改进电测深法探测山区深埋隧道隐伏构造

doi:10.11720/wtyht.2021.1346

改进电测深法探测山区深埋隧道隐伏构造

范祥泰^,¹, 张志厚^,¹, 苏建坤², 丁可², 廖晓龙¹, 石泽玉¹, 刘鹏飞¹

1.西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川成都 611756

2.云南航天工程物探检测股份有限公司,云南昆明 650217

Improved electric sounding method for detecting concealed structures in deep-buried tunnels in mountainous areas

FAN Xiang-Tai^,¹, ZHANG Zhi-Hou^,¹, SU Jian-Kun², DING Ke², LIAO Xiao-Long¹, SHI Ze-Yu¹, LIU Peng-Fei¹

1. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China

2. Yunnan Aerospace Engineering Geophysical Detecting Co., Ltd., Kunming 650217, China

通讯作者: 张志厚(1983-),男,副教授,主要从事地球物理正反演研究及教学工作。Email:logicprimer@swjtu.edu.cn

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2020-07-2 修回日期: 2021-03-11

基金资助:

四川省科技厅科技计划项目.  2019YFG0460
四川省科技厅科技计划项目.  2019YFG0001
四川省科技厅科技计划项目.  2020YFG0303
国家自然科学基金资助项目.  41672295
国家重点研发计划项目.  2018YFC1505401

Received: 2020-07-2 Revised: 2021-03-11

作者简介 About authors

范祥泰(1996-),男,西南交通大学硕士研究生,主要研究方向为工程地球物理勘探。Email: 2716764067@qq.com

摘要

隧道上方存在的隐伏构造在施工过程中极易诱发隧道地质灾害。在传统电测深法中引入正交投影法的地形校正技术和多电极一次布极的高供电电压技术,将其用于长大深埋隧道隐伏构造的探测,勘探成果充分反映了隐伏构造的空间展布形态,并与钻探成果表现出较好的一致性。此次研究表明:改进电测深法能有效探测出沿测线剖面地质体电阻率的变化情况,准确识别隐伏构造的规模及位置,为隧道安全施工与隧道地质灾害防治提供了依据。

关键词： 电测深法 ; 深埋隧道 ; 隐伏构造 ; 工程勘探

Abstract

The concealed structure existing above the tunnel is very likely to induce tunnel geological disasters during construction. This paper introduces terrain correction technology based on orthogonal projection method and high power supply voltage technology with multiple electrodes laid at once into the traditional electrical sounding method to improve it. In addition, the improved electrical sounding method is applied to the detection of the concealed structures of long and deep buried tunnel. The exploration results fully reflect the spatial distribution of concealed structures and show good consistency with the drilling results. This study shows that the improved electrical sounding method can effectively detect the change of resistivity of geological bodies along the survey line profile, and can accurately identify the scale and location of concealed structures, thus providing a basis for tunnel safety construction and tunnel geological disaster prevention.

Keywords： electrical sounding method ; deep-buried tunnels ; concealed structure ; engineering exploration

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本文引用格式

范祥泰, 张志厚, 苏建坤, 丁可, 廖晓龙, 石泽玉, 刘鹏飞. 改进电测深法探测山区深埋隧道隐伏构造. 物探与化探[J], 2021, 45(3): 793-799 doi:10.11720/wtyht.2021.1346

FAN Xiang-Tai, ZHANG Zhi-Hou, SU Jian-Kun, DING Ke, LIAO Xiao-Long, SHI Ze-Yu, LIU Peng-Fei. Improved electric sounding method for detecting concealed structures in deep-buried tunnels in mountainous areas. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2021, 45(3): 793-799 doi:10.11720/wtyht.2021.1346

