物探技术在隧洞工程勘察的应用

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摘要:传统钻孔手段在灰岩地区隧洞工程的勘察工作中存在搬家难度大，效果一般，经济成本高等问题，因此考虑采用物探这种便捷、经济的方法在类似工程中作为主要的勘察手段。以实际工程为例，根据物探并结合钻探成果验证了物探成果方法在灰岩地区隧洞工程的勘察工作中确实具有可行性。

关键词:高密度电法；大地电磁法；隧洞；溶洞；物探；钻探；勘察

1物探技术原理

工程物探利用不同岩层介质在密度、弹性、导电性、磁性、放射性及导热性等方面存在差异，对岩土层进行探测分类。具体的方法种类很多，根据现场实际情况选择应用广泛的高密度电法和大地电磁法（EH4）。高密度电法是一种以研究地下介质体的电阻率差异为地球物理基础，集电剖面法和电测深法为一体，采用高密度布点，进行二维地电断面测量的一种地学层析成像（Geotomography，简称GT）技术。观测过程中，主机通过一对供电极对大地供电，利用一对观测电极沿剖面逐层、逐点对电位、电流等地电参数进行测量，由高密度电法仪器自动记录，并计算各测点的视电阻率值。借助计算机对蕴含有各种地质体信息的视电阻率剖面进行数据处理、解释及成图，得出剖面地下电性层的空间分布特征，通过结合有关资料进行综合分析视电阻率剖面的异常情况，推测解释勘探测线位置地层是否存在不良地质体（构造破碎带、空洞、软弱夹层等）。大地电磁法（EH4）又称电磁成像系统，是由美国EMI公司和Geometrics公司联合研制的一种大地电磁测量系统，实现了天然信号源与人工信号源的采集和处理。其方法原理与传统的大地电磁法一样，深部信息通过天然背景场源成像，其频率为10Hz～100kHz；而浅部构造除了天然背景场源，通过一个新型的便携式低功率发射器发射1kHz～100kHz人工电磁信号，以补偿高频天然信号的不足，从而提高了所采集数据的可靠性和分辨率。由电磁场理论可知，假设大地是水平介质，当天然电磁场信号垂直入射到大地介质中时，大地介质中将会产生感应电磁场，则在地面上可观测到相互正交的电场分量和磁场分量，通过计算可确定介质的卡尼亚电阻率值。

2工程背景

本工程为输水管道隧洞工程，隧洞全长0.974km。工程所在地地形崎岖陡峭，地质复杂多变，且大部分隧洞段位于灰岩区域，岩溶发育强烈。隧洞开挖范围内溶洞、土洞发育情况对施工影响巨大，必须查明隧洞开挖范围内的溶洞发育情况，然而传统钻孔作业难度大，人力成本高，且效果难以保证。拟建输水隧洞沿线出露的地表水主要为基岩渗水和隧洞进、出洞口处溪水。必须查明隧洞范围内是否存在地下暗河，否则施工将面临非常大安全隐患。在地形地质复杂的闽西北地区，隧洞工程的勘察异常困难，物探因其时效性、便捷性、无损等优势，能够较准确探明地下不良地质情况，再加以合理的钻探施工验证一定能达到事半功倍的效果。因此，本工程先进行物探工作，再结合物探资料在部分可能发育溶洞的区域进行钻探加以验证[1]，进而为设计提供依据。

3物探工作布置

根据隧洞埋深及现场各种干扰条件决定采用大地电磁法（EH4）、高密度电法查明隧道洞身位置是否存在构造断层、岩溶发育等不良地质体。大地电磁法（1000m）：选择顺侧线方向作为X轴，然后垂直X轴方向为Y轴，沿X、Y方向布置两组相互垂直的磁探头和电极组，采用“十”字形方式布极。本次工作采用测点点距20m，电极距20m。高密度电法（860m）：根据勘察工作的要求，本次工作电法测量仪器使用的是重庆奔腾数控技术研究所的WGMD-3高密度电阻率测量系统。本次工作采用温纳装置，工作参数为每个排列电极60个，电极距10m，排列长度600m。

