某山岭铁路隧道富水段综合勘探

卢春东

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

隧道水文地质勘察一般采用大规模地质调查结合物探、钻探和综合试验等方法。 由于隧址区地质储水构造的多样性、复杂性以及探测手段的局限性，现有的勘探方法存在诸多不足[1-2]。 已有许多学者进行了相关研究:陈德靖[3]认为视电阻率异常一般为岩溶、裂隙、破碎等引起;曹俊秀等[4]将音频大地电磁法应用到隧道围岩分级中，利用电阻率在断层带、岩石破碎带、风化带、接触带及富水带等不良地质体中呈低阻的特征进行围岩分级;张林等[5]认为采用地球物理方法寻找地热有较高的准确度;高鑫[8]以某隧道为例进行音频大地电磁法极化特征分析，发现大地电磁极化特征可以有效揭示隧道工程地质特征和隧道维度特征。以往研究多为单纯的物探手段，无钻探验证;或虽有钻探验证，但未对验证结论进行深层次分析，对梯度变化的解译往往被忽略。

以下结合工程实例，采用地质调查法、高密度电法、音频大地电磁法、钻探验证、综合测井和抽水试验，对某隧道水文地质进行综合勘探。

1 工程概况

某新建隧道进口里程为DK46+285，出口里程为 DK51+060，全长4 775 m，最大埋深为452.27 m。 隧道地貌单元属中低山区，整体地形呈中间高，两侧低，地面高程为1 491.38 ～1 990.53 m，相对高差较大;进口及中部山势陡峭，纵向自然坡度一般为10°～25°，横向自然坡度一般为5°～45°，局部呈陡崖状;出口地势较缓，纵向自然坡度一般为5°～15°，横向自然坡度一般为5°～10°。 山体植被发育，主要为果树及灌木等，植被覆盖率为50%～70%。

1.1 地层岩性

隧址区上覆第四系上更新统坡洪积粗圆砾土、粗角砾土，下伏侏罗系上统喷出岩、燕山早期花岗岩、二长花岗岩等。

1.2 地质构造

区域地质资料和区域地质调查显示，隧址区位于燕山-太行山裂陷槽西侧，侵入构造发育。 地质调查未发现断层构造。

(1)侵入构造

隧道进、出口燕山早期侵入及火山喷发构造发育，岩性上主要为燕山早期花岗岩、二长花岗岩以及侏罗系上统喷出岩，侵入带岩体极破碎-破碎，呈碎块状。

(2)结构面

采用地质调查法，查明了隧址区喷出岩层理、侵入岩节理等构造面。 隧道穿越的岩体节理裂隙较发育，一般为密闭-张开节理，泥质或钙质填充，主要发育3～4 组节理，岩体一般较完整-较破碎;局部处于节理密集带，岩体破碎。

2 隧道综合勘探

2.1 地质调查法

地质调查法是隧道勘察过程中应用比较普遍的方法，可得出隧道经过区域的地层岩性、构造，以及泉点、地表水等水文要素，以便有针对性地布置物探测线和勘探孔。 地质调查是隧道综合勘探的基础性工作。

2.2 高密度电法

基本原理:当从地表供电，电流流经不同的岩层和地质构造时，在地表观测到的电流场将会发生变化，从而获得各地层的视电阻率。

高密度电法的优势:相较于常规的视电阻率法，高密度电法独有的组合装置形式具有多样化的特点，可以大量采集信息，所得信息更精准。 另外，采用该方法采集信息极为迅速，所测结果也较为直观[9-10]。 高密度电法一般用于埋深小于200 m 的隧道段落。

2.3 音频大地电磁法

音频大地电磁测深法是一种研究地球电性结构的地球物理方法[11-12]，其主要手段是利用自然界客观存在的天然交变电磁场信号作为激发场源，计算公式为

式中:Z 定义为波阻抗/Hz，ρ 是视电阻率/Ω·m，E 是电场强度/(mV/km)，H 是磁场强度/nT，φE是电场相位/mrad，φH是磁场相位/mrad。 需要说明的是，此时的E 与H，应理解为天然电磁场与感应电磁场叠加的综合场。 由电磁学理论，有

将δ 定义为趋肤深度，由式(4)可知，趋肤深度(δ)与视电阻率(ρ)和频率(f)具有相关性。 一般来说，频率较高的数据反映浅部的电性特征，频率较低的数据反映深部的电性特征。