0 引言

隐伏构造在隧道施工过程中具有较强的致灾性,需要选择合适的物探方法进行勘察。目前,高密度电阻率法^[1,2]、电阻率联合剖面法^[3]、瞬变电磁法^[4]、CSAMT^[5,6,7]、探地雷达^[1,8]、电阻率测深^[9]等地球物理勘探方法已广泛应用于工程前期隐伏构造勘察工作并取得了较好的应用效果^{[10,11,12,13]}。但是,每种物探方法都有一定的局限性:仪器装备易限制高密度电法的探测深度而使其难以满足工程建设的需求^[14],地形和不均匀体会导致CSAMT曲线发生一定程度的畸变^[15],探地雷达的抗干扰能力较弱^[16]且勘探深度小,瞬变电磁法对积水采空区反应明显但对高阻采空区反应相对较弱^[17]等,因此,这些方法都难以适应复杂艰险山区长大深埋隧道隐伏构造的探测。而直流电测深法在探测基岩埋深、划分松散沉积层、测定潜水面深度和含水层分布等方面具有较好的应用效果,相比其他物探方法,该方法具有抗干扰能力较强、技术灵活可靠、经济高效的特点,在钻探施工不便以及难以通过地面地质调查确定地下地质体的地区具有较广泛的应用^[18],已有的数值模拟方法表明直流电测深法对高、低阻目标层均具有较高的分辨能力^[19]。

云南省临沧市凤庆县在建云凤高速公路安石隧道发生涌水突泥事故,通过对事故原因调查,发现地下隐伏构造为此次事故的直接原因,因此需要迅速查明工区范围内隐伏构造的空间位置及展布情况。针对安石隧道具有长大深埋、地表起伏大、地下水发育、岩性复杂、植被覆盖度广等地质特点,选用了改进电测深法进行勘探,在传统电测深法的基础上引入正交投影法的地形校正技术和多电极一次布极的高供电电压技术^[20],取得了较好的效果。

1 地质背景

安石隧道位于凤庆县凤山镇安石村—勐佑镇中和村,为分离式特长隧道。隧址区在区域构造上位于前奥陶系变质岩岩体与燕山早期花岗岩岩体接触区带内(图1),隧道轴线上无区域性断裂、褶皱分布。隧道左线全长5 338 m,最大埋深约453.11 m;右线全长5 263 m,最大埋深约449.81 m。

图1

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图1 安石隧道区域地质构造

Fig.1 Regional geological structure of Anshi tunnel

本次物探工作的测区范围为安石隧道某工段,测区属低中山地貌,地形起伏较大,如图2所示。山体自然坡度14°~31°,植被较发育,进、出口均处于山前斜坡地带。依据现场地质勘察,隧道内掌子面前方围岩为前奥陶系石英片岩、二云石英片岩、云母片岩,呈互层状或渐变过渡状赋存。岩体破碎呈碎裂状结构,岩石矿物定向排列,片理发育,受构造挤压作用明显。岩性主要呈现中风化状态,少量呈现全、强风化状态。岩层整体属较软岩。

图2

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图2 测区地形地貌

Fig.2 Topography of the survey area

隧址区岩体风化破碎程度与富水性不一,遇水软化及力学强度差异明显,软硬相间,具有明显的电阻率值差异;挤压剪切破碎带岩体松散破碎含水,与周围岩体也存在明显电性差异(表1),因此有利于电测深法开展工作。

表1 测区岩样电阻率统计

Table 1 Resistivity of rock samples in the measurement area

岩样类别	电阻率/(Ω·m)
含砾粉质黏土	3000~5000
石英片岩	1300~2400
中风化石英片岩	1200~1800
强风化石英片岩	800~1100
富水区	400~1200
破碎带	400~800

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2 电测深法的改进

2.1 地形改正

直流电测深法简称电测深法,其物性基础为地下岩土体的电性差异,目前的电测深法主要用于水平地面勘察^[21]。传统电测深法在起伏陡峭的山地上进行勘探时,地形因素常使观测结果产生畸变,导致虚假异常掩盖了地质体的真实异常。为使勘探结果更接近地下真实情况,必须进行地形影响校正。当前已有多种方法用于地形校正,其中Res2dinv二维反演软件和正演模拟法是目前普遍采用的地形校正方法^[22]。然而这两种方法均存在一个明显的缺点,忽视了起伏地形条件下测深点反映的是地表法线方向上与电极距对应深度的地质情况,仍将MN中点垂直向下延伸探测深度L的点D'作为视电阻率的测深点,如图3所示。因此地形校正后的结果仍有很大误差,不能够准确反映出地下真实情况。

