高频大地电磁法在戴云山隧道围岩分级中的应用

段圣龙

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

0 引言

向莆铁路全线有隧道116座，总长290.08 km，占线路全长的52.4%，其中：6km20 km的特长隧道有3座，合计长70.823 km，工程十分艰巨。有14 km以上长大隧道6座，合计长116 km。这些隧道在勘察、设计、施工、运营阶段均会遇到一系列施工难题，诸如岩溶、涌水、涌泥等不良地质灾害突发事件，均会对隧道施工及运营带来安全隐患，严重威胁施工人员及国家财产安全。因此长大深埋隧道的围岩稳定性评价在隧道设计、施工中起着至关重要的作用，针对该类隧道进行准确地质宏观预测是目前工程界亟待解决的研究课题。目前在隧道勘察设计阶段，长大深埋隧道的围岩质量主要采用地质调查法、钻探测试法、地球物理方法进行定综合性判识[1-2]，地球物理方法(地震折射波勘探法)，通过获取近地表基岩弹性波速度，建立弹性波速度与岩体完整性的关系，从而推断隧道的围岩完整性。但由于地震折射波勘探法基于地下岩石均一分布假设，且很难获得实际洞深处围岩弹性波速度，当地下存在多层地层或地下地层在垂向上变化较大的情况下，该方法不能准确反映隧道洞身附近岩体质量，因此该方法局限适用于岩性单一的浅埋隧道。

近年来高频大地电磁法在深埋隧道勘察中被广泛应用，该方法通过观测1 Hz～100 kHz频带内电磁场信号，计算获得不同深度地下介质电阻率，有效获得地下1 000 m以内地下介质的电性参数，通过分析电阻率等值线的分布形态，可以有效推断地质构造、划分地层岩性、推测岩石节理裂隙发育区及其赋水状态[3-6]。化希瑞等[7-8]通过分析岩体电性参数与完整性相关关系，提出了一种新的表征岩体完整性的参数-岩体完整性系数Kr，通过实际应用验证了利用Kr系数划分隧道围岩级别的有效性，并与地震折射波勘探法进行对比，表明了Kr系数对长大深埋隧道的围岩质量评价的可行性，同时获得了更符合实际的围岩分级效果。

1 向莆铁路深埋隧道概况

戴云山隧道穿越尤溪和永泰两县交界的戴云山山脉，为双洞单线隧道，隧道设计范围：DK422+799～DK438+446，全长为15 647 m。隧道洞身距离地表最大埋深为638 m。

1.1 地形地貌特征

戴云山隧道穿越区地形起伏大、植被茂密、进出口交通不便，该隧道横穿戴云山山脉，隧道穿越区内以构造剥蚀中低山为主，地形切割厉害，沟深谷幽。覆盖植被十分茂盛。

1.2 地层岩性特征

戴云山隧道地形起伏大、穿越地层多，岩性十分复杂，其中沉积岩主要有二叠系下统童子岩组下段和上段(P1t1、P1t3)粉砂岩夹泥岩和煤层，属于煤系地层，上统翠屏山组(P2cp)岩屑石英砂岩、粉砂岩夹薄层粉砂质泥岩，侏罗系上统长林组(J3c)以砂岩、含砾砂岩为主，夹粉砂岩、泥质粉砂岩，南园组第二段(J3n2)和第三段(J3n3)火山岩及火山碎屑岩；变质岩主要为震旦系稻香组上段(Zdx2)变质粉砂岩、千枚岩，局部夹大理岩；洞身局部地段有侵入岩分布，规模较大的主要有早白垩世上坂岩体(K1K)、早白垩世龙塔岩体(K1L)花岗岩，除此之外，还有少量晚侏罗世(潜)流纹斑岩脉(λJ3)零星分布。

1.3 地质构造特征

根据前期区域地质资料，该隧道处于闽东火山断坳带中的福安-平和北东向火山喷发带中段。地质单元从中元古代至今，经多期次的构造变动、岩浆活动及变质作用，形成了北东、北西及南北向为主的基本构造格局。测区内主要断裂构造分布方向为北东、北北东、北西，少数近南北向分布。隧道洞身共穿过17条断裂构造、8处岩性接触带、3条节理密集带、1处背斜，部分断层小角度与隧道斜交，对隧道施工造成较大的影响。