大地电磁测深法具有不受低阻屏蔽、勘探深度大、横向分辨率高、对低阻体和低阻层反应灵敏等独特技术优势，一般用于隧道埋深200～600 m 的段落[13-16]。

2.4 钻探验证

在物探确定的隧道富水段落，布置钻孔进行验证，以消除物探多解性。

2.5 综合测井及抽水试验

钻探完成后，应进行综合测井，确定不同深度的岩石完整程度、地下水发育情况等;同时还应进行抽水试验，评价岩体的富水程度。

3 物探数据采集及分析

3.1 高密度电法探测

(1)视电阻率剖面

在隧道进出口段落内采用高密度电法进行探测。共布设2 条测线，进口测线长200 m，出口测线长900 m。 数据采集使用WDA-1 温纳装置，电极距为10 m。 高密度电法数据采集结果见图1、图2。

图1 隧道进口段视电阻率(单位：Ω·m)

图2 隧道出口段视电阻率(单位：Ω·m)

(2)地质解译

①物探地质解译确定隧道进口富水段(如图1)

DK46+000 ～DK46+500 里程段落内，第一层视电阻率在50～500 Ω·m 之间，视电阻率变化范围较大，推断为第四系洪积层粉质黏土和粗角砾土，厚度范围10～25 m。 下伏为强风化二长花岗岩，岩体破碎。

DK46+600～DK46+720 里程段落内表层覆盖主要为强风化二长花岗岩，破碎。

DK46+268～DK46+410 段隧道进口段岩性为粉质黏土和粗角砾土，视电阻率值在50 ～500 Ω·m 之间，岩体破碎，中等富水，易发生涌水、塌方等地质灾害。

DK46+410～DK46+430 段隧道洞身附近岩性为二长花岗岩，视电阻率值在500 ～1 400 Ω·m 之间，强风化基岩，岩体破碎，弱富水。

DK46+430～DK46+720 段隧道洞身附近岩性为二长花岗岩，视电阻率值在1 400 ～3 000 Ω·m 之间，弱风化基岩，较完整，弱-中等富水。

我说，我那二亩地的玉米咋办，没了地，可怎么生活呢。小伙子说，你那二亩地一年也就收入一千块钱吧，那三万块钱，顶得上你种三十年。再说了，光利息就抵得上你那二亩地了，你还白赚三万块。你说，你是不是得了便宜？再说，成了市民，就是城里人了，城里的钱多的是，只要弯一弯腰就能捡到钱。弯腰你会不会？小伙子把我给说乐了，我知道小伙子刚分配工作就赶上了拆迁这种硬任务。看到小伙子，我就想起了我的孙子小本，心一下子软了。说实话，谁愿意拆迁呢，故土难离呀，庄户人就是舍不得那两间平房，那二亩薄地。

②物探地质解译确定隧道出口富水段(如图2)

DK49+450～DK50+335 里程段落内第一层视电阻率在50～400 Ω·m 之间，视电阻率变化范围较大，推断为全风化粗面岩，破碎。

DK49+335～DK50+600 里程段落内第一层视电阻率在50～400 Ω·m 之间，视电阻率变化范围较大，推断为全风化二长花岗岩。

DK49+450～DK50+335 里程段落内第二层视电阻率在400～600 Ω·m 之间，视电阻率较低，推断为强风化粗面岩，破碎;DK49+335～DK50+600 里程段落内第二层视电阻率在400～600 Ω·m 之间，视电阻率较低，推断为强风化二长花岗岩。

DK49+600～DK49+848 段隧道洞身附近岩性为粗面岩，视电阻率值在600 ～1 000 Ω·m 之间，弱风化基岩，岩体较完整，弱富水。

DK49+848～DK50+265 段隧道洞身附近岩性为粗面岩，视电阻率值在400 ～600 Ω·m 之间，强风化基岩，岩体破碎，富水，易涌水、塌方。

DK50+265～DK50+335 段隧道洞身附近岩性为粗面岩，视电阻率值在300～600 Ω·m 之间，节理裂隙发育，岩体破碎，富水，易涌水、塌方。

DK50+335～DK50+476 段隧道出口附近岩性为花岗岩，视电阻率值在400 ～1 000 Ω·m 之间，强风化基岩，岩体破碎，强富水，易涌水、塌方。

3.2 音频大地电磁法探测

采集成果见图3(图片中纵向为里程标)。

(2)地质解译

第一层视电阻率值在10～600 Ω·m 之间，视电阻率变化范围较大，其主要岩性为强风化二长花岗岩和粗面岩，岩体破碎，厚度为15～50 m。

DK46+450～DK46+598 段隧道洞身附近岩性为弱风化花岗岩，视电阻率值在1 000 ～6 000 Ω·m 之间，岩体较完整，弱富水。

DK46+598～DK46+912 段隧道洞身附近岩性为弱风化花岗岩，视电阻率值在1 000 ～3 000 Ω·m 之间，弱风化基岩，岩体较破碎，中等富水，易涌水、塌方。弱风化基岩，岩体较完整，弱富水，施工性质一般。 在岩性接触带DK47+155 附近，节理较发育，岩体破碎，中等富水，易涌水、塌方。

