综合物探技术在隧道水文地质勘察中的应用研究

［关键词］隧道；水文地质；勘察；综合物探技术

近些年来，我国大力发展基础设施建设，大量不同类型的建设项目不断涌现。其中建设项目涉及到隧道挖掘的更是不在少数。为确保隧道施工的高效、安全，需要做好针对性的水文地质勘察工作[1]。但是，很多隧道的水文地质条件十分复杂，勘察工作难度很大。针对这一情况，还需要积极地应用一定的综合物探技术。

1 综合物探技术原理与特点

在很多隧道的建设和施工过程中，隧道沿线地层岩性多变，地震区、岩溶、采空区、小型危岩落石、崩塌等不良地质发育，特殊岩土广泛分布，勘察时空限制多[2]。水文地质勘察工作是隧道施工的重要环节，其目的是了解地下水的分布、水位、水质等情况，为施工提供准确的数据支撑。然而，在复杂的地下环境中，传统的人工勘察方法往往难以全面、准确地获取信息，容易受到人为因素和环境因素的影响。综合物探技术是利用物理原理进行地质勘察的方法，如地震波探测、电磁探测等，具有高效、快速、无损等特点。这些技术可以在不破坏地下环境的情况下，快速获取地下信息，为勘察人员提供更加全面、准确的数据支撑[3]。通过物探法可以获取地下空间的分布状态、地层界面等信息，结合地质资料和工程实践经验，可以较为准确地预测地质情况。目前，在针对不同项目进行水文地质勘察的过程中，可以应用的综合物探技术包含了多种不同的类型[4]。不同的物探技术格局特点，可以为不同类型地质的勘察提供便利。例如，地质雷达探测是一种对地下不可见的目标进行定位的电磁技术，探测深度范围在10～30 m，但准确性更高。还有就是红外探水和水平钻孔，通过这些方法，不仅可以提前知晓隧道前方水分布情况，还可以直接获得前方地质状况的直接证据。TSP地震波探测技术是利用地震波反射原理，准确预报范围为前方100～150 m。在具体的勘察工作开展过程中，可以综合应用多种不同的技术手段，以提高勘察效果[5-7]。这些技术的应用可以有效提高勘察效率，降低勘察成本，同时也能为隧道施工提供更加安全、可靠的数据支持。例如，地震波探测技术可以通过发射地震波并分析其反射情况，了解地下岩层的分布和结构；电磁探测技术则可以通过测量地下电导率来推断地下水的分布情况。然而需要注意的是，综合物探技术的应用也需要结合其他勘察方法，如钻探等，以确保勘察结果的准确性和可靠性[8]。此外，在应用综合物探技术时，也需要考虑到技术设备的成本、操作难度等因素，以确保技术的可行性和经济性。利用“物探法”提前探测隧洞围岩，可以确定不良地质条件情况，采用“超前探孔”进行补充、验证，准确有效预判不良地质段的位置、规模；另一方面做到“我随岩变”，通过支护措施和及时封闭开挖面等加强措施，最大限度降低突泥、涌水、塌方等地质灾害的发生概率和危害程度，确保隧洞施工开挖安全[9]。目前，在各类隧道建设施工中，十分注重加强物探、钻探等综合手段对经过的重点难点施工地段围岩、地下水等的探测，以切实保障施工安全。

2 隧道水文地质勘察中综合物探技术的应用案例分析

2.1 案例概况

现有某隧道，位于云南省，该隧道所处地区的地形地貌主要为溶蚀侵蚀中低山地貌。从整体地形角度进行分析，该隧道隧址区呈现出较大起伏的地形特点，隧址区发育断裂走向为南北向。在前期工作中，勘察人员进行野外地质勘察，勘察结果显示，该隧道区域内的地下水涉及到不同的类型，其中主要的类型为第四系松散堆积层孔隙潜水、基岩裂隙水、岩溶水。

2.2 相关物探技术选择

根据地质调绘、钻探揭示，及原位测试和实验室试验，并结合l∶20万区域地质调查成果，探测区第四系地层与下伏基岩交界处存在较大的波速差异。同时，基岩的风化程度也会导致其波速差异。因此用浅层地震折射波法与瞬态瑞雷面波法勘探可进行第四系地层和下伏基岩界线以及基岩风化层的划分[10]。地震折射波法和瞬态面波勘探技术均是地质勘察中常用的物探方法，在隧道地质勘察中的应用十分广泛。另外，分析第四系地层特点，在该地层中包含多种不同的物质，整体组成结构十分复杂。同时，不同物质在密实程度方面也存在较为显著的差异。同时，受到外界环境因素影响，不同岩体在被风化情况方面存在一定的差异，以风化程度之间的差异十分显著。在岩体破碎程度以及节理裂隙发育程度方面，也呈现出较大的差异。因此，地层中不同物质存在电性、密度等方面的较大差异。考虑到这一情况，此次研究中，尝试应用EH4 大地电磁法这一物探方法对该隧道进行水文地质勘探。综上所述，隧址区存在进行物探的良好的地球物理条件，可以综合应用不同类型的物探技术开展水文地质勘察工作。

