高密度电法勘探在国道317岗托至江达段矮拉山隧道的应用

马 浩, 邱晓东

(1.四川省兴冶岩土工程检测有限责任公司， 四川成都 610084; 2.四川吉元岩土工程勘察有限公司， 四川成都 610100)

国道317线东起四川成都，向西途经甘孜，跨金沙江后进入西藏江达县，经昌都，止于那曲，全长约1 973 km，是西藏自治区“三纵两横六个通道”主骨架公路和进出西藏5条干线公路的组成部分，也是昌都地区的生命线和重要的国防干线。国道317线岗托至江达段矮拉山隧道位于西藏东部横断山区，行政上属昌都地区江达县境。项目起点位于江达县岗托镇，终点位于江达县同普乡。预可研阶段选取如下方案进行设计：该方案起于国道317线K1002+320，通过隧道形式穿越矮拉山，终于国道317线K1026+193，路线全长5.623 km。鉴于需要对隧道建设场地的地质条件进行整体、综合的把握，查清隧道围岩构造发育情况；圈定隐伏断层、构造破碎带；查明基岩埋深以及断裂带的含水情况等, 对国道317矮拉山隧道新建工程进行高密度电法勘探,本文主要介绍了该方法的使用步骤及效果分析。

1 区域地质概况

1.1 区域地质构造

隧址区属于青藏高原中高山剥蚀地貌，海拔高程3900.00～4635.02 m，隧道轴线最大相对高差735.02 m。山脊走向北西西-南东东向，与隧道轴线方向60～70°相交。A线隧道进口位于国道317线矮拉山17道班处斜坡上，斜坡坡度较缓，坡角为4～22°，出口位于十九道班附近国道317线公路一“圈椅”型地形处，地形坡角为17～23°；B线隧道进口距国道317线矮拉山17道班约350 m处的斜坡上，斜坡坡度较缓，坡角为18～25°，出口位于埃曲河右岸的斜坡上，斜坡坡度较缓，坡角为13°。在隧道出口处发育有埃曲河,河沟宽约70 m,切割深度约20 m。在隧道进口右侧，发育有一条常年流水的常曲河,沟宽约80 m,切割深度约30 m。

隧址区发育的地层和岩性主要为：第四系坡积碎石类土和亚砂土，及三迭系中基性火山沉积岩(火山角砾岩、熔结凝灰岩)和灰岩、页岩、泥灰岩、泥灰质粉砂岩；岩浆岩为印志期凝灰质玄武岩。隧道进口处表层为坡积的碎石类土，下部主要为中基性火山角砾岩和熔结凝灰岩；出口处表层为碎石类土夹含角砾亚砂土，下部为页岩、泥灰岩、泥灰质粉砂岩。

1.2 地球物理特征

勘区表层第四系堆积物覆盖厚度不均。地层岩性受风化、剥蚀作用，浅部基岩可分为强至弱风化的不同物性差异层面，可形成电阻率差异界面。受构造影响，断裂带、裂隙带、破碎带的存在及降水跟地下水的影响，亦可形成岩体的电性差异。根据已知的地质及踏勘结果，本工区满足高密度电法勘探的物理基础。

1.3 地层与岩性分布

隧址区发育的地层主要为：第四系残破积、崩坡积碎石类土，及三叠系中上统江达组基性火山沉积岩火山角砾岩和上统波里拉组灰岩、泥灰岩、凝灰岩、夺盖拉组和阿堵拉组泥灰质粉砂岩，志留系散则组绢云石英片岩。隧道进口处表层为残坡积的碎石类土，下部主要为中基性火山角砾岩和志留系散则组绢云石英片岩；出口处表层为碎石类土夹黏土，下部为泥灰质粉砂岩；洞身东部出露的基岩主要为火山角砾岩、泥灰岩；洞身西部出露的基岩主要为灰岩、凝灰岩、泥灰质粉砂岩。