DK47+500～DK47+700 段隧道洞身附近节理裂隙发育，视电阻率值在1 000 ～2 000 Ω·m 之间，岩体较破碎，中等富水，易涌水、塌方。

DK47+700～DK47+843 段隧道洞身附近为为粗面岩，视电阻率值在800 ～2 000 Ω·m 之间，结合地质资料推断为节理裂隙发育带，破碎，富水，易涌水、塌方。

DK47+843～DK48+234 段隧道洞身附近岩性为弱风化粗面岩，视电阻率值在2 000 ～4 000 Ω·m 之间，弱风化基岩，岩体较完整，弱富水。

DK48+234-DK48+615 段隧道洞身附近节理裂隙发育，视电阻率值在200 ～2 000 Ω·m 之间，岩体较破碎，中等富水，易涌水、塌方。

DK48+615～DK48+860 段隧道洞身附近岩性为弱风化粗面岩，视电阻率值在2 000 ～4 000 Ω·m 之间，弱风化基岩，岩体较完整，弱富水。

DK48+860～DK48+990 段隧道洞身附近节理裂隙发育，视电阻率值在500 ～2 000 Ω·m 之间，岩体较破碎，中等富水，易涌水、塌方。

DK48+990～DK49+230 段隧道洞身附近岩性为弱风化粗面岩，视电阻率值在2 000 ～4 000 Ω·m 之间，弱风化基岩，岩体较完整，弱富水。

DK49+230～DK49+500 段隧道洞身附近节理裂隙发育，视电阻率值在200 ～2 000 Ω·m 之间，岩体较破碎，中等富水，易涌水、塌方。

DK49+500～DK49+600 段隧道洞身附近岩性为弱风化粗面岩，视电阻率值在2 000 ～4 000 Ω·m 之间，弱风化基岩，岩体较完整，弱富水。

图3 隧道洞身视电阻率(单位：Ω·m)

DK46+912～DK47+155 段隧道洞身附近岩性为弱风化花岗岩，视电阻率值在2 000 ～4 000 Ω·m 之间，弱风化基岩，岩体较完整，弱富水。

DK47+155～DK47+500 段隧道洞身附近岩性为弱风化粗面岩，视电阻率值在2 000 ～4 000 Ω·m 之间，

(3)物探地质解译确定隧道富水段

DK47+500 ～DK47+700、DK47+700 ～DK47+843、DK48+234 ～DK48+615、DK48+860 ～DK48+990、DK49+230～DK49+500 段隧道洞身附近视电阻率值相对较低，岩体破碎，富水，设计与施工时应注意防止涌水、塌方等地质灾害的发生。

3.3 地质钻孔验证

(1)根据高密度电法成果，推断DK49+450 ～DK50+335 里程段落内为强风化粗面岩，破碎。 在DK49+545 布置1 个钻孔，钻探揭露围岩为花岗岩，岩质坚硬，岩体较完整，含铁质。 钻探揭露显示，物探解译与实际地质不符(见图4)。

图4 钻探岩芯

(2)根据音频大地电磁法物探成果，DK49+230 ～DK49+500 段隧道洞身位于视电阻率值低阻异常带和梯度变化段，物探推断该处岩体破碎且富水。 在DK49+400 处布置1 个地质勘探孔，钻探揭露显示30～40 m 为花岗岩强风化，岩体破碎呈碎块状。 综合测井结果显示为低阻，声速均值为3 086 m/s，孔径基本正常，推断该段岩体较破碎，裂隙较发育。 抽水试验也显示该处地下水较丰富，每天单井涌水量为128 m3。综上所述，钻探揭露的围岩情况和地下水情况与物探解译结果相吻合(见图5 和图6)。

图5 30～35 m 岩芯样品

图6 35～40 m 岩芯样品

4 结论及建议

(1)在隧道进口段，高密度电法探测的低阻异常带，钻探结果显示为花岗岩侵入，由于铁质含量高，表现为低阻异常，且岩体较完整，弱富水。 隧道出口段，钻探结果显示的低阻异常带内为花岗岩差异风化带，岩体破碎、富水，也表现为低阻异常。 因此，高密度探测的低阻异常不能与富水段直接对应，需要详细分析地层差异，尤其注意地层含铁时也会造成低阻异常这一特殊情况。

(2)音频大地电磁法一般适用于洞身埋深较大段落的探测，由于采样间距较大，分辨率低于高密度电法，若其等值曲线表现为向下凹时，则可能为岩体破碎的富水段，此视电阻率特性往往在解译时容易被忽视。

(3)隧道勘察前要做好策划工作，应根据不同埋深选择不同物探方法，以提高探测分辨率。 数据解译时，应结合区域地质及相关经验，并辅以必要的钻探验证。