综合测井法和高密度电法的综合地球物理勘察技术应用到铁山坪隧道工程地质勘察中，获得了较好的应用效果。

2 工程概况

铁山坪隧道作为渝长高速复线的快速入城连接通道，属于重庆市快速路网的重要组成部分。线路西起内环快速路大佛寺南桥头，向东经弹子石、唐家沱、鱼嘴片区，终点在果园港接渝长高速复线，全长22.83 km。

线路区位于重庆平行岭谷地貌区，背斜成山，向斜成谷，山高谷深，岭谷相间，地形由北北东向窄条状山脉和丘陵谷地组成。隧道穿越的铜锣山为狭窄的条状低山，北北东向20°方向延伸，与地质构造线方向一致，海拔高程一般为220～640 m。铜锣山在线路南侧1～5 km一线被长江切割形成峡谷(铜锣峡)，往北东方向连绵起伏,一直延伸至四川盆地边缘，长达190 km。山脉两侧地势陡峻，多形成陡坡，山脊高程为400～500 m。两端丘陵谷地则相对低缓，高程为200～300 m。

铁山坪复线隧道段，隧道穿越铜锣山，山体宽厚，北高南低，两侧山坡陡峻，切割强烈，山顶平缓地带宽达1 km，起伏平缓。隧道段山顶最高点高程为577 m，一般标高在500 m以上，地形坡度5°～15°。隧道最大埋深约321 m。两侧山坡坡度30°～60°，坡脚部分地形较缓，横向冲沟发育，山体植被茂密，松柏成林，属于铁山坪森林公园。

线路区地层主要为一套内陆河湖相碎屑沉积岩。铁山坪复线隧道洞身段出露地层为三叠系上统须家河组(T3xj)地层，洞口段为侏罗系中下统自流井组(J2zl)、中统新田沟组(J2x)地层。唐桂隧道、石马岗隧道段出露地层为侏罗系中统上沙溪庙组(J2s)、下沙溪庙组(J2xs)地层。海尔路出入口段、望江出入口段出露地层主要为侏罗系下沙溪庙组(J2xs)地层、中统新田沟组(J2x)地层。第四系松散堆积层处各洞口有较集中分布外，在铜锣山山体两侧陡坡段也有部分分布。

3 地球物理物性特征

岩石的地球物理特征是开展各种资料解释的前提，物性资料成果是地球物理勘探成果向地质成果转换的桥梁与纽带，只有掌握客观、丰富的物性资料，才能对物探资料作出较为准确的解释，从而获得有意义的地质成果[4-6]。

影响地质体电阻率大小的主要因素有地质体的矿物成分、结构、构造及含水情况等[7]。本次工作主要是根据测线地球物理反演结果，并结合地质资料、测井及钻探资料统计分析，得出了各地层所对应的电阻率值。本文根据综合测井结果和地面物性测试，得到的本区岩石物性特征见表1。

综合上述三个测区主要岩层的三个主要物性参数，可以建立地电模型，作为做资料处理与地质解释的重要科学依据。

根据表1的岩石物性参数特征可知：砂岩的电阻率、声波速度的平均值比泥岩高，自然伽马平均值比泥岩、砂岩低；泥岩的电阻率、声波速度、均低于砂岩和页岩，自然伽马的平均值处于中等；页岩的电阻率、声波速度的平均值处于中等，而自然伽马平均值最高。因此可以根据这些物性的差异在大地电磁反演视电阻率剖面和综合测井曲线中划分砂岩和泥岩页岩的分布界面。

表1 主要岩性物性特征

4 综合地球物理勘察成果

4.1 音频大地电磁测量结果

根据音频大地电磁测量原理，其每个测点可以得到TE和TM两种模式的数据，根据前人对大地电磁测深的二维反演模式的研究，两种模式有不同的高低阻异常体和纵横向分辨率[4-6]，根据本区测量数据的特点，采用TE和TM联合反演模式计算测线电阻率剖面，以更好地得到地下电性结构剖面[7，8]。

