大地电磁法在西南复杂山区岩溶隧道中的应用——以汉广高速天星隧道为例

熊 坤,田文丰,陈 彬

四川省交通勘察设计研究院有限公司,四川 成都 610017

0 引言

随着成渝双城经济圈战略的迅速推进,川渝地区交通线路建设加速推进,同时涌现了大量隧道工程。由于川渝地区地质环境特殊,地层岩性多样化,地质构造、岩溶、采空区等不良地质现象错综复杂,是隧道工程施工和运营期间的控制性因素[1]。故在隧道建设初期,即对隧道工程地质条件进行把控,对隧道施工风险性评估就显得尤为重要。

隧道勘察常规手段一般为地质调绘和钻探[2],但采用常规手段对埋深较大、地质情况复杂、伴随采空区、存在岩溶等隧道就显得力不从心,对不良地质的判断手段较为单一[3]。近年来大地电磁在隧道勘察中应用越来越广泛,物探可以对隧道沿线地质环境进行勘察,一定程度上可以明确隧道洞身段的构造、富水带位置,其在一定程度上可以弥补常规勘察手段的不足,深受地质勘察者的青睐[4-5]。

本文以汉广高速天星隧道为例,采用大地电磁法对隧道中线进行物探勘察,根据解译成果综合判定岩溶隧道富水带位置,对隧道后期施工涌突水风险点、面进行科学预判。

1 工程区概况

拟建天星隧道位于旺苍县天星乡青峰村至木瓜村一带,拟设计双洞双向3车道隧道,洞轴线为曲线形。隧道左线进出口里程桩号为ZK19+946～ZK25+421,轴向走向250°～204°,隧道洞身呈人字坡,隧道顶板最大埋深约440.2m,全长5 475 m,属特长隧道;右线进出口里程桩号为K19+770～K25+200,轴向走向250°～204°,设计路面标高1 156.96～1 201.67 m,隧道顶板最大埋深约432.8 m,全长5 430 m,属特长隧道。单洞宽16 m,洞净高8 m。

隧道整体顶部位于区内二级夷平面内,高程1 400～1 500 m,整体地势相对较平缓,山体浑厚,东侧与北侧被切割为陡崖。进口位于山体北侧斜坡坡脚位置,高程1 176 m,自然斜坡坡度33°～42°,坡度较陡;出口位于木瓜村斜坡地带,高程1 156 m,自然斜坡坡度24°～39°,整体地表较顺直,斜坡植被多为灌木。整体隧址区地处中山区,属于构造剥蚀中山地貌,山势较为陡峻。

隧址区位于扬子准地台的北缘,属吕梁期构造层之上的盖层构造,包括加里东及印支构造层组成。该区构造总的特点是具过渡带特征,地质构造主体为米仓山构造带,以E-W走向的短轴状、箱状及线状不对称褶皱为主,断裂构造除与基底构造衔接带外,一般都不发育。拟建隧道走向大体呈S-N向展布,隧址展布区域未见断层分布,主要穿越的褶皱为福庆场复式向斜及其次级褶皱。

2 物探测试

2.1 选取物探方法的依据

为选取适用于天星隧道的物探方法,首先对工程区及周边地形地貌、地层岩性及影响因素等进行调查,调查得出结论如下。

1)工程区地表分布土层较厚,且土层湿润,接地良好。

2)工程区周围工业不发达,电磁干扰较弱。

3)工程区覆盖层与基岩有明显的电阻差异。

因此,选取大地电磁法应用在隧道上方查明隧道地层界线、围岩强度、岩溶、富水带、构造行迹等工程地质条件及不良地质问题完全可行。

2.2 物探试验设计

物探试验线路沿隧道顶部中线进行布设,总长5.50 km,物探测点间距20～30 m,其中可溶岩区测点间距为20 m,非可溶岩测点间距为30 m,共布设测点172个,同时采集典型岩石标本105块,测定标本电性进行电性统计。

仪器采用美国Geometrics公司制造的EH4连续电导率剖面仪,系统主要参数为:采集频率范围为1～100 kHz,极距高频模式下最大50 m,低频模式极距可以大于50 m,叠加次数为10次,干扰较大时叠加14次。

