工程物探在隧道勘查中的应用

宋 安

（广东省核工业地质局二九三大队，广东广州510800）

1 目的任务

勘察的目的是通过物探方法，初步查明所勘测区第四系地层大致厚度，基岩顶界面（强风化岩、中风化岩）的大致埋深，初步查明勘察范围内的异常情况，如地层突变、不良工程地质层、不良地质构造、软弱地层等。具体任务为：

（1）在收集、分析、整理已有地质资料的基础上，通过工程物探和现场工程地质调查、测绘，查明隧道区工程地质条件和水文地质条件，对隧道进行分段工程地质说明，确定各隧道分段围岩类别和主要物理力学参数。

（2）查明隧道所处部位地质构造、断层的产状、性质、类型、宽度和影响范围，对隧道的可穿越性及应采取的主要施工措施进行评价。

（3）综合分析评价隧道围岩和洞口边坡的稳定性，提出处理措施及施工方案的相关建议。

2 自然地理概况

项目区域处于粤西隆起带，北部高南部低，中间高，东西两端低。以中低山和丘陵地形为主，地表水系发育，地形复杂，路线经过处海拔标高介于15～945m之间。经河流的长期侵蚀，西段形成盆地和低矮丘陵，西中部的石灰岩均被第四系覆盖。路线走廊带内地形地貌条件较复杂，按地貌成因和形态特征，路线走廊带可划分为低山丘陵地貌、丘陵山区和丘间谷地、微丘岗岭、河谷平原等4个地貌单元。

3 区域地质概况

3.1 地质构造

测区大地构造位置属于粤中坳褶束，经历了加里东构造运动旋回，火山岩及次火山岩，印支构造运动旋回花岗闪长岩，燕山构造运动旋回花岗岩，及喜山构造运动旋回花岗斑岩。恩苍大断裂，为测区主要区域性大断裂横贯测区中部，从阳江县那墟西邻入境，往北北—东经那龙墟至恩平城，其北为冲洪积掩盖，长90km，其性质为复活大断裂西侧上盘∈bca，产状120°∠85°，东侧下盘则由D2砂页岩和石英岩组成，产状310°∠30°。根据野外调查，路线范围内未见其露头，建议下阶段结合钻探进行查验其是否穿过路线区。

3.2 区域地层

项目区主要通过段地层有：主要分布于A9K36+597.948～A9K43+220，其主要岩性有燕山期细粒花岗岩、细粒黑云母花岗岩、细粒钠长石化花岗岩及不等粒中细粒黑云母花岗岩等灰白色、灰色、肉红色不等粒细粒花岗岩及中细粒黑云母花岗岩,燕山期花岗闪长岩。

3.3 水文地质

（1）松散岩类孔隙水。第四系含水层直接裸露地表，主要分布于坡残积层。山间沟谷冲积区含水岩组主要为砂卵砾石层，透水性相对较强，与地表水关系密切，主要受大气降水补给，地下水位受季节影响明显；同时还有少量的基岩裂隙水补给，含粘性土碎石分布于山麓部，由于其厚度较薄，相对富水性较差，主要接受大气降水补给，同时还有少量的基岩裂隙水补给，总体上水量较小，因其含水层透水性极差，基本为滞水带，地下水以垂直运动为主，蒸发是其主要的排泄方式。

根据区域水文地质资料表明地下水对砼无侵蚀性，对钢结构具中等侵蚀性。

（2）基岩裂隙水。基岩裂隙水由大气降水直接沿构造裂隙和风化裂隙渗透补给，降雨是其主要补给来源，勘察区主要岩性为粗粒花岗岩，其节理裂隙较发育，基岩裂隙和风化裂隙带在接受大气降水后，多变为地下径流，潜入基岩裂隙中。

4 野外地球物理条件

为做好物探工作，应对施测对象的性质、特征了解清楚，以采取合适的方法、参数。同时在解释时采取合适的方法，以提高解释精度。

4.1 第四系松散堆积物

第四系松主要为松散层，组成部分为残、坡积含碎石粉质粘土；整层纵波波速Vp一般为480～870m/s，视电阻率约为50～250Ω·m。

4.2 下伏基岩层

粗粒花岗岩为下伏基岩层的主要岩体，由全、强、中、微风化层组成。其中，上部表层呈土状，为全风化层，主要为花岗岩风化而成，大部呈坚硬状，纵波波速870～1150m/s，视电阻率值一般在300～500Ω·m。强风化岩呈半岩半土状，遇水易软化，裂隙极发育，完整性极差，纵波波速1350～1860m/s，视电阻率值一般在400～800Ω·m。中风化岩，岩质较硬，裂隙较发育，完整性稍好，纵波波速一般1800～3000m/s，视电阻率值一般在800～1500Ω·m。微风化岩，岩质坚硬，裂隙不发育，完整性好，纵波波速2500～4600m/s，视电阻率值一般不小于1300Ω·m。

场区各个岩土层之间波阻抗存在显著差异，地层主要为层状产出，波阻抗界面和地质界面相吻合，波阻抗的变化基本反映地层和地质体的变化。工区位于野外，无其他较强的震动干扰。具备了地震反射波方法工作条件。

根据以上岩土层之间的物理性质及采集样品的室内试验，勘查区岩土层存在明显的电性差异，且工区内无电磁场干扰，适合开展高密度电法工作。

综上所述，在场区内分布的覆盖层和基岩之间和在岩溶发育区域、断层构造发育区域、破碎带等不良地质体发育区域和围岩之间都存在较明显的波阻抗及电性差异，为开展地震反射波法及高密度电法提供的前提条件。