图1为本隧道轴线正上方音频大地电磁反演电性结构剖面，图中纵坐标为海拔高程(单位km)，横坐标分别为物探测距(单位km)和隧道里程(单位km)，色标为反演的视电阻率(单位Ω·m)，图中蓝色、绿色色标代表低电阻区，然后经黄色到红色、紫红色过渡到高电阻区。

结合隧道钻探地质剖面图(图2)，本区大地电磁测量结果可以反映三个方面的问题：

4.1.1 岩性分界

测线进出口地表出现的蓝色、绿色缓倾低阻异常带与钻探地质剖面反映的泥岩分布带基本一致；低阻带以下黄色、红色高阻区与砂岩对应也比较好。高低阻数值上物性统计结果也具有对应性，这反映出大地电磁法用于区分本区砂岩和泥岩的分界面具有较好的效果。

4.1.2 对破碎带的探测

测区大地电磁反演的视电阻率断面在里程9.4 km和10 km左右出现两条明显的低阻异常条带，分别对比该区域的CTS13孔和CTS15孔的钻探岩心(图3、图4)，可以发现这两个钻孔的岩心都出现了不同程度或者断断续续的破碎现象。该测区总体出现破碎岩心对应低阻区的规律，因篇幅所限，这里不一一列出。该测区大地电磁法对砂、泥岩的破碎状态具有较好的探测能力，这对隧道围岩等级的评价和后期隧道施工突水区的提前预判具有重要意义。

图3 CTS13孔钻探岩芯Fig.3 CTS13 borehole core

图4 CTS15孔钻探岩芯Fig.4 CTS15 borehole core

4.1.3 对断层带的探测

根据区域地质图和钻探地质剖面图可知，测线在里程10.8 km左右出现高坎子压扭性逆冲断层，断层走向N10°～30°E，倾向NW，倾角55°～75°，长10 km，断距约70～250 m，如图5所示。对应大地电磁反演结果剖面的相应位置可以发现，该大地电磁反演的视电阻率剖面并没有在断层位置出现高阻或低阻异常条带，此位置的视电阻率断面的高低阻界面更好地反映的是砂、泥岩的分界位置。造成此结果的原因可能有两方面：一是此断层为压扭性断层，断层内裂隙不发育，因而其区内含水率并不高，造成其电性差异不大；二是此断层下部正好为砂、泥岩的分界面，砂、泥岩的电性差异掩盖了断层的电性差异。

图5 高坎子断层地质剖面Fig.5 Geological profile of the Gaokanzi fault

图6 CTS9孔综合测井成果Fig.6 Comprehensive logging results map of CTS9

4.2 综合测井技术对钻孔柱状图的校正

本次采用综合测井技术对隧道进行探测，包含视电阻率、自然伽玛、声波波速、电阻率扩散、井温测井等方法。具体工作内容如下：利用岩物性参数划分地层剖面，确定软弱夹层厚度；划分破碎带、裂隙发育带；了解孔内地温及自然放射性变化情况并评价其对施工运营的影响；了解孔斜及钻孔空间位置的变化情况；对隧道围岩进行弹性波分级等工作[9-15]。

根据本次测井的目的要求，将预处理后的物性参数曲线图作为基本图件，与钻探剖面进行对比，并对该钻孔进行定性综合分析。

图6为CTS9号孔综合物探测井成果图。由图6可知，本测区综合测井揭露结果与钻探结果基本一致，但在CTS9号钻孔综合测井结果与钻探岩心柱状图在揭露一段含炭质页岩位置的地方出现了一定的深度偏差，钻探揭露的含炭质页岩在深度173～198 m范围内，而综合测井根据自然伽马和自然电位曲线图揭露的含炭质页岩在深度162～182 m范围内。针对此差异结果，物探人员与地质钻探人员后期对钻孔重新进行检测描述，经讨论，后期以综合测井确定的含炭质页岩深度为准。