3 物探解译成果分析

通过室内解译EH4电磁测深数据,获取可视化隧道洞身电阻率等值线断面图(见图1),视电阻率成果图符合沉积岩沉积特性,二叠系灰岩视电阻率值较高,志留系、三叠系泥质岩类视电阻率值相对较低,整条线视电阻率曲线图对地质构造反应较好。测线全长5 430 km,里程桩号为K19+770～K25+200,由大地电磁测深反演断面图可知以下情况。

图1 天然场大地电磁测深反演断面

1)隧道进口段里程K19+770～K20+170段隧道围岩岩性主要为志留系龙马溪组砂岩、页岩等。通过对岩块测试获取页岩岩块电阻率值分布于500～1 100 Ω·m,砂岩岩块电阻率分布于500～1 500 Ω·m,大地电磁法获取该段岩体电阻率主要分布于300～500 Ω·m。岩体电阻率普遍低于对应岩块电阻率值,推测该段围岩整体完整性较差,岩体呈破碎～较破碎状,地下水较丰富,围岩稳定性较差,建议在该段隧道围岩设计和施工中,加强排水和支护,预防塌方和冒顶风险。

2)隧道第1段里程K20+170～K20+726段围岩岩性主要为志留系龙马溪组砂岩、页岩等。通过对岩块测试获取页岩岩块电阻率值为500～1 100 Ω·m,砂岩岩块电阻率为500～1 500 Ω·m,大地电磁法获取该段岩体电阻率主要分布于600～800 Ω·m,岩体电阻率普遍与应岩块电阻率值相当,推测该段围岩岩体较完整,岩体呈较完整～完整状,地下水一般,由于围岩岩质较软,围岩稳定性一般,建议在该段隧道围岩设计和施工中要加强支护。

3)隧道第2段里程K20+726～K21+036段围岩岩性主要为二叠系栖霞组、茅口组灰岩。通过对岩块测试获取灰岩岩块电阻率值分布于1 000～2 500 Ω·m,大地电磁法获取该段岩体电阻率主要分布于500～600 Ω·m。岩体电阻率普遍低于对应岩块电阻率值,推测该段围岩岩体完整性差,岩体呈较破碎～破碎状,地下水丰富,围岩稳定性较差,且该段电阻等值线呈明显“漏斗状”,位于天星向斜核部,地下岩溶强～极强发育。建议隧道围岩设计和施工中,加强排水和支护,预防塌方、涌突水和突泥等风险。

4)隧道第3段里程K20+726～K22+840段围岩岩性主要为二叠系下统栖霞组、茅口组灰岩,上统砂岩、页岩等。通过对岩块测试获取灰岩岩块电阻率值约分布于1 000～2 500 Ω·m,页岩岩块电阻率值分布于500～1 100 Ω·m,砂岩岩块电阻率值分布于500～1 500 Ω·m,大地电磁法获取该段岩体电阻率主要分布于600～2 500 Ω·m。电阻率变化范围较大,岩体电阻率与对应岩块电阻率值相当,局部岩体电阻率略低于对应岩性电阻率值,推测该段为天星背斜核部,且背斜顶部地表岩溶极强发育,隧道洞身段地下岩溶发育相对较弱,围岩岩体较完整,岩体呈较完整状,地下水一般,建议该段隧道围岩设计和施工中加强支护,背斜核部段要预防涌水风险。

5)隧道第4段里程K22+840～K23+540段围岩岩性主要为三叠系下统飞仙关组钙质泥岩。通过对岩块测试获取钙质泥岩岩块电阻率值分布于400～500 Ω·m,采用大地电磁法获取该段岩体电阻率主要分布于400～600 Ω·m。岩体电阻率与对应岩块电阻率值相当,局部岩体电阻率略低于对应岩性电阻率值,推测该段为赵家山向斜区域,向斜核部为倾角较陡,两翼倾角较缓,围岩岩体较完整,岩体呈较完整状,地下水一般。建议该段隧道围岩设计和施工中加强支护,预防塌方,向斜核部预防涌水风险。

