岩溶隧道地质勘察中的综合物探法探测

邱 锴，肖 强

(宁夏公路勘察设计院有限责任公司，宁夏 银川 750001)

1 引言

我国西南地区是岩溶分布最为集中和典型的地区[1]。岩溶作为一种不良地质，在公路、铁路和水利建设中造成诸多地质难题，对工程建设稳定性构成极大危害[2]。尤其是岩溶区隧道，具有构造带发育，地下水丰富，溶蚀分布不规律等特点，采用单一的勘察手段很难查明其地质情况，且因地形条件差，钻探可实施性亦受局限。相比传统钻探而言，地球物理探测具有成本低、效率高、线性追踪性强等优势，常用方法有高密度电阻率法[3，4]、大地电磁法[5]、瞬变电磁法[6，7]、地质雷达法[8，9]等。近年来，这些物探方法在工程勘察设计中应用广泛，研究成果和学术贡献成效显著。其中：孙英勋[10]首次将可控源音频大地电磁法(CSAMT法)应用于水麻高速公路深埋隧道地质勘察中，成功揭示了软弱层、断层破碎带及地下水分布，并较准确地划分了围岩类别，为高速公路隧道探索出新的勘察方法 。何灿高等[11]在某水利工程输水隧洞中采用高密度电法、瞬变电磁法及综合测井法，查明了研究区内的地质构造、地层结构及岩溶空间分布特征，为设计选线提供了重要依据。崔阿李等[12]应用探地雷达法对黄河万家寨水库岩溶进行检测，划分了该区域溶蚀地质的空间分布范围。其他学者专家[13～17]亦使用超前地质预报、电测深法、管波法、地震波法、CT法等手段对岩溶进行探测分析，并取得可靠结论。以上研究成果和学术贡献充分证明了综合物探手段在解决岩溶地质难题中具有可行性、高效性、准确性及必要性。

本文以广西壮族自治区东北部平乐县境内一高速公路中的隧道工程为例，阐述并分析了综合物探法探测的应用效果。收集前期地质资料可知隧址区岩溶发育，为查明其隐伏构造及岩溶分布特征，详细勘察阶段采用高密度电法、瞬变电磁法相结合的地面综合探测方法，并进行钻孔验证及孔内声波测试，施工阶段又使用地质雷达超前预报探测，综合各方法取得了较好的研究效果，为设计及施工方案提供了充足的依据。

2 工程概况

该隧道总长542 m，洞身最大埋深79.7 m。地貌属缓坡丘陵，西南面背靠江水，地势起伏较大，植被茂盛，以杂草、灌木等为主。地面标高约为141.3～237.2 m，拟建隧道入口及出口均处于山区，进洞口自然坡度为20°～30°，出洞口自然坡度为50°～60°，出洞口紧靠江水，交通不便。

隧址区地层岩性主要为石炭系大唐阶(C1d)灰岩。洞口处地层主要为坡积土、砂岩风化土、残积土及溶蚀发育灰岩，洞身处地层主要为砂岩残积土、溶蚀发育灰岩及相对完整灰岩。地下水主要为松散岩类孔隙水和碳酸盐裂隙岩溶水。其中松散岩类孔隙水主要分布于山坡坡麓松散堆积层中，由大气降水补给，多沿松散层与基岩接触面渗出，水量甚小。碳酸盐裂隙岩溶水主要赋存于山体的灰岩裂隙及溶蚀孔洞中，以潜水的形式存在，经山体裂隙或地下溶洞、暗河等排泄。

3 探测方法与工作布置

3.1 高密度电法

高密度电法属直流电阻率法的一种，集电测深和电剖面为一体，具有采集数据量大，观测点密度高等特点[18，19]。它利用覆盖层、溶蚀岩层、相对完整岩层等不同介质的电阻率差异，可直观、清晰地反应浅层岩溶分布形态，故本工程具备开展该方法的前提地球物理条件。

