CSAMT在岩溶地区隧道勘察中的应用研究

张 鑫

（中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257026）

在岩溶地区修建隧道，通常里程长、埋深大、岩溶和破碎带发育，如何获知隧道洞身附近的地质构造、破碎及富水程度，一直是岩溶发育区隧道勘察的重点和难点。

可控源音频大地电磁法（CSAMT）利用破碎带卡尼亚视电阻率的变化进行判译，具有可靠、高效、直观的特点，且该技术能有效弥补传统钻探以点带面的局限，对隧道工程设计及施工安全具有积极的意义。应用CSAMT在梯排岭隧道勘察进行围岩分级，为查明隧道洞身附近岩溶发育及断层破碎带分布、划分隧道围岩等级具有一定的意义。

1 勘察区域地理及地质概况

（1）地理概况。梯排岭隧道位于广东省韶关市，隧道水平长度为1900m，最大埋深为200m。隧道区属侵蚀-构造低山地貌。隧道进洞口之上为陡坡，边坡坡向约272°，坡度为30～40°。隧道出洞口之上为高约2.5m的陡坎，陡坎之上为坡度25～30°的斜坡，边坡坡向约65°。

（2）地质概况。根据工程地质测绘和钻探结果，隧道地层由老至新特征如下：①泥盆系上统佘田桥组（D3s）：深灰、黑灰色，中厚层～厚层灰岩、白云质灰岩、生物碎屑灰岩夹薄层黄灰色钙质泥岩，局部夹黑灰色中厚层碳质灰岩；②泥盆系上统锡矿山组（D3x）：上部为深灰色，中厚层～厚层灰岩夹黄灰色薄层泥灰岩，下部为深灰色，中厚～厚层灰岩、泥质灰岩夹黄灰色钙质页岩；③石炭系下统岩关组（C1ya）：灰色，中厚层灰岩与黄绿色泥质、页岩不等厚互层；④第四系全新统（Q4）：黄褐、棕红色黏土夹块石。

（3）地球物理特性。CSAMT是以研究地下介质体的视电阻率差异为地球物理基础，进行二维地电断面测量的一种视电阻率法勘察技术。不同组份的岩石（土）会有不同的电阻率，即使组份相同的岩石，也会由于结构和含水情况的不同而使电阻率在很大的范围内变化。视电阻率根据不同岩性，在不同地区受环境影响大体在一定的范围（见表1）。

2 方法技术和参数选择

（1）方法技术。CSAMT主要采用隧道围岩的电性特征进行初步划分隧道围岩等级。隧道的电性特征依据阿尔奇公式计算。

式中：ρ为岩石电阻率；a为比例系数；φ为孔隙度；m为孔隙度指数；S为含水饱和度；n为饱和度指数；ρw为充填在孔隙中水的电阻率。

表1 物性参数统计表 单位：Ω·m

（2）参数选择。此次勘探可控源音频大地电磁法选用GDP-32Ⅱ多功能电法仪，轴线采用可控源音频大地电磁法完成测试，采集端主机为GDP-32采集系统，电缆为屏蔽被覆线，电极为不极化极罐，极距为20m，采集频率为32～8192Hz，共13个频点。测点总数为106，测线总长为2100m，收发距为6.880km，发射端发射机型号为GGT-10，发射电流≥5.0A，发射极距AB=580m。

3 勘探成果与解释

3.1 数据解译原则

根据电阻率值大小、变化及低阻异常形态等特征，结合工程地质测绘、钻探、原位测试及水文试验等资料，确定数据解译原则如下：（1）条带状或串珠状低阻异常判释为断层破碎带。（2）视电阻率为100～500Ω·m的地层，地表主要为土壤层，中深部为含水量较大的强风化、中风化灰岩；视电阻率为500～1000Ω·m的地层，主要为强风化灰岩；视电阻率为1000～4000Ω·m的地层，主要为中风化灰岩；视电阻率为4000～8000Ω·m的地层，主要为微风化灰岩；视电阻率＞8000Ω·m的地层，主要为未风化灰岩；中深部局部视电阻率＜16Ω·m的极低阻区，推测为溶洞或地下暗河发育区。