4物探与钻探成果对比分析

4.1物探成果。大地电磁法成果所示，里程K0+450、K0+640、K0+770、K0+900、K1+020处等值线横向不连续，存在较明显的低阻异常带，异常形态近乎“挂面条”形状。高密度电法成果所示，视电阻率剖面整体表现为北部视电阻率值较低，南部视电阻率值较高。区内发现多处闭合的低阻异常体。综合大地电磁法及高密度电法分析，根据物探反演图（见图1），隧洞洞身物探成果：里程K0+470处推测存在一条构造破碎带F-1；里程K0+620～K0+720段推测存在岩溶发育，异常规模较大，向进洞口方向深部延伸；里程K0+780～K0+860段推测存在岩溶发育或裂隙发育。此外，在低阻地段须查明是否有地下暗河的存在。具体情况应结合地质及钻孔资料分析，建议在K0+480、K0+650、K0+810三处布设钻孔，进一步验证物探异常。4.2钻探成果。本次勘察在工程地质测绘和物探的基础上进行，在输水隧洞进口、出口、洞身共布置勘探点17个（编号SK1～SK17）。其中，控制性钻孔8个，一般性钻孔9个（取土式样钻孔15个，原位测试孔14个）。隧洞洞身按50～150m间距布设钻孔，隧洞洞口及横断面按20m左右间距布置钻孔。其中SK8（里程K0+660）、SK9（里程K0+700）、SK10（里程K0+800）为异常区验证孔。工程地质剖面图如图2。图2工程地质剖面图布置在物探反演异常区的三个验证孔（SK8、SK9、SK10）均发现大小不一的土洞，充填物为软塑～可塑的粉质黏土，与物探反演成果圈定异常较为接近，深度范围上略有偏差。土洞发育情况如下：①SK8号钻孔，80.90～90.10m为充填软塑含角砾粉质黏土；②SK9号钻孔，78.80～89.30m为充填软塑含角砾粉质黏土；③SK10号钻孔，89.90～102.30m为充填软塑～可塑含角砾粉质黏土。在K0+660段隧洞位于土洞范围内，需进行有效的洞顶模板支撑；K0+700段隧洞位于土洞下方，之间间隔约6m的中微风化灰岩，可只需进行喷浆处理；K0+800位于土洞范围内，须上下均用模板进行支撑才能成洞。此外在物探的低阻地带进行的钻孔并未发现有地下暗河的发育。现场隧洞开挖已进场约500m，根据现场实际施工情况，在隧洞里程K0+580处发现一个长度约30m、直径约3m的土洞，有滴水现象，填充物为可塑粉质黏土。在里程K0+620～K0+700处遇到零星溶洞、土洞填充物为流塑～软素粉质黏土，有小面积水洞。揭露少量积水裂隙，尚未发现地下暗河。4.3对比分析。本工程根据工程情况、灰岩地质特点选择大地电磁法进行探测，反演后发现存在多个异常区，甚至在砂岩段亦存在溶洞异常反应，现场物探人员对周围干扰进行梳理后判定是隧洞顶端高压线对结果造成了干扰[3]。因此，又增加了高密度电法进行探测，结合两种方法进行判定，排除干扰，划定可能存在溶洞发育异常区，为钻探钻孔布置提供了依据，钻探也佐证了本次物探工作较为准确，为工程设计提供可靠依据。

5结论

讨论了物探法原理及适用范围，在此基础上，结合工程案例，验证了物探法的可靠性和先进性，主要结果如下：（1）在较大型溶洞、土洞发育地段，物探资料对土洞、溶洞较为准确，SK8号钻孔揭露的土洞在物探异常范围内，但高程存在一定偏差，SK10溶洞范围较物探异常区域范围明显较小。（2）现场具有高压线等电信号干扰时，电法受到较为明显的干扰，须进行识别，否则易出现判定错误。（3）灰岩与砂岩具有明显的电阻差异，可以根据电阻值进行定性的岩性划分，对设计施工具有一定指导作用，灰岩范围内的低阻是因为发育东溶洞填充物含较多水分。若场地的灰岩无填充物，则灰岩会呈现高阻。砂岩呈现低阻状态，这个应该在物探工作之前进行一个测试。（4）卡斯特地区勘察工作难度大，成本高，结合物探进行指导勘察、设计是一个重要的方向。

参考文献

[1]岩土工程勘察规范：GB50021—2001（2009年版）[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[2]公路工程物探规程：JTG/TC22—2009[S].北京:人民交通出版社,2009.

[3]顾宝和,曲永新,彭涛.劣质岩（问题岩）的类型及其工程特性[J].工程勘察,2006(1):1-7.

作者:周先强 单位:福建省华厦能源设计研究院有限公司