6)隧道第5段里程K23+540～K24+572段围岩岩性主要为三叠系下统飞仙关组泥灰岩,二叠系上下统砂岩、页岩、灰岩等。通过对岩块测试获取灰岩岩块电阻率值约分布于1 000～2 500 Ω·m,页岩岩块电阻率值分布于500～1 100 Ω·m,砂岩岩块电阻率值分布于500～1 500 Ω·m,泥灰岩电阻率值分布于600～1 500 Ω·m,大地电磁法获取该段岩体电阻率主要分布于600～2 000 Ω·m。电阻率变化范围较大,岩体电阻率与对应岩块电阻率值相当,局部岩体电阻率略低于对应岩性电阻率值,推测该段为李家山背斜区域,且背斜顶部地表岩溶中等～强发育,隧道洞身段地下岩溶发育相对较弱,围岩岩体完整性较好,围岩稳定性一般,地下水一般。建议该段隧道围岩设计和施工中加强支护,预防涌水、突水、突泥等风险。

7)隧道出口段里程K24+572～K25+200段围岩岩性主要为三叠系下统飞仙关组泥灰岩、钙质泥岩等,通过对岩块测试获取泥灰岩岩块电阻率值分布于600～1 500 Ω·m,钙质泥岩岩块电阻率值分布于400～500 Ω·m,大地电磁法获取该段岩体电阻率主要分布于300～400 Ω·m,岩体电阻率普遍低于对应岩块电阻率值,推测该段围岩岩体完整性差,岩体呈破碎～较破碎状,地下水较丰富,围岩稳定性较差。建议在该段隧道围岩设计和施工中加强支护,预防塌方、冒顶等风险。

4 物探解译成果与勘察成果对比分析

结合已有的现场地质调绘、勘察等资料,综合分析得出天星隧道工程地质纵断面(见图2),从物探解译成果与勘察成果对比分析可知,大地电磁法获取的天星隧道地球物理特征与实际勘察成果吻合度极高,说明大地电磁法在天星隧道中运用可行,且测试成果可信度较高。

图2 天星隧道工程地质纵断面

1)隧道穿越天星向斜核部位置:物探解译该段电阻以低阻为主,呈“漏斗”状;钻探揭露向斜核部岩性主要为二叠系下统栖霞茅口组灰岩,地下溶洞呈串珠状发育,地表、地下岩溶强～极强发育,是该隧道施工中涌水和突水、突泥的最大风险点,成果较为一致。

2)隧道穿越天星背斜核部位置:物探解译该段岩体较为完整,地下岩溶发育相对较弱;钻探揭露背斜核部位置岩性主要为二叠系下统栖霞茅口组灰岩、志留系砂岩、页岩和白云质灰岩等,洞身段主要以志留系砂岩夹页岩和灰岩透镜体等为主,溶蚀现象不明显,成果较为一致。

3)隧道穿越赵家山向斜核部位置:物探解译该段电阻以低阻为主,整体岩体完整性较好,岩质较软,围岩稳定性一般,地下水一般,地下岩溶弱发育;钻探揭露赵家山向斜核部位置岩性为三叠系下统飞仙关组钙质泥岩,岩质较软,裂隙较发育,岩体完整性一般,未见明显溶蚀现象,成果较为一致。

4)隧道穿越李家山背斜核部位置:物探解译该段电阻以高阻为主,隧道洞身段地下岩溶发育相对较弱,岩体完整性较好,围岩稳定性一般,地下水一般;钻探揭露李家山背斜核部位置岩性主要为二叠系下统茅口组灰岩为主,裂隙稍发育,岩体较完整,溶隙现象不明显,岩溶弱发育,成果较为一致。

5 结论

通过大地电磁法对天星隧道天然场地球物理特征解译成果分析,推测隧道洞身地层界线、围岩强度、岩溶、富水带、构造行迹等工程地质条件及不良地质问题,为后续施工提供可靠的科学依据[6]。

1)大地电磁法用于天星隧道的地质勘察可行,且物探成果与勘察成果吻合度较高,大地电磁法测试成果具有较高可信度。

2)通过大地电磁法对隧道围岩工程地质条件分段分析评价,推测不同区段围岩条件和存在的工程地质问题,为应对隧道洞身不良地质分布的点、面、线提前进行风险评估,为制订防治措施提供科学依据,有效指导现场施工。

3)隧道穿越天星向斜核部位置(K20+726～K21+036段),隧道围岩主要为二叠系下统可溶岩,电阻率均以低阻率为主,电阻率等值线断面图呈“漏斗”状,推测该段地下岩溶强烈发育,岩体极富水,涌水、突水、突泥等风险性极高,开挖时须高度重视。且该段开挖后可能疏干地表水,须提前考虑应对措施。