测线沿隧道洞身方向布置，采用温纳尔装置，电极数60根/1排列，单位电极距10 m，共1个排列，隔离系数为19，最大供电电压360 V，有效剖面水平长度为590 m。使用仪器为重庆万马物探仪器公司生产WDJD-4型电法仪。

高密度电法探测深度可按照式(1)估算：

(1)

式(1)中：h为深度(m)；AB为供电极距(m)。

3.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method，简称TEM)是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，在一次场断电后通过观测二次涡流场随时间的变化规律，研究探测介质的电性特征，进行分析处理，达到探测地下地质体空间展布的目的[20]。该方法对接地要求不高，可在基岩裸露区取得较好效果，应用在本工程中合理、可行。

测线沿隧道洞身方向布设，与高密度电法测线基本重合。采用不接地回线装置，测点间距5 m，测点间距5 m，共125个测点，采样率为1.25MH，发射频率为16 Hz，发射电流为60 A，有效剖面水平长度为589.51 m。使用仪器为重庆璀陆探测技术有限公司生产的FCTEM拖拽式瞬变电磁系统。

3.3 单孔声波测井

单孔声波测试通过读取初至波速信号到达不同深度点的时间[21]，计算出各深度点的速度值并绘制声速—孔深曲线，以此划分不同岩体或同一岩体不同强度的速度层位，进一步确定岩体风化卸荷深度及裂隙密集带、溶蚀发育带及岩溶、软弱夹层、相对隔水层空间分布[22]，同时结合岩芯测试结果应用式(2)计算完整性系数(Kv)。

Kv=(Vp/Vpr)2

(2)

式(2)中：Vp为风化岩体纵波速度(m/s)；Vpr为完整岩体纵波速度(m/s)。

本次测试布置于钻孔裸岩段，采用一发双收换能器自下而上观测，测点距0.2 m，每5 m进行深度校正。探头与孔壁岩体以井液耦合，共完成测试2孔/114.6 m。使用仪器为重庆奔腾数控研究所生产WSD-2A数字声波仪和35 kHz孔内单发双收声波换能器。

3.4 地质雷达探测

地质雷达(Ground Penetrating Radar简称GPR)是利用超高频窄脉冲电磁波来确定介质分布规律的一种地球物理方法[23]。其探测原理为发射天线向隧道掌子面前方发射电磁波信号，电磁波在传播的过程中，当遇到不同界面或目标体时发生反射，经接收天线接收后，通过叠加、整形、放大等方式对数据进行处理和分析[24]，所得相关参数可推断掌子面前方岩土体的含水、破碎、岩溶和软弱夹层等情况。

本次隧道掌子面超前探检测采用地质雷达法，每隔25 m 探测一次。使用仪器为美国劳雷公司生产的SIR-4000 型探地雷达。

4 成果分析

4.1 地面物探分析

高密度电法探测资料分析与解释如下：

自上而下地层划分为2个电性结构层：上部为覆盖层，相对低阻反应推断为黏土，成层性一般，说明层内介质不均一，电阻率值一般为5～300 Ω·m，层厚约0～10 m，局部基岩几乎裸露地表。下部为灰岩层，电阻率值较高，多在300 Ω·m以上。图1中虚线为隧道位置，隧道高程附近地层电阻率可分为2个单元体：①桩号K116+330～K116+550 m段，推测为溶蚀裂隙发育灰岩，电阻率值一般为300～800 Ω·m；②桩号K116+550～K116+890 m段，推测为相对完整灰岩，电阻率值一般大于800 Ω·m。