2 实验仪器及技术方法

2.1 高密度电法工作原理

密度电阻率法是日本地质株式会社提出并发展起来的一种新型的电阻率方法，由于高密度电法可以实现电阻率的快速采集和现场数据的实时处理，从而改变了电法的传统工作模式。它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，提供的数据量大、信息多，并且观测精度高、速度快，是灰岩地区寻找溶洞及构造破碎带等最有效的物探方法之一。

高密度电法勘探的前提条件是地下介质间的导电性差异，和常规电法一样，它通过A、B电极向地下供电(电流为I)，然后测量M、N极电位差△U，从而求得该记录点的视电阻率值ρs=K×△U/I。根据实测的视电阻率剖面进行计算、处理、分析，便可获得地层中的电阻率分布情况，从而解决相应的工程地质问题。

高密度电法勘测常常适用于地下空洞、岩溶地区、冻害、水库大坝等的地质勘测，技术较为成熟，本次勘测室内资料处理时采用RES2DINV自动迭代反演程序，其正演过程采用有限元法，反演采用光滑约束最小平方反演技术，并且在反演过程中约束了已知地层电阻率范围，迭代次数3～5次。

2.2 测试方法与成图

此次野外工作测线布置：电法纵剖面沿隧道轴线在地表投影布置测线，用以探测隧道轴线的地层覆盖状况、可能的断裂不良地质现象及隧道顶板2倍洞径范围内围岩整体性等工程地质情况；在隧道出口处横剖面，利用探测结果对隧道硐身围岩及稳定性进行评价。经勘察单位现场确认，最终确定沿隧道轴线在地表投影布置纵向测线1条，电极距10 m；在隧道出口处布置横向剖面1条, 电极距5 m。

探测成果解释的第一步即电阻率剖面中岩性与电阻率之间关系分析，依据电阻率值的等级划分不同电性层。分析不同电性层与地质层位、构造破碎、裂隙等之间的关系。在上述分析解释的基础上确定不同剖面的不同部位电性变化与地质层位、构造发育、地下水活动用电性剖面图展示最终的工作成果。

资料处理流程如下：录入原始数椐→格式转换→编辑→反演处理→电阻率成图。

3 试探效果分析

野外采集的资料经过处理后绘制成视电阻率拟断面图，地质解释是在视电阻率拟断面图上进行。根据对上述两个工点的视电阻率分析，获得如下结果。

3.1 东绕城路1号隧道

3.1.1 测试参数的选取

3.1.1.1 隧道轴线纵剖面(W-1)

W-1要求严格按照隧道轴线在地表投影线布置，测线两端延伸出隧道轴线最少约10 m，探测深度大于隧道底板埋深，且不小于2倍洞径。

参数设定：电极距10 m，电极个数60个，测线总长590 m，测试点数570个，剖面层数19层。

3.1.1.2 隧道出口横剖面(W-2)

要求尽可能与隧道轴线垂直相交，探测深度不小于隧道底板下2倍洞径范围。

参数设定：电极距5 m，电极个数60个，测线总长295 m，测试点数570个，剖面层数19层。

3.1.2 成果解释

高密度电阻率法资料处理通常是将测得的大量数据传输进入计算机，通过不断调整初始模型参数使正演曲线和实际曲线之差达到最小，由此所得的最终模型参数作为反演结果。本次数据处理专用软件2dRes是以平滑约束最小二乘法(smoothness-constrained least-squares)为基础，以拟牛顿(quasi-Newton)最佳技术为准则的最小二乘法来实现的。经过数据处理后绘制成视电阻率剖面图。

隧道轴线纵剖面(W-1)高密度电法反演成果图参见图1；隧道横剖面(W-2)高密度电法反演成果图参见图2。

图1 东绕城路1号隧道轴线纵剖面(W-1)高密度电法反演成果

图2 东绕城路1号隧道横剖面(W-2)高密度电法反演成果

经对隧道纵剖面(W-1)和隧道横剖面(W-2)高密度电法反演成果图综合分析，视电阻率变化较大，变化范围一般多在1～10 000 Ω·之间，局部大于10 000 Ω·m。

