物探技术在公路长深埋隧道选线中的作用

段明杰，罗 术，刘阳飞

(云南省交通规划设计研究院有限公司，云南 昆明 650200)

1 引 言

云南省地形复杂，高山峡谷众多，随着云南省十四五“互联互通”交通规划的推进，高速公路建设逐渐向山区高海拔地区推进，受地形、地质条件等制约，山区高速公路长深埋隧道勘察设计难度越来越大[1]，一般要进行多个方案的比选，传统的地质勘察手段在长深埋隧道方案比选中有巨大的局限性，很难满足特殊条件下的勘察要求[2]，如何科学的、合理的发挥物探技术在公路长深埋隧道选线中的作用是我们物探勘察一直在思考的问题[3]。以罗坪山特长隧道为例，研究物探技术在公路长深埋隧道选线中的作用。

罗坪山特长隧道为剑川至洱源高速公路的控制性工程，拟选隧道方案经三个勘察阶段确定，即工可研路线方案(以下简称GK方案)、初设路线方案(以下简称CK方案)、施设路线方案(以下简称SK方案)。隧址区地形困难，地质情况复杂，针对三个方案的勘察比选，开展了综合物探技术手段。

2 罗坪山隧址区的概况及地球物理特征

2.1 地理、地形条件

罗坪山隧址区位于云南省洱源县境内，隧道进口靠近炼铁乡，位于炼铁乡东南部2～3 km左右，出口靠近凤羽镇，位于凤羽镇北边3～4 km。隧址区整体地势为中间高、两边低，区内最高海拔3 300 m左右，最低为隧道进口，海拔约2 000 m左右，相对高差约1 300 m，局部区域地形陡峭。

2.2 地质条件

(1)地层岩性

隧址区主要分布有新生界沉积岩，元古界苍山群变质岩，及第四系和第三系各种成因的堆积物，地质条件复杂，出露地层岩性复杂多变，地层岩性主要为第四系洪积物，第三系砾岩、砂岩、泥岩、粉砂岩等。前寒武系苍山群绢云千枚岩、石英片岩，大理岩、白云质灰岩、绿泥绢云片岩夹大理岩；斜长变粒岩、白粒岩。

(2)地质构造

隧址区范围内地质构造较为复杂，受区域性构造影响，发育有众多不同性质的断层，共10条。区内以维西-乔后断裂(F1)为界划分了2个一级大地构造单元(扬子陆块区、羌塘-三江造山系)、2个二级大地构造单元(上扬子古陆块、兰坪-思茅地块)，并进一步细分为2个三级大地构造单元、2个四级大地构造单元。隧址区受多条断裂影响，角砾岩、糜棱岩和挤压片理较发育。主要断裂见表1。

表1 隧址区发育断裂统计表

2.3 地球物理特征

岩石电阻率值主要受岩石矿物成分、岩石的结构、构造及含水性等的影响[4]。对于该区能开展电法工作的地球物理前提为：隧址区内不良地质构造发育，地下水丰富，地层岩性复杂多表。基岩中的构造带或断层，会导致岩层电阻率值降低，形成低阻异常带；不同地层岩性接触带，电阻率值也会表现出差异，如第四系和第三系的泥岩、砂岩、粉砂岩电阻率值一般为低阻特征，元古界苍山群变质岩电阻率值一般为高阻特征；此外较完整岩体与充水破碎带、软弱岩体之间也存在明显的电阻率值差异。因此，工区能够用电性差异区分地层岩性，划分断层破碎带等构造体，具备开展电法工作的地球物理条件。

3 综合物探技术在方案比选中的作用

罗坪山特长隧道拟选方案主要有工可研方案(GK方案)、初设路线方案(CK方案)、施设路线方案(SK方案)。物探专业在这三个路线方案勘察中均发生了不可替代的作用。

3.1 工可研方案(GK方案)

GK方案隧道全长10 290 m，最大埋深1 000 m左右。该方案地质情况复杂，出露地层主要有第三系砾岩、砂岩，泥岩、粉砂岩夹泥灰岩，苍山群大理岩、灰岩及变粒岩，千枚岩，片岩，石英岩，白粒岩，石英片岩等，隧道轴线穿越9条断裂，特别是中部最大埋深处与大宝断裂(F14)大范围平行，相距100～200 m左右。为了初步探明隧道围岩岩性分界，地质构造、断层等不良地质情况，物探技术方案为：采用音频大地电磁法进行勘察，要求全线贯通。