图3

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图3 传统电测深法在斜坡上探测示意

Fig.3 Schematic diagram of traditional electric sounding method on slope detection

本文采用正交投影法确定与勘探深度L对应的测深点D的坐标。如图4所示,在起伏地表确定一条测线并在该测线所在的剖面建立x—y直角坐标系,其中x轴在水平方向,远离起点方向为正;y轴在深度方向,向上为正。从测线起点开始,等间距布置n个电极,将第1、2、3、4号电极视为A、M、N、B电极,坐标如图中所示。其中,线段MN的中点为O点,以O点为起点向下作线段MN的垂线,长度即探测深度为L,终点为测深点D。

图4

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图4 基于正交投影法的地形校正示意

Fig.4 Terrain correction sketch based on orthogonal projection method

过M点向下作垂线,与过N点作的水平线相交于点V,设∠MNV为θ,则:

$\{\begin{array}{l} \cos θ = \frac{x_{3} - x_{2}}{\sqrt[]{(x_{2} - x_{3})^{2} + (y_{2} - y_{3})^{2}}}, \\ \sin θ = \frac{y_{2} - y_{3}}{\sqrt[]{(x_{2} - x_{3})^{2} + (y_{2} - y_{3})^{2}}} 。 \end{array}$

过O点向下作垂线,与过D点作的水平线相交于点W,有:

$∠ DOW = ∠ MNV = θ 。$

由于O点为线段MN的中点:

$\{\begin{array}{l} x = (x_{2} + x_{3}) / 2, \\ y = (y_{2} + y_{3}) / 2, \end{array}$

则测深点D的坐标及其对应的视电阻率ρ_s为

$\begin{array}{l} \{\begin{array}{l} x' = x - L \sin θ, \\ y' = y - L \cos θ, \end{array} \\ ρ_{s} = K \cdot \frac{Δ U_{MN}}{I}, \\ K = \frac{2 π}{\frac{1}{L_{AM}} - \frac{1}{L_{AN}} - \frac{1}{L_{BM}} + \frac{1}{L_{BN}}} 。 \end{array}$

式中:K为装置系数,L_AM、L_AN、L_BM和L_BN分别代表AM、AN、BM、BN的距离,ΔU_MN代表MN间的电压,I代表AB间的电流强度。

2.2 跑极效率

传统电测深法存在跑极造成的数据采集效率低下的问题。为了提高跑极效率,引入了多电极一次布极技术并利用程控电极转换开关和微机工程电测仪实现跑极和数据采集的自动化,如图5所示。测量装置为温纳装置,电极间距为6 m,AB最大为960 m,MN最小为6 m,最大为20倍的等间隔间距(120 m)。测量单元在第一个测深点完成探测后通过多路电极转换器顺次向后移动,从而完成第一层所有测深点数据的采集。之后通过多路电极转换器改变测量单元的电极间距来加大探测深度,完成下一层测深点探测。重复以上步骤即可得到整个测线剖面上测深点的坐标以及视电阻率值。

图5

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图5 电极布置

Fig.5 Electrode arrangement

实际工作时,为了提高地下电流场的电流密度从而获得更高的信噪比,采用向地下供较高的供电电压的方法,电流从直流电瓶流出后经过升压装置,其供电电压最高可达1 200 V。为了提高探测深度,使用该方法应尽可能提高单排列长度,其单排列长度可达4 km。

3 野外探测与分析

根据设计,安石隧道凤庆侧由大里程向小里程方向开挖。在进行探测时,左线隧道出口端从ZK43+603开挖至ZK42+976.6,已开挖626.4 m;右线隧道出口端从YK43+593开挖至YK42+951.6m,已开挖641.4 m。