3.2 勘探成果解释

根据梯排岭隧道CSAMT测试剖面结果（见图1），隧道轴线剖面上，隧道顶板2倍洞径范围内围岩完整性具体分析如下。

（1）K0～K0+86段物探成果解释。该段位于进洞口段，视电阻率整体较低。洞身视电阻率较低，推测围岩岩体较破碎，其中进洞口处洞身下方约35m深度处视电阻率很低，推测为大型溶洞或地下暗河。

图1 梯排岭隧道CSAMT测试成果

（2）K0+86～K0+400段物探成果解释。该段位于洞身穿越区，视电阻率整体较高。在上部沟谷低洼地区电阻异常，推测为构造裂隙发育区，低洼底部因长期降雨经流水形成溶蚀裂缝，在底部形成溶蚀现象，形成溶洞，其余地区整体高阻，推测为较为完整的灰岩地层，岩体完整。

（3）K0+400～K0+728段物探成果解释。该段位于洞身穿越区，视电阻率整体较低。洞身上部视电阻率低，根据区域地质图，该段为地质界线区，不同时代岩性接触面风化较为严重，形成构造裂隙发育区，因此命名为F1破碎构造区。该段隧道围岩破碎，富含水。由于均为灰岩，推断裂隙区可能发育有规模溶蚀现象，形成溶洞含水区。

（4）K0+728～K1+152段物探成果解释。该段位于洞身穿越区，视电阻率整体较高，推测岩体裂隙不发育，岩体完整。

（5）K1+152～K1+365段物探成果解释。该段位于洞身穿越区，视电阻率整体较低。在沟谷地区底部电阻率异常，呈现低阻，该段沟谷地表有径流水，地层为灰岩，形成裂隙溶蚀带。根据区域地质图，该段为地质界限区，为不同地质时代地层界限，为构造裂隙破碎带发育区，命名为F2。通过地质调查，底部推测形成溶洞发育区及地下暗河。

（6）K1+365～K1+597段物探成果解释。该段位于洞身穿越区，前半段洞身围岩视电阻率较高，推测围岩岩体较完整，后半段洞身围岩视电阻率相对较低，推测围岩岩体较破碎。洞身顶部局部形成低阻圈闭区，推测溶洞发育。

（7）K1+597～K1+704段物探成果解释。该段位于洞身穿越区，视电阻率整体较低。在沟谷地区底部电阻率异常，呈现低阻，推测为构造裂隙破碎带发育区，该段建议降低围岩等级，同时注意隧道涌水问题。

（8）K1+704～K1+941段物探成果解释。该段位于出洞口段，植被覆盖，土层相对较厚，洞身埋深浅，视电阻率整体较低，推测围岩岩体较破碎。

4 结论

在梯排岭隧道勘察中通过CSAMT初步查明岩溶和破碎带等不良地质作用及其他不明异常地段，然后有针对性地布置勘探孔，详细评价隧道工程地质条件和水文地质条件，分段确定隧道围岩级别，得出以下几个方面的结论：（1）利用CSAMT对岩溶地区梯排岭隧道进行工程物探，结合工程地质测绘、钻探及取样试验、水文地质测试等勘测工作，基本查明了隧道的岩性、构造和岩溶发育情况。（2）根据CSAMT测试成果，结合围岩坚硬程度、岩体完整程度，考虑地下水状态、初始地应力状态等必要的因素进行修正，分段评价围岩级别为极破碎岩体（Ⅴ级围岩）、破碎岩体（Ⅳ级围岩）。（3）根据CSAMT测试成果布置的勘探孔揭示了岩体破碎带和岩溶发育区，CSAMT在岩溶地区隧道勘察中的效果显著。