可看出，此次勘探成果基本探明了隧道围岩岩性分界线及构造特征，围岩完整性。其中轴线穿越的9条断裂于物探成果图中也有明显的断层异常带显示。结合地质调绘与音频大地电磁法电阻率断面图可得出：GK方案里程+1 200 m～+2 000 m段围岩电阻率呈多个低阻条带异常并向深部延伸，电阻率值小于100 Ω·m，推测该区穿越多条断层，岩体极破碎，隧道围岩工程稳定性差；里程+5 000 m～+7 200 m段围岩电阻率值呈低阻特征，小于150 Ω·m，推测该段与F14断裂小角度相交，受F14断裂影响，该段隧道围岩极破碎，极富水，工程地质条件极差。

3.2 初设方案(CK方案)

CK方案隧道全长11 150 m，最大埋深1 200 m左右。该方案隧址区地质情况复杂，隧道轴线与地层走向近似垂直，主要出露地层岩性为第四系洪积物，松散砾石层夹砂砾岩等；第三系砾岩、砂岩，钙质泥岩、粉砂岩；寒武系苍山群绢云千枚岩、石英片岩、绿泥片岩、石英岩、白云质灰岩夹大理岩；黑云斜长变粒岩、白粒岩等。根据区域地质调查，大致推断隧道轴线将穿越6条断裂，为了探明隧道围岩的岩性特征及6条断裂的分布及产状特征，采用了综合物探的方法来探察隧道的基本地质情况。由于路线经过风电场及高压输电线，为了有效降低强电磁干扰，物探方法采用了何继善院士提出的广域电磁法，其具有勘探深度大、观测范围广、工作效率高、测量精度高、抗干扰能力强等特点[5]。

可看出，广域电磁法有效降低了山顶风电场及高压输电线的强电磁干扰，达到了预期的勘探目标，基本探明了隧道围岩岩性特征及构造特征。其中轴线穿越的6条断层于广域电磁法成果断面图中也有明显的低阻异常带显示，基本探明了6条断层的具体位置及产状特征。结合地质调绘可推测：CK方案里程+000 m～2 000 m段围岩电阻率呈多个低阻条带异常并向深部延伸，电阻率值小于100 Ω·m，推测该区穿越4条断层，受断层影响，该段岩体极破碎，富水，工程稳定性极差；里程+8 000 m～11 200 m段隧道洞身位置围岩电阻率值为低阻特征，推测地层主要为第四系洪积物，松散砾石层夹砂砾岩，围岩稳定性极差，而该段为隧道浅埋段，开挖时支护困难，极易发生坍塌。

为了进一步探明隧道出口段的围岩特征，在隧道出口段采用高密度电法布设了一条纵剖面和两条横剖面。纵剖面沿隧道右幅中线布设，剖面起止点里程为：+11 m～+1 019 m，对应隧道右幅中线里程：+10 342 m～+11 350 m段，剖面长1 008 m，命名为纵剖面Z1，勘探结果如图1(a)所示；两条横剖面分别为：(1)与CK方案路线里程+9 150 m处正交，命名为横剖面H1，剖面起止点为+400 m～+1 400 m，剖面里程+700 m处与CK方案路线里程+9 150 m处正交，勘探成果如图1(b)所示；(2)与CK方案路线里程+10 250 m处正交，命名为横剖面H2，剖面起止点为+400 m～+1 400 m，剖面里程+1 000 m处与CK方案路线里程+10 250 m处正交，勘探成果如图1(c)所示。

从图1(a)可看出，隧道出口段(+10 342 m～+11 350 m段)隧道围岩电阻率值小于150 Ω·m，整体呈低阻特征，局部小于80 Ω·m，推测围岩为第四系洪积物，松散砾石层夹砂砾岩，岩体破碎，富水。