3.1 测线布置

为了查明隧道掌子面前方及上方是否存在隐伏构造,如图6所示,在YK42+410~YK43+210地表沿右幅轴线布置测线L1,点距6 m,测线总长960 m;在ZK42+560~ZK43+350地表沿左幅轴线布置测线L2,点距6 m,测线总长960 m;在YK42+870位置垂直隧道轴线布置测线L3,点距6 m,测线总长960 m。这种方式布置测线,可以通过两种角度的探测结果对比来确定地下各地质体的空间展布状态,为地质推断提供更合理的物探依据。

图6

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图6 测线与钻孔布置示意

Fig.6 Schematic diagram of measuring line and drilling arrangement

3.2 物探成果

野外数据采集完成后,先利用正交投影法对其进行地形校正,然后采用Res2dinv软件对改正后的数据进行反演^[23],得到3条测线的电测深法反演电阻率断面(图7~图9)。总体上看,地表至地下20 m左右电阻率逐渐升高,电阻率等值线基本平行于地形线,因此该范围内无隐伏构造发育,为地表第四系覆盖区和不同程度的风化基岩的综合反映;深度20 m以下,电阻率曲线不平行、不光滑,多处呈现圈闭状,数值变化较大,可能有隐伏构造发育。

图7

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图7 L1线反演电阻率断面

Fig.7 Inversion of resistivity profiles of line L1

图8

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图8 L2线反演电阻率断面

Fig.8 Inversion of resistivity profiles of line L2

图9

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图9 L3线反演电阻率断面

Fig.9 Inversion of resistivity profiles of line L3

从L1线的反演剖面(图7)可以看出,地表20 m以下,YK42+450~YK43+200范围电阻率的分布总体表现为“低阻—局部高阻—低阻—局部高阻—低阻”。图中①、②、③、④号低阻区的电阻率等值线闭合,形状为方形或半圆形,说明这些区域储水较多,推断为富水区。Ⅰ号、Ⅱ号低阻带的电阻率小于 800 Ω·m,电阻率等值线闭合,呈条带状,展布方向与隧道开挖方向斜交。Ⅰ号低阻异常带位于YK42+840上方,宽约6 m,长约270 m;Ⅱ号低阻异常带位于YK42+950上方,长约250 m,宽约8 m,从图上可以看出Ⅱ号低阻异常带仍具有一定的延伸性。推断这两处低阻异常带基岩裂隙水发育,贯通性良好,破碎程度较大,可能为破碎带。由于隧道已开挖至Ⅱ号低阻异常带范围内,因此要高度关注,必要时可对其采取适当的工程措施。

从L2线的反演剖面(图8)可以看出,地表20 m以下,ZK42+600~ZK43+350范围的电阻率总体特征为“低—局部高—低—局部高—低”。①、②号低阻区电阻率等值线闭合,形状为方形或半圆形,说明这些区域储水能力较强,推断为富水区。Ⅲ号低阻异常区电阻率等值线闭合,呈条带状,电阻率小于1 000 Ω·m。该低阻异常带位于两个局部高阻体中间,长约180 m,平均宽约60 m,推断该处基岩裂隙水发育,破碎程度较大,贯通性较好,可能为破碎带。由于该区域与其他富水区相连,且隧道已开挖至该范围内,因此要对Ⅲ号低阻异常带予以高度的关注。

从L3线的反演断面(图9)可以看出,地下20 m以下,电阻率总体分布特征为“高—局部低—高—局部低—高—低—高”,其中3个低阻区的电阻率等值线闭合,因此推断这些区域为层间破碎区,岩体破碎,富含地下水。从图中还可以看出,隧道左幅与隧道右幅的上方分别存在一个低阻富水区,这与平行于隧道轴线的L1、L2线的探测结果一致。