4.3 高密度电法与综合测井对断层的探测能力

为查明高坎子断层的具体位置和规模，在其位置布置了一条高密度电法测线，测线长300 m，点距5 m，采用温纳排列进行测试，测线中间位置对应断层的出露位置。并在断层位置的已完成钻孔进行综合测井测试，测试结果以高密度电法反演剖面为背景，并在断面中间钻孔位置附上钻孔柱状图和综合测试结果的波速和自然伽马曲线，如图7所示。图中纵坐标为海拔高程(单位m)，横坐标为测线长度(单位m)，色标为反演的视电阻率(单位Ω·m)，图中蓝色、绿色色标代表低电阻区，然后经黄色到红色、紫红色过渡到高电阻区。

分析图7可以发现，高密度电法反演剖面从上到下大致可分为三个岩性段，浅部0～5 m为红色高电阻率区，电阻率大于150 Ω·m，这与浅部为干燥的碎石、粉质黏土相符。中部为蓝色、绿色低阻区，并且在测线前部低阻范围加深，电阻率小于150 Ω·m,推测此段岩体较破碎，含水率较高。底部为红色、紫色高电阻率区，电阻率大于200 Ω·m，推测此区域岩体较完整。断层带内高阻与低间隔出现，说明断层带完整性差别大，含水量差距大，岩体均匀性差。电阻率剖面反应的低阻趋势与断层走向基本一致。对比综合测井的自然伽马曲线可知，曲线在泥岩段自然伽马值明显升高，在砂岩段自然伽马值相对较低，这与上文中的物性统计结果相符。且高自然伽马值正好对应高密度电法的低阻蓝色、绿色泥岩区域，低自然伽马值正好对应高密度电法的黄色、红色高阻区。可见，高密度电法和综合测井的自然伽马曲线都可以很好地探测砂、泥岩分界面，且可以相互印证。

图7 高密度电法反演的视电阻率剖面Fig.7 Apparent resistivity profile inversion by high density resistivity method

4.4 综合测井温度参数的应用

对本隧道钻孔的综合测井的温度参数进行分析提取可知，该隧道沿线存在高地温梯度和高地温异常[16-20]。如图(8)所示，图中纵坐标为海拔高程(单位km)，横坐标为隧道里程(单位km)，色标为综合测井所得的地温(单位℃)，图中蓝色、绿色色标代表低地温区，然后经黄色到红色、紫红色过渡到高地温区隧道围岩段井温为15.60～27.1 ℃，地温梯度最高22°/100 m>正常地温梯度1.5°/100 m，属地温偏高区，通过地温分布图可知，K9+000～K9+300以及K9+900～K10+100段地温皆达到26 ℃以上，超过正常隧道施工地温。此揭露的高地温异常可让后期隧道施工时提前做好应对高地温施工的措施。

图8 隧道温度变化剖面Fig.8 Tunnel temperature change profile

5 结 论

1)音频大地电磁法对该隧道的岩体破碎带和砂、泥岩分界面的探测具有较好的应用效果，对横向分布较窄的压扭性断层探测效果不佳。

2)高密度电法对浅部电性结构具有较好的探测分辨率，且若将其反演的视电阻率剖面结合钻孔测井的波速、自然伽马等参数，可多方面验证探测结果的准确性。

3)隧道勘察应注重综合测井技术的综合分析，将其分析得到的较准确的岩性分界面、破碎区域、水文参数、钻孔的柱状参数等，与音频大地电磁和高密度电法的剖面视电阻率参数相结合，可验证剖面视电阻率反演结果的准确性，并且可将验证的剖面视电阻率反演结果推广到没有地质钻孔的区域，这有助于提高对隧道部位的工程地质评价的准确性。

4)本次研究根据综合测井技术在该区获得的温度参数发现了地温异常，可以帮助后期隧道施工时进行提前部署，应对高地温施工问题。