1.4 水文地质条件

戴云山隧道地表水系属于闽江流域。该流域水系纵坡降大，水流湍急，排水通畅。河流量受季节性气候影响明显，旱季河流量小，雨季流量明显增大。地下水类型主要包括岩层间裂隙水、孔隙水、构造裂隙水等，补给来源主要为大气自然降水。地下水补给强度受降水强度、持续时间、汇水面积和地表节理裂隙的发育程度共同控制。由于隧道所处地区高山峻岭，山坡和冲沟坡度均较陡，多处可见岩石出露地表，地表的残坡积层较薄，不利于大气降水的渗入补给。

2 基于电性参数划分深埋隧道围岩级别的理论基础

如图1所示，假设实际岩体是由完整岩石和软弱岩石交错相叠加胶结而成的六面体，其中完整岩石的电阻率为ρr，厚度为Δh1；软弱夹层的电阻率为ρw，厚度为Δh2。

图1 层状岩体模型Fig.1 Layered rock mass model

设六面体岩体的底面积为1 m2，高度为H。垂直岩体层理方向的电阻率设为ρn，沿层理方向的电阻率设为ρt，实测的视电阻率则为岩体的平均电阻率ρmass，ρr为完整水饱和岩样的电阻率，ρw是完整水饱和岩样受压至破坏后的岩石电阻率，计算公式为式(1)[7]。

(1)

由式(1)可以推导出式(2)。

(2)

根据式(2)可以推导出式(3)。

(3)

于是有：

(4)

根据参考文献[8]，计算完整岩石在单位岩体中所占的比例可以用岩体完整性系数Kr来表达：

(5)

由式(4)和(5)可以推导出岩体完整性系数Kr与各电阻率之间的关系式：

(6)

其中:ρmass可以通过电阻率测井或地面电法勘探获取，通过在地表进行高频大地电磁法观测获取；ρr、ρw可以通过室内岩样电阻率测试获取。根据式(6)可知，Kr值越大表示岩体越完整。

在实际隧道工程项目实施中，为了对围岩进行分级，首先针对实测高频大地电磁数据进行预处理(噪声压制、时间序列筛选、有效频率抽取、静态校正、地形校正、数据反演)，得到视电阻率和阻抗相位，然后结合实测地表电阻率或测井电阻率等辅助资料计算相位递推电阻率[9]，相位递推视电阻率ρφ公式为式(7)。

(7)

其中:i=1、2、3、…、n；fi+1

图2 应用高频大地电磁法进行隧道围岩 完整性分级流程图Fig.2 The flow chart of the rockmass classification with high frequency magnetotelluric method

由于岩体完整系系数(Kr)只是评价岩体完整性的单一指标，直接采用其划分隧道围岩级别是不完善的，围岩分级的两个主要指标是围岩强度(坚硬程度)和围岩完整性，围岩的软硬程度还与围岩的种类有关系。岩体完整系系数(Kr)与岩体质量关系如表1所示。

表1 岩体完整性系数(Kr)分级表Tab.1 The parameters of the rockmass integrality

3 实例分析

戴云山隧道DK427+000～DK429+000段地形起伏大，最大埋深约500 m，下伏基岩主要为南园组第二段(J3n2)和第三段(J3n3)火山岩及火山碎屑岩，同时采用高频大地电磁法和浅层地震折射勘探法进行勘察，其中高频大地电磁法点距为25 m，地震折射勘探点距为5 m。采用电测深方法获得浅地表30 m内平均电阻率，供电极距(AB/2)的极距为10 m、14 m、20 m、28 m、40 m、55 m、75 m、100 m，点距为100 m。

