综合物探技术在北京延庆松山隧道勘察中的应用

阳 映，闫清华，衣骏杰，张亚龙

(1.中航勘察设计研究院有限公司,北京 100098；2.中国冶金地质总局矿产资源研究院,北京 101300)

0 引言

在线路勘察中，隧道勘察是整个工程的重点。通过查明隧址区的地质构造、地形地貌、地层岩性组合特征、围岩的基本物理力学性质、地下水分布特征以及可能遇到的不良地质的分布范围，为隧道施工工法的选择、洞身掘进方法、支护和衬砌类型以及洞口放坡提供工程地质依据和设计参数，确保施工安全(黄潘等，2009)。地质勘察的方法主要有钻探和物探。由于隧址区地形陡峭、植被茂密，钻机很难就位施工，工期长，费用高。物探方法快速、经济、有效的特点使其广泛应用于隧道勘察中。单一的物探方法具有一定的局限性，如探测深度、电磁干扰、地形条件等因素，因此在隧道勘察中常采用综合物探的方法，利用不同的物性差异相互佐证，以提高物探资料的准确性(张举贤，2006；周竹生和丰赟，2011)。

通过浅层地震法和高密度电法相结合，可以有效查明浅层岩体风化情况和围岩等级。高密度电阻率法和地震折射波法取得了很好的效果，特别是高密度电阻率法可给出深度超过300 m的地质信息，并得到了施工开挖的验证，为开展综合勘探和综合物探积累了经验(樊耀武等，1998；李建国等，2006；时彦芳等，2010)。通过浅层地震法和大地电磁法相结合，不仅可以查明地表覆盖层厚度，还可以准确查明深层隐伏构造、岩性变化和岩溶区等不良地质体分布情况，为隧道开挖提供了重要的参考意义(胡树林和陈煊，2010；韩松等，2010；刘剑飞，2011；谭远发，2012；覃图观和冯毅，2015)。

前人利用综合物探方法对隧道选址、施工等方面进行了大量研究，但以往研究未考虑到不同施工段的侧重点以及目的层深度的差异。本文以松山隧道为例，根据隧道不同施工段的侧重点以及目的层深度，选择最优的测线布置方式以及物探方法，通过实际验证，确定最优的物探组合方法，以期解决隧道施工中的地质问题。

1 工区概况

延崇高速公路(北京段)工程起于北京市延庆区大浮坨村西侧，与兴延高速公路相衔接，在市界处与延崇高速公路河北段相接。其中，松山隧道近东西走向(图1)，是延崇高速公路最长的一条隧道，北京段全长4.5 km，里程为K28+935.00～K33+525.248，隧道洞身最大埋深约718.8 m，最高点标高约1800 m。松山隧道沿线地形变化较大，沟谷、断崖发育明显，整体呈西高东低的状态，主要表现为多条山脊自东向西延伸，山脊与沟谷交替出现。

图1 拟建松山隧道沿线地貌图

隧道勘察需查明隧址区的地质构造、地形地貌、地层岩性组合特征及围岩的基本物理力学性质，地下水分布特征，以及可能存在的不良地质现象。然而隧址区地形陡峭，植被茂密，隧道洞身埋深大，地层均为基岩，且隧道位于松山国家级自然保护区内，不允许破坏森林资源和生态环境的现象发生，导致传统钻探方法很难在该区开展工作。

2 物探方法的选择

第四系地层与基岩存在明显的物性差异。第四系地层因不同的密实程度、不同颗粒组成及物质组成存在物性差异。基岩的岩性变化，岩体不同的风化程度，节理裂隙不同的发育程度以及岩体破碎程度，导致相对明显的电性、密度、波阻抗等差异。上述物性差异为在隧址区进行物探工作提供了前提。

2.1 物探方法的特点

隧道工程勘察中常用的物探方法一般有：浅层地震法(韩永琦等，2004；谢尚平等，2004；赵德亨等，2005；张慧利等，2014)、高密度电法(刘晓东等，2001；刘晓东等，2002；董浩斌和王传雷，2003；郭秀军等2004；严加永等，2012；陈晨等2019；陈龙等2019；陈亚乾等，2019)、瞬变电磁法(TEM)(刘树才等，2005；薛国强等，2007；张开元等，2007)、大地电磁法(EH4)、可控源电磁法(CSAMT)(王赟等，2002；孙英勋，2005；李英宾等，2019)等。各方法的特点和适用条件见表1。