结合地表及钻孔资料，对隧道纵剖面(W-1)高密度电法反演成果图分析统计如下：

(1) 视电阻率在1～90 Ω·m之间的地层：主要为花岗岩风化坡、残积土，土体较松散，富含腐植质；

(2) 视电阻率在90～400 Ω·m之间的地层：主要为残坡积碎石土层、粉砂土层，粉砂土中夹透镜体状碎石土层；

(3) 电阻率在400～600 Ω·m之间的地层：主要为强风化岩石、砂卵石层；

(4) 在600～1 500 Ω·m之间的地层：主要为较完整岩石，构造裂隙发育；

(5) 大于1 500 Ω·m的地层：主要为完整岩石。

3.2 东绕城路2号隧道

3.2.1 测试参数的选取

3.2.1.1 隧道轴线纵剖面(W-3)

W-3要求严格按照隧道轴线在地表投影线布置，测线两端延伸出隧道轴线最少约10 m，探测深度大于隧道底板埋深，且不小于2倍洞径。W-3由两条测线组成。

参数设定：电极距10 m，电极个数120个，测线总长1 190 m，测试点数1 140个，剖面层数19层。

3.2.1.2 隧道入口横剖面(W-4)

要求尽可能与隧道轴线垂直相交，探测深度不小于隧道底板下2倍洞径范围。

参数设定：电极距5 m，电极个数60个，测线总长295 m，测试点数570个，剖面层数19层。

3.2.2 成果解释

隧道轴线纵剖面(W-3)高密度电法反演成果图参见附图3；隧道横剖面(W-4)高密度电法反演成果图参见附图4。

图3 东绕城路2号隧道轴线纵剖面(W-3)高密度电法反演成果

经对隧道纵剖面(W-3)和隧道横剖面(W-4)高密度电法反演成果图综合分析，视电阻率变化较大，变化范围从1～100 000 Ω·m之间，局部大于100 000 Ω·m。视电阻率变化较大与电极的接地条件有一定的关系，由于局部地段为坚硬的微风化灰岩，造成电极接地状态不佳，从而引起视电阻率值过大，造成一定的测量误差。

结合地表及钻孔资料，对隧道纵剖面(W-3)和隧道横剖面(W-4)高密度电法反演成果图分析统计如下：

(1) 视电阻率在1～90 Ω·m之间的地层：主要为灰岩风化残积土，土体较松散，富含腐植质；

(2) 视电阻率在90～400 Ω·m之间的地层：主要为冲洪积碎石土层、粉砂土层，粉砂土中夹透镜体状碎石土层；

(3) 电阻率在400～600 Ω·m之间的地层：主要为强风化岩石、砂卵石层；

(4) 在600～1 500 Ω·m之间的地层：主要为较完整岩石，构造裂隙发育；

(5) 大于1 500 Ω·m的地层：主要为完整岩石。

4 结论和建议

4.1 结论

根椐高密度电法剖面结合钻探资料结果得出以下结论：

(1)隧址区无断层、滑坡、泥石流等不良地质现象，不存在岩溶、煤层和可采矿体等，隧址区区域稳定性较好。

(2)隧道轴线穿越地段围岩区域内，局部地段岩体裂隙发育，较破碎。隧道进出口岩体裂隙发育、破碎，在对隧道进、出洞口实施一定安全防治处理措施后，本隧道适宜修建。

图4 东绕城路2号隧道横剖面(W-4)高密度电法反演成果

4.2 建议

(1)由于隧道硐身段岩体局部裂隙发育，较破碎，围岩自稳性能较差，隧道施工时应尽量减少对围岩的扰动，并做好支护。

(2)隧道硐身段局部岩体破碎，可能会存在发生涌、突水现象，在隧道施工过程中应足够重视。隧道设计施工应考虑季节性丰水期带来的局部地段可能的突涌水危害。在施工过程中应采用相应的超前探治水措施，及时进行预注浆止水。

研究结果表明，采用高密度电法勘探查明隧道围岩构造发育情况，圈定隐伏断层、构造破碎带，基岩埋深以及断裂带的含水情况等，操作性强，效果明显。

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