2.3 综合物探技术的应用

在对该隧道进行水文地质勘察的过程中，选择使用地震折射波和瞬态面波法开展勘察工作，以分析隧道进出口覆盖层厚度与岩石风化界限。在应用瞬态面波法的过程中，使用的仪器为垂直检波器，频率设定为4 Hz。借助该仪器，可以对各种低频成分予以良好的接收，以加深探测深度。不同道间距设置为2.0 m，采样率设定为0.5 m/s。地震折射波的应用过程中，使用的仪器为垂直检波器，频率设定为40 Hz。不同道间距设定为3.0 m，采样率设置为0.2 m/s；为查明隧道右线整体地层结构情况，采用探测深度更深、效果更高的EH4大地电磁法[11]。EH4大地电磁法的应用过程中，所使用的仪器为EH4大地电磁仪器，应用大地电磁测深原理，可以开展天然源的大地电磁测深，也可以开展人工源的大地电磁测深，或者两者混合采集。采用嵌入式实时操作系统，搭配并行硬件处理器，实现全频带采集的同时，电磁场功率谱、视电阻率、相位、相关度现场实时计算，并可以现场查看标量或张量的视电阻率、视相位剖面图。按照该隧道现场的实际情况，对探测点的点距进行针对性的设定，按照灰岩区与非灰岩区特点分别进行设置。其中，非灰岩区与灰岩区的探测点距分别设置为30 m和20 m。在具体的测点过程中，选择应用实时动态测量RTK技术，以提高放点的精确性，该技术具有叠加网络地图的功能，可以完成自动最近点放样，放样时不仅有参照，还能够自动选择最近点放样，可以更好地满足实际勘察工作中密集式放样场景的实际需求。各种物探技术的测线布置情况如图1所示。

2.4 物探结果分析

2.4.1 隧道进出口探测结果

按照上述方式对该隧道进出口情况进行勘察，综合分析浅层折射结合瞬态面波法探测结果，并结合EH4 纵断面探测结果及相关的地质资料，科学分析、判定该隧道地层风化界限与覆盖层情况。最终得到的隧道进口折射波时距曲线如图2 所示。结合检测结果，参照相关的折射波数据，并对地层纵波速度分布情况进行准确的计算。再结合地震面波数据进行反演，可以得出地层面波的具体速度大小，得出隧道进口处面波频散曲线，具体结果见图3。

综合分析图2和图3中的数据结果可以发现，在该隧道进口深度0～5 m内，在具体的速度大小方面，面波和纵波均表现出相对较低的特点。其中面波波速的分布范围在220～330 m/s，纵波波速为的分布范围在450～680 m/s。结合前期勘察过获得的隧道现场相关地质信息进行分析，勘察人员推断，在该深度范围内，地层的土质类型属于粉质黏土。另外，通过对探测结果进行分析还观察到，随着地层深度不断增大，在速度大小方面，面波和纵波随之出现一定的变化。整体来看，二者的速度带下均呈现出不断增加的变化趋势。综合分析不同地层深度下的纵波和面波的波速，可以对相应范围内的地质情况进行分析和判定，具体情况见表1：

对隧道进口处的纵波以及面波速度的分布情况进行整体分析之后，可以得出该地点地质断面情况示意图，具体见图4。

隧道出口地震折射波时距曲线如图5所示。结合探测所得折射波相关数据结果，可以对地层纵波速度的分布情况进行相应的结算。

综合地震面波相关数据结果进行分析，可以通过反演方式，得出地层面波的具体速度大小数据结果。隧道口面波频散曲线如图6所示。

综合分析图5和图6的相关结果信息，可以分析不同地层深度范围内，面波和纵波在波速方面的实际情况，并通过综合分析勘察信息，推断得出相应的地层地质情况。具体结果见表2：

综合分析隧道出口处的面波与纵波速度分布，可以得出隧道出口处的地质断面示意图，具体情况见图7。

2.4.2 隧道右线整体地层结构

在对该隧道右线的整体地层结构进行分析的过程中，此次研究选择使用EH4大地电磁法。应用该物探方法，实施纵向探测。在整个探测和资料处理过程中，应用该技术，首先需要对相关地层结构的数据信息进行采集，并借助专门的软件完成数据筛选，对其中时间序列数据进行筛选，并对张量阻抗进行计算。之后，使用AMT软件进行相关处理，包括编辑曲线，识别模式等等，进而借助专门的软件进行反演，得出具体的电性断面图。并对该隧道右线整体地层结构的相关情况进行解释和推断，分析其岩体情况和岩溶发育情况、软弱发育等等，借以评估不同地层地质的具体情况[12]。通过观察探测结果发现，使用EH4大地电磁法进行物探的过程中，探测的最大深度达到510 m，在浅地表处（0～15 m），视电阻率值呈现出相对偏低的情况。综合分析后认为，该范围内属于第四系残坡积黏土。对不同桩号的视电阻率值进行分析和分析，并综合考虑前期进行现场勘察所获得的资料和信息，可以对相应范围内的土质情况进行评估和判断。具体结果见表3：

2.5 钻孔验证结果

为了对此次研究中所应用综合物探技术的探测效果进行分析，结合该隧道现场的实际情况，选择若干钻孔进行钻探验证。在选择钻孔位置的时候，所选择的区域为地势相对平坦的区域，分别选择隧道中部处和隧道进口处两个位置进行钻探勘察，记录不同地层深度下的地层情况。最终所得钻孔验证结果如表4所示：

将表4中所得钻孔勘察验证结果与以上应用综合物探技术的探测效果进行比较，可得均符合。即表明，此次研究中针对该隧道情况所选择使用的综合物探技术获得了良好的应用效果。

3 总结

总之，在对隧道整体地层岩性、不良地质体等情况进行普查时，可选择探测深度较深、效率较高的EH4大地电磁法；在隧道进出口重点区域，可以采用精度更高的地震折射波与瞬态面波相结合的方法探测地层的结构。