表1 物探方法特点

2.2 本工区隧道勘察关注的重点

隧道洞口段边坡的稳定性、不良地质体和富水性是隧道施工重点关注的问题。由于隧道洞口段埋深较浅,需要有针对性地选择分辨率高的物探方法。因此选择地震折射波法和瞬变电磁法进行综合勘探，重点分析隧道洞口段覆盖层的厚度、地层分界线的位置以及不良地质体的分布情况(彭湘桂等，2014)。

隧道洞身段施工时重点关注地层破碎带、储水构造等不良地质体。由于隧道洞身埋深较大，地震折射波法和瞬变电磁法的探测深度无法满足要求，因此采用可控源音频大地电磁法进行勘探，重点分析洞身段地层分界线的位置以及是否存在不良地质体。

2.3 物探方法的选择及测线布置原则

根据勘察目的，针对隧道洞口段与洞身段所关注的侧重点不同，结合隧道埋深、地层分布特点、地形地貌情况和物探方法特点，在洞口段和洞身段选择不同的物探方法以及测线布置方式，实现有针对性的综合勘探。详细原则见表2。

表2 物探测线布置方案

3 物探方法原理

3.1 地震折射层析成像法

地震折射层析成像法主要利用人工震源产生的折射波，通过构建初始模型，利用射线追踪理论，正演折射波初至时间，通过不断的优化正演初至与实际初至，反演速度模型。通过这种正反演的不断迭代更新，使速度模型更加接近真实的地层情况。最后利用速度参数，确定覆盖层的厚度以及速度异常体的范围。

3.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法是时间域的电磁法，利用不接地回线(磁偶源)或接地电极(电偶极源)产生的脉冲式一次电磁场，通过线圈或接地电极接收地下涡流产生的二次电磁场的时间以及空间分布情况。这种方法在完全没有一次场的背景下观测研究二次场。地下目标体感应的二次场强弱、随时间衰减的快慢与地下所要探测的目标异常体的大小、位置、产状和导电性能等因素密切相关。因此，我们可以通过研究二次场随时间和空间的分布情况获得地下地质异常体的埋深、形态及电性特征(薛国强等，2007)。

3.3 可控源音频大地电磁法

可控源音频大地电磁法(CSAMT)属于人工源大地电磁测深法，是为了克服天然源随机性和信号弱等缺点发展起来的。该方法利用相距1～2 km的电偶极源作为场源，以场源外围5～10 km的范围为测量区，在测量区内测量相互垂直的电场和磁场切向分量，计算卡尼亚电阻率。依据电磁波传播原理及麦克斯韦方程租，可知由地下正交的电场与磁场可获得地下的电阻率。另外根据电磁波传播的趋附效应，地表电阻率一定时，传播深度随频率增大而衰减，低频传播深度大，高频传播深度小，通过改变发射电磁波的频率改变探测深度，进而达到测深的目的。该方法具有探测深度大、分辨率高、地形影响小、高阻层屏蔽小等优点(王赟等，2002)。

4 应用效果

针对松山隧道勘察对洞口和洞身侧重点的不同，采用多种物探方法查明了隧道区域的地层以及不良地质体分布，为隧道施工提供可靠依据。

4.1 隧道洞口段

隧道施工过程中，洞口段的施工是重中之重。边坡的稳定性，围岩的风化程度等，这些都是施工过程中需要考虑的因素。因此，在隧道洞口段增加横剖面物探测线，为隧道施工提供更加全面的地质情况。

(1)地震折射层析法成果解释

地震折射层析成像法成果显示松山隧道洞口段地层整体较均一(图2)。第一层为碎石及块石，视速度介于300～2500 m/s，厚度一般15～25 m；第二层为强风化基岩，视速度>2500 m/s。进京线隧道截面(左侧)视速度为1500～2500 m/s，出京线隧道截面(右侧)视速度小于1500 m/s。隧道洞口段地层均为碎石或块石层。受风化、卸荷等影响洞口岩体完整程度为较破碎-破碎，不利于洞室围岩的稳定。洞口段围岩成洞性很差，基本无自稳能力，应加强边坡加固措施。

图2 洞口段横剖面地震成果图

(2)瞬变电磁法成果解释

瞬变电磁法成果(见图3)在纵向显示出一定的成层性，表层的相对低阻层视电阻率值一般小于100 Ω·m，推断为碎石层；在碎石层以下存在着一个厚度不均的相对高阻层，视电阻率值约在100～600 Ω·m，根据钻孔所揭露的信息，该区域内块石层普遍存在，块石层与强风化基岩具有相似的电性特征，所以该层推断为块石层(含强风化基岩)；随深度增加，视电阻率值继续升高，约为600～1000 Ω·m，推断为中风化基岩；在中风化基岩以下，视电阻率值高于1000 Ω·m的范围推断为微风化基岩。进京线隧道截面(左侧)视电阻率为300～600 Ω·m，出京线隧道截面(右侧)视电阻率<250 Ω·m。隧道洞口段地层均为碎石或块石层，围岩成洞性很差，基本无自稳能力，应加强边坡加固措施。