图1 高密度电法测线电阻率断面

瞬变电磁法探测资料综合分析如下：

视电阻率100～450 Ω·m区域为覆盖层、泥质充填型溶蚀发育带或溶洞；视电阻率450～650 Ω·m区域溶蚀裂隙较发育或块石充填型溶洞；视电阻率650～1000 Ω·m区域为相对完整基岩。图2中虚线为隧道位置，可以看出测线在桩号K116+320～K116+420隧道高程附近主要为覆盖层(粉质黏土)、泥质充填型溶蚀发育带或溶蚀深槽；测线在桩号K116+420～K116+550、K116+580～K116+670、 K116+900～K116+910隧道高程附近主要为溶蚀裂隙相对较发育岩体，存在疑似块石充填或半充填溶洞；测线桩号K116+550 ～K116+580、K116+670～K116+900基岩主要为相对完整岩体。

图2 瞬变电磁法测线电阻率断面

高密度电法主要揭示浅层岩溶发育情况，瞬变电磁法主要揭示较深层岩溶空间分布情况，二者互补验证。

4.2 声波测井及钻孔验证对比分析

验证钻孔ZK1、ZK2的岩性编录描述和声波测井成果对比分析如表1所示。

表1 声波测井成果及钻孔验证对比

根据声波测井成果所示，孔内溶蚀不发育灰岩段的声波速度范围值为3700～6000 m/s，平均值为4940 m/s，完整性系数范围值为0.32～0.85，平均值为0.58，属较完整岩体；溶蚀较发育灰岩或泥质充填、含水溶洞段的声波速度范围值为2930～4600 m/s，平均值为3790m/s，完整性系数范围值为0.20～0.56，平均值为0.35，属破碎～较破碎岩体。图3、图4为选取的洞线设计高程以上20 m至孔底的ZK1、ZK2钻孔声波测井曲线。

图3 ZK1钻孔声波测试曲线

图4 ZK2钻孔声波测试曲线

4.3 地质雷达超前预报成果分析

对面向隧道正前方采集的地质雷达数据进行静态校正、增益调整、去直流漂移、滤波、压制和剔除干扰波及突出有效波处理。处理结果如图5所示。结合掌子面地质条件分析得出：掌子面前方0～25 m(相应里程桩号为YK116+520～YK116+545)范围内，雷达反射信号以中低频为主，推测该区域围岩岩体结构面和节理裂隙发育，局部溶蚀明显，结构面泥质胶结，结合度低，围岩自稳能力差。建议该段施工围岩等级按Ⅳ级考虑。

图5 右洞K116+520掌子面地质雷达探测成果

4.4 效果综合分析

ZK1钻孔所示溶蚀发育灰岩或串珠状溶洞高程位于176.5～148.8 m、131.8～124.3 m之间，声波速度平均值为3640 m/s，ZK2钻孔所示溶蚀发育灰岩或串珠状溶洞高程位于198.2～182.7 m、156.7～145.9 m之间，声波速度平均值为3640 m/s。以上岩性段的声波测试完整性评价为破碎～较破碎，视电阻率值约在450～650 Ω·m。钻孔地质资料、声波测井和瞬变电磁法结论对应较一致，测试成果可信。综合各方法得出，隧道前半段(桩号K116+670以前)洞线高程附近主要以泥质充填型溶蚀发育带、溶蚀深槽及溶蚀裂隙相对较发育岩体为主，局部基岩相对完整。隧道后半段(桩号K116+670以后)洞线高程附近主要以相对完整岩体为主，局部溶蚀裂隙发育。综合物探成果如图6所示。

图6 隧道综合物探解释成果

5 结论

(1)本次岩溶隧道的探测方法选择适宜，各物探成果与钻探资料基本一致，不同方法之间能互相验证、补充，结论客观，可信度强。

(2)通过综合勘测手段已查明该隧道洞线附近隐伏构造及岩溶分布情况，圈定的岩溶发育位置及分布范围准确，划分的围岩等级合理，为设计及施工方案提供了充足的依据。

(3)公路工程中岩溶隧道地质条件复杂多变，通过单一方法很难查明地质情况或解决地质问题，采用综合物探结合钻探的方法具有可行性、高效性、准确性及必要性。