通过室内试验及物理性质分析，第四系覆盖层与下伏基岩的全风化岩层大体一致，从物探解释角度上可以将其统一归类为第四系土层中。

中、微风化岩层之间层位的变化不明显，结合本次目的任务主要为了解中风化岩层顶面纵波波速，故将中、微风化2层归为统一层位解释。

5 工程物探方法选择

本段物探勘察的对象为隧道，主要是探明第四系土层、各风化层埋深，为设计提供岩土层地球物理参数，初步查明构造等不良地质现象，因此，本次采用浅层地震反射波法及高密度电法进行勘察，以了解岩土层地球物理参数，评价其稳定性，查明构造等不良地质现象。

6 野外工作方法及数据处理

6.1 地震反射波法

浅层地震勘察使用参数要通过现场试验确定，一般为：采用12道，3次覆盖，叩板法锤击震源，道间距：3m，偏移距：12m，炮点距6m，记录长度：512ms，采样率：125μs。

野外数据采集注意以下事项：

首先用RTK测量设备确定控制点，并由GPS配合地质罗盘来控制测线方向，在数据采集前；对仪器及各种辅助设备进行检查；现场采集数据时，保证采集的波形是否满足要求，并做好野外记录表；当现场采集数据时出现异常情况应及时处理。并做好相关记录。

地震反射波法数据处理解释遵循如下原则：

（1）同一连续完整的岩层的地震波形相似，周期相同，同相轴光滑，连续性强，总体上反映岩层的起伏变化。

（2）在构造破碎带或岩溶发育部位，由于地震波受到散射、绕射作用的影响，波形零乱、畸变、不连续。

根据以上原则，首先在地震勘探时间剖面上进行层位判读，选定层位，读取各拐点时间，然后根据下式计算各层及目标地质体埋深：

Hj=V1·T1/2+V2·（T2-T1）/2+…+Vj·（Tj+Tj-1）/2

式中：Hj——第j层底面埋深；

Vj——波在j层内的传播速度；

Tj——波在j层内的传播时间。

6.2 高密度电法

高密度电法野外工作参数：电极数60个，电极距为5m，采用改进型的温纳—施伦贝尔装置。

野外数据采集注意以下事项：

（1）利用孔位及皮尺布设电极，电极位置误差不大于±20cm。

（2）保证电极接地良好，数据采集前，检测每个电极的接地电阻，必要时向电极处灌注盐水，以保证接地电阻不大于50kΩ·m。

（3）现场数据采集时做好相应的记录。

（4）当现场采集数据时出现异常情况应及时处理。并做好相关记录。

数据处理及时将仪器内的测量数据通过传输软件传输到计算机中，运用RES2DINV高密度电法反演软件进行坏点删除、地形校正、格式转换及反演计算等步骤，绘制出电阻率色谱图,依据等值线图上的视电阻率值的变化特征结合地质调查资料做出地质解释。

7 成果分析

通过对数据的分析，并结合地质资料，勘查区可分为3大层，从上到下第一层推断为第四系覆盖层，其纵波波速为600～1200m/s；第二层推断解释为强风化粗粒花岗岩，其纵波波速为1350～1840m/s；第三层为粗粒花岗岩，推断为中、微风化岩层，其纵波波速大于2000m/s，然后根据各层的计算深度，绘制物探解释断面图（如图1～图3所示）。

7.1 第四系土层和全风化层

图1 浅层地震反射时间剖面图（一半里程）

图2 高密度电法视电阻率成像图（一半里程）

第四系松散覆盖层主要为坡残积粉质粘土、全风化层，大部呈硬塑或坚硬状，层厚不均，主要分布在进、出洞口端及洞身沟谷地带，厚度为0.0～12.32m，Vp=670～850m/s，视电阻率值在200～500Ω·m，整层稳定性差。

7.2 下伏基岩

下伏基岩主要为粗粒花岗岩，根据其风化程度可分为全、强、中、微风化层。

全风化层大部呈土状，大部呈坚硬状，划入第四系松散覆盖层中，纵波波速870～1080m/s；

强风化岩呈半岩半土状，遇水易软化，裂隙极发育，完整性极差，层厚不均，全场均有分布，厚度为0.20～12.67m，纵波波速1350～1840m/s，视电阻率值在500～800Ω·m；

中风化岩，裂隙发育，片理发育，岩石破碎，稳定性较 差 。 Vp=2280～3180m/s，视 电 阻 率 值 在 800～1500Ω·m；

图3 物探解释纵断面图（一半里程）

微风化岩裂隙稍发育，岩石整性较好，稳定性较好，岩质硬，纵波速度Vp=3100～4350m/s，视电阻率值在1500～4000Ω·m。

从物探勘察结果看，物探勘察范围内工程地质、水文地质条件相对较简单；勘察区无明显构造破碎带等不良地质现象，适合隧道工程建设。

隧址区A6K29+080～A6K29+300及A6K29+900～A6K30+000段为物探异常，岩石较破碎、裂隙发育，地下水极为发育，对施工安全有一定影响。建议在上述段内布置钻孔验证，通过观察地下水水位、地下水相关测试、声波和温度测井等手段，进一步了解隧道内地下水水位、涌水量、围岩的完整性、井温变化等相关参数。建议在施工过程中要进行地质超前预报工作，以确保施工开挖安全。

参考文献：

[1] 李大心.地球物理方法综合应用于解释[M].武汉：中国地质大学出版社,2003：221-226.

[2] 孙家振,李兰斌.地震地质综合解释教程[M].武汉：中国地质大学出版社，2002：5-6,21-25,42-45.