图3 洞口段横剖面瞬变电磁成果图

通过两种物探方法的成果图对比发现，隧道洞口段地层分布情况基本一致，均为碎石及块石。针对此碎石块石地层，后期施工应进行加固处理。两种方法起到了相互验证的效果，提高了物探成果的准确性。

4.2 隧道洞身段

隧道洞身段施工过程中，重点关注地层破碎带、储水构造等不良地质体。松山隧道洞身段埋深变化较大，最大埋深可达700 m，根据隧道埋深的不同选用不同测深的物探方法进行勘察，为隧道施工提供更加全面的地质情况。里程K28+945～K30+185段隧道埋深小于200 m，沿隧道设计瞬变电磁法纵剖面测线，里程K30+045～K33+645段隧道埋深为150～718 m，沿隧道设计测深较大的可控源大地电磁法纵剖面测线。

(1)瞬变电磁法成果解释

里程K28+945～K30+185段洞身瞬变电磁法成果显示(见图4)，视电阻率随深度的增加而增大，浅表层5 m左右深度范围内，视电阻率值一般小于100 Ω·m，推断为碎石层；碎石层以下视电阻率升高，视电阻率值约在100～600 Ω·m，推断为块石(含强风化基岩)；随深度增加，视电阻率值继续升高，约为600～1000 Ω·m，推断为中风化基岩；在中风化基岩以下，视电阻率值高于1000Ω·m的范围推断为微风化基岩。

图4 瞬变电磁法成果图

隧道洞身处里程K28+945～K29+100区间内，视电阻率为100～600 Ω·m，推断为强风化基岩，岩体为较硬岩，完整程度为较破碎，节理裂隙发育，形成较不利的空间结构组合，不利于洞室围岩的稳定。围岩成洞性较差，基本无自稳能力。因此，隧道开挖时应加强超前地质预报及支护工作，保证施工安全；隧道洞身处其他里程段，视电阻率均大于600 Ω·m，推断为中风化基岩，岩体为较硬岩，完整程度为较完整。隧道开挖时应加强超前地质预报及支护工作。

(2)可控源音频大地电磁法成果解释

里程K30+045～K33+645段隧道洞身可控源音频大地电磁法成果显示(图5)，剖面浅部视电阻率约在80 Ω·m以下，呈低阻特性，推测为碎石层的反映；随着深度增加，依次为块石(含强风化基岩)与中风化基岩，其中块石(含强风化基岩)电阻率约在100～150 Ω·m，中风化基岩电阻率大于150 Ω·m；隧道里程K30+645～K31+360区间内，视电阻率小于100 Ω·m，在所探测深度范围出现了相对低阻异常，随深度增加向东北方向延伸，推断此区域为裂隙发育带；里程K32+795～K33+117区间内，由表层以下至高程1020 m左右的范围出现了相对低阻异常，推断此区域为裂隙发育带。这两段裂隙发育带处岩体破碎，工程性质较差，隧道开挖时应加强超前地质预报及支护工作。

图5 大地电磁法成果图

5 结论

(1)针对松山隧道洞口段与洞身段所关注的侧重点和隧道埋藏深度的不同，有针对性地选择合适的物探方法以及测线布置方式进行综合勘探。查明隧道洞口段覆盖层的厚度以及洞身段不良地质体的发育情况，为施工工法的选择提供了重要的依据。

(2)根据隧道洞口段地震折射层析法和瞬变电磁法成果图推断，隧道洞口主要位于碎石和块石中，岩体较破碎，围岩成洞性很差，基本无自稳能力。因此，隧道开挖时应加强边坡加固措施。

(3)根据隧道洞身段瞬变电磁法成果图推断，里程K28+945～K29+100区间内，隧道洞身位于强风化基岩中，岩体较破碎，围岩成洞性较差，基本无自稳能力。因此，隧道开挖时应加强超前地质预报及支护工作，保证施工安全；里程K29+100～K30+185区间内，隧道洞身位于中风化基岩中，岩体较完整。

(4)根据隧道洞身段可控源音频大地电磁法成果图推断，里程K30+045～K33+645区间，隧道洞身主要位于微风化基岩中，岩体较完整。其中，里程K30+645～K31+360区间内，在所探测深度范围出现了相对低阻异常，推断为裂隙发育带，该区域岩体破碎，工程性质较差，隧道开挖时应加强超前地质预报及支护工作。

[附中文参考文献]

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