图3为戴云山隧道DK427+000～DK429+000段浅地表平均电阻率曲线，将该曲线以25 m间距离散，离散后的电阻率作为相应点位处相位递推电阻率的初值ρφ(fN)，根据公式(7)可以计算得到相位递推电阻率曲线。为了获得完整岩石电阻率，通过深孔收集该隧道洞深附近完整岩样7块，岩样岩性为凝灰熔岩，室内测得完整水饱和岩样的平均电阻率为2 100 Ω·m，完整水饱和岩样受压至破坏后的岩石电阻率约260 Ω·m，以岩样平均电阻率作为完整岩石电阻率，即完整岩石的ρr取2 100 Ω·m，软弱夹层的ρw取260 Ω·m。

图4为戴云山隧道DK427+000～DK429+000段高频大地电磁法相位递推视电阻率断面图，依据电阻率等值线分布趋势推断主要有两处断裂构造。根据图4显示DK427+000～DK429+000段围岩电阻率在300 Ω·m～2 000 Ω·m范围内，结合地震折射勘探资料显示该段围岩弹性波速度在2.5 km/s～4.5 km/s范围内。

图3 戴云山隧道近地表30 m内平均电阻率曲线图Fig.3 Average resistivity carve of 30 meters near- surface along Dai-Yunshan tannel

图4 戴云山隧道高频大地电磁法综合电阻率断面图Fig.4 The profile of high frequency magnetotelluric method at Dai-Yunshan tunnel

根据高频大地电磁法观测结果剖面资料，选取在隧道洞身(图4中的黑线)上下25 m的岩石电阻率值作为平均电阻率 (图4中红框范围，图中“+”表示有效数据点)。最后，根据式(6)计算出岩体完整性系数Kr，按照表1对围岩进行级别划分，划分结果如表2所示。

由表2分析可知，依据地震折射波勘探资料该段在DK427+675～+775、DK427+950～Dk428+075段地震波速小于2.8 km/s，推测为断裂破碎带，实际开挖过程中，DK427+675～+775段无明显断裂构造迹象，但节理裂隙发育，岩体呈较破碎状态，基于高频大地电磁法的Kr系数的分级结果为IV级围岩，与实际情况基本相符。DK427+950～Dk428+075段破碎带宽约120 m，纵波速度分级与Kr分级均为V级，与实际开挖对应良好。DK428+275～+500段实际开挖显示该段围岩局部夹薄层泥质粉砂岩、砂质泥岩。节理裂隙发育，地下水为基岩裂隙水，较富水，弹性波速度围岩分级显示该段整体为II级围岩，与实际情况不符合，表明通过地震折射方法获得的纵波速度为近地表基岩速度，不能反映隧道实际洞深处的围岩完整情况，特别是在隧道深埋大或地下介质具有多层地层的情况下，而高频大地电磁法则获取隧道洞深附近实际电性参数，因此在深埋段高频大地电磁法成果进行围岩分级效果较好。该实例表明，在隧道深埋大或地下介质具有多层地层的情况下，相对于弹性波围岩分级结果，基于高频大地电磁法的Kr系数分级结果与施工围岩级别吻合度较高，更接近于实际情况。

4 结论

综合分析戴云山隧道前期勘探资料和后期开挖资料，对比该隧道岩体电性参数Kr、弹性波速度围岩分级结果与施工围岩分级，可得出如下结论：

1)在隧道深埋段(埋深大于100 m)，电性参数围岩分级要优于弹性波围岩分级结果，主原因在于弹性波速度主要通过地震折射方法获得的近地表基岩面速度，该速度不能等价为实际洞深处的围岩速度，因此埋深越大，误差也可能越大，特别是地下介质具有多层地层情况下，不能反映实际隧道洞身附近岩体质量(如DK428+125-DK428+500段)。而高频大地电磁法可获得与实际电性参数符合较好的隧道洞深标高附近电性参数，因此能较真实地反映宏观岩体完整性。

表2 戴云山隧道大地电磁分级结果与施工围岩级别对比表Tab.2 Comparison of the rockmass classification results with two kinds of approaches

2)计算岩体完整性系数Kr的参数均为实际隧道洞深附近岩体电性参数，该指标尽管是通过一个宏观的间接性公式得到, 虽然不能与岩石强度直接相关, 但能够宏观反映岩体的完整程度, 可作为对隧道围岩分级的辅助方法。

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