3.3 钻探验证

由图7、图8可知,地下发育有3条低阻带且贯通性较好,其中Ⅰ号低阻带下方被圈闭,最低处为1 860 m,而隧道高程在1 820 m左右,因此Ⅰ号低阻带不具有同隧道轴线相交的趋势,对隧道施工造成危险的可能性较小。Ⅱ号低阻带下方未被圈闭,且已探明的最低处电阻率较低,具有进一步向下延伸的趋势;Ⅲ号低阻带与隧道轴线斜交,因此Ⅱ号、Ⅲ号低阻带对隧道施工造成危险的可能性较大。为了对物探结果尤其是Ⅱ号、Ⅲ号低阻带的存在性进行验证且不对隧道造成破坏和影响,将ZK1布设于YK42+952左13 m,ZK2布设于YK42+870左13 m(如图6所示)。将物探成果与钻探成果进行对比,结果见表2。

表2 安石隧道改进电测深法解释成果与钻孔成果对比

Table 2 The comparison between the results of improved electrical sounding method and the drilling results of the Anshi Tunnel

钻孔	物探推断结果(右幅)		物探推断结果(左幅)		钻探结果
1号钻孔 (隧道埋深 243~251 m)	47~116 m	电阻率较低,岩体破碎,为富水区域	46~108 m	电阻率较低,岩体破碎,为富水区域	43.3~85.7 m	中风化石英片岩,岩心破碎
	136~176 m	电阻率较低,岩体破碎,为富水区域	133~251 m	电阻率低,为低阻破碎带区域	165.1~166.3 m	破碎带
	136~176 m	电阻率较低,岩体破碎,为富水区域			175~206 m	破碎带
	176~252 m	电阻率低,为低阻破碎带区域			175~206 m	破碎带
					206~240.5 m	中风化石英片岩,岩心破碎
					240.5~252 m	破碎带
2号钻孔 (隧道埋深 280~288 m)	58~104 m	电阻率低,为低阻破碎带区域	51~112 m	电阻率低,为低阻破碎带区域	53.6~103.4 m	破碎带
			112~152 m	电阻率较低,岩体破碎,为富水区域	103.4~153.5 m	中风化石英片岩,岩心破碎
			290~301 m	电阻率较低,岩体破碎,为富水区域	297.5~301.2 m	中风化石英片岩,岩心破碎

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物探推断的富水区域或低阻破碎区域与钻探的破碎带或岩心破碎区域相对应。其中,ZK1深度136~176、176~252、133~251 m分别对应推断的Ⅱ号、Ⅲ号低阻破碎带区域,ZK1在206~240.5 m时取得的岩心结果为中风化石英片岩,岩心破碎,钻探到165.1~166.3、175~206、240.5~252 m时取得的岩心结果为破碎带。沿ZK2方向地下58~104、51~112 m分别为推断的Ⅱ号、Ⅲ号低阻破碎带区域,ZK2钻探到53.6~103.4 m时取得的岩心结果为破碎带。综合分析来自Ⅱ号、Ⅲ号低阻异常带的钻探成果,发现其岩性主要为石英片岩、云母片岩,破碎呈土状、碎块状、松散饱水,岩质松软,遇水软化泥化,富水性强。因此这两条破碎带均由构造挤压剪切破坏引起,为构造挤压剪切破碎带。

物探成果与钻探成果的对比结果表明了改进电测深法可以充分反映隐伏构造的空间展布形态,并与钻探成果表现出较好的一致性,说明该方法可以有效探测山区深埋隧道隐伏构造。

4 结论

本次勘察工作发现并证实了隧道前方与上方存在Ⅱ号、Ⅲ号构造挤压剪切破碎带,破碎带岩性松散饱水,岩质松软,遇水软化泥化,富水性强,且隧道已经开挖到该区域,因此要对这两处构造挤压剪切破碎带予以高度关注。本次物探工作为隧道安全施工提供了有力保障。

改进电测深法能有效探测出沿测线剖面地质体电阻率的变化情况,能根据地下介质的电性异常特征准确识别出隐伏构造的规模及位置,对隧道安全施工起到有效的指导作用。该方法提高了传统电测深法的精度和数据采集效率,相比传统的高密度电阻率法,其采集数据的信噪比更高,探测深度更大,更加适合探测山区深埋隧道隐伏构造。

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