从图1(b)可看出横剖面H1围岩电阻率值整体呈低阻特征，电阻率值介于100～200 Ω·m，推测围岩破碎，富水，与CK方案路线轴线正交处隧道洞身位置围岩破碎，围岩级别低，工程稳定性极差；从图1(c)可看出横剖面H2围岩电阻率值整体呈低阻特征，电阻率值小于100 Ω·m，推测围岩极破碎，富水，与CK方案路线轴线正交处隧道洞身位置围岩电阻率值小于50 Ω·m，推测围岩极破碎，围岩级别低，工程稳定性极差。

图1 高密度电法电阻率断面图

综合广域电磁法勘探成果及高密度勘探成果可知：两种物探方法有很好的一致性，基本可推测出CK方案隧道出口浅埋段围岩极破碎，强富水，工程稳定性极差，开挖过程中极易发生坍塌。

3.3 施设方案(SK方案)

SK方案隧道全长10 920 m，最大埋深1 079 m左右。该方案隧址区地质情况复杂，隧道轴线与地层走向近似垂直，主要出露地层岩性为第三系砾岩、砂岩，钙质泥岩、粉砂岩；寒武系苍山群绢云千枚岩、石英片岩、绿泥片岩、石英岩、白云质灰岩夹大理岩；黑云斜长变粒岩、白粒岩等。根据区域地质调查，大致推断隧道轴线将穿越8条断裂，为了探明隧道围岩的岩性特征及8条断裂的分布及产状特征，本方案采用的物探方法与CK方案一致，为广域电磁法，该方法能有效降低路线经过的风电场及高压线的电磁干扰，提高信噪比。

可看出，广域电磁法有效降低了山顶风电场及高压输电线的强电磁干扰，达到了预期的勘探目标，基本探明了隧道岩性特征。其中轴线穿越的8条断层于广域电磁法成果断面图中也有明显的低阻异常带显示，基本探明了8条断层的具体位置及产状特征。结合地质调绘可推测：SK方案里程+000 m～2 000 m段围岩电阻率呈多个低阻条带异常并向深部延伸，电阻率值小于150 Ω·m，推测该区穿越5条断层，受断层影响，该段岩体破碎，富水，围岩级别低；里程+2 000 m～+10 880 m段隧道围岩电阻率值以中高阻为主，结合地质调查可推测该段隧道围岩地层为寒武系苍山群地层，岩体整体上较完整，局部较破碎，围岩等级高，工程稳定性性较好。

3.4 综合评价

(1)施设方案(SK方案)与工可研方案(GK)：隧道进口段两个方案地质条件基本相当，轴线都穿越多条断裂，围岩破碎，富水；隧道中部SK方案优于GK方案，主要表现在GK方案隧道中部大范围段近平行于大宝断裂(F14)，物探成果图中表现为大范围的低阻异常段，岩体完整性差。

(2)施设方案(SK方案)与初设方案(CK)：隧道进口段两个方案地质条件基本相当，轴线都穿越多条断裂，围岩破碎，富水；隧道出口段SK方案优于CK方案，主要表现在CK方案隧道出口近2.5 km范围隧道围岩为第四系洪积物，松散砾石层夹砂砾岩，物探成果图中表现为围岩呈低阻特征。该段为隧道浅埋段，岩体稳定性差，支护困难，开挖过程中极易坍塌。

通过以上分析可知，SK方案地质条件优于GK方案及CK方案，SK方案在隧道中部避开了大宝断裂(F14)，岩体完整性相对较好；在隧道出口段避开了第四系洪积物，且不再是浅埋段，岩性以苍山群片麻岩、变粒岩，片岩、石英片岩为主，岩体完整性相对较好。

4 结 论

罗坪山特长隧道是高原、高海拔、大埋深隧道的典型代表，一个地形起伏大，断裂构造多，岩层分布时代广、地质情况复杂的长深埋隧道，故其在设计勘察期间对三个方案进行比选。物探技术在如此复杂条件下取得了非常好的探测效果，基本探明了隧址区内的断层分布特征，地层岩性分界及岩体完整性，为隧道方案的比选提供了重要的地质依据，表明了物探技术具有探测深度大、分辨率高、测量速度快等特点，在公路长深埋隧道方案比选分析中起到了至关重要的作用。