西南山岭强震区特长深埋隧道的综合物探应用

doi:10.11720/wtyht.2025.1466

西南山岭强震区特长深埋隧道的综合物探应用

邬远明^,¹, 邢泽峰², 鲁光银²

1.湖南省交通规划勘察设计院有限公司, 湖南长沙 410219

2.中南大学地球科学与信息物理学院,湖南长沙 410083

Application of integrated geophysical exploration in an extra-long deep tunnel in the seismically active mountainous region, Southwest China

WU Yuan-Ming^,¹, XING Ze-Feng², LU Guang-Yin²

1. Hunan Provincial Communications Planning, Survey & Design Institute Co., Ltd., Changsha 410219, China

2. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China

第一作者: 邬远明(1982-),男,工程师,硕士,主要从事电法勘探工作。Email: 156443024@qq.com

责任编辑: 朱晓颖

收稿日期: 2024-12-4 修回日期: 2025-03-19

基金资助:

国家自然科学基金项目(41974148)
国家重点研发计划项目(2023YFF0718000)
中国中铁股份有限公司科技研究开发计划项目(2022-重大专项-07)

Received: 2024-12-4 Revised: 2025-03-19

摘要

西部山区的大风顶隧道属深埋特长隧道,区域内地震活动性较强,地质及水文地质条件极其复杂。此隧道勘查工作的重难点在于复杂地质条件与不良勘探环境增加了勘查难度,同时需精准推断隧址区岩体破碎程度及富水性特征,以制定有效的防震措施。因此,在利用地质资料进行区域岩性的初步划分基础上,开展了以音频大地电磁测深为主结合高密度电法的综合物探。结果表明,综合物探有效揭示了隧址区整体视电阻率变化和浅部详细的视电阻率分布,尤其是隧道洞口附近电场分布特征,从而推断出隧址区岩体的破碎程度与富水性特征。同时通过钻井资料有效验证了物探方法的有效性,表明使用综合物探方法可以为强震区特长深埋隧道勘查和建设提供参考。

关键词： 强震区; 特长深埋隧道; 岩性划分; 综合物探; 地震活动影响

Abstract

The Dafengding tunnel is an extra-long deep tunnel in the seismically active mountainous region characterized by exceptionally complex geologic and hydrogeologic conditions in Southwest China. The primary challenges in the tunnel investigation arise from complex geological conditions and unfavorable exploration environments. Moreover, developing effective seismic mitigation measures necessitates precisely determining the fragmentation and water-bearing characteristics of rock masses at the tunnel site. Hence, based on the initial classification of regional lithologies using geologic data, this study conducted integrated geophysical exploration at the tunnel site by combining the audio-frequency magnetotelluric method with high-resolution electrical resistivity tomography. The results indicate that the integrated geophysical exploration effectively revealed the overall variation in apparent resistivity at the tunnel site and the shallow apparent resistivity distribution, particularly the characteristics of the electric field near the tunnel portal. These findings enabled the inference of the fragmentation and water-bearing characteristics of rock masses at the tunnel site. Moreover, the borehole data effectively validated the effectiveness of the integrated geophysical exploration, demonstrating that the integrated geophysical exploration can provide a valuable reference for the investigation and construction of extra-long deep tunnels in seismically active regions.

Keywords： seismically active region; extra-long deep tunnel; lithologic classification; integrated geophysical exploration; impact of seismic activity

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邬远明, 邢泽峰, 鲁光银. 西南山岭强震区特长深埋隧道的综合物探应用[J]. 物探与化探, 2025, 49(3): 746-753 doi:10.11720/wtyht.2025.1466

WU Yuan-Ming, XING Ze-Feng, LU Guang-Yin. Application of integrated geophysical exploration in an extra-long deep tunnel in the seismically active mountainous region, Southwest China[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2025, 49(3): 746-753 doi:10.11720/wtyht.2025.1466

0 引言

随着我国“西部大开发”和“交通强国”战略的推进,西部山区高速公路建设迅速发展,隧道建设规模日益扩大^[1-2]。西部山区由于地处“三高、五个极其”的复杂环境中(“三高”:高山、高原、高速;“五个极其”:极其复杂的地形、地质、气候、生态环境及工程技术),特长深埋公路隧道建设面临诸多挑战^[3]。其工程地质和水文地质条件尤为复杂,加之区域地震活动性较高,往往存在洞口稳定性差、围岩失稳、涌水、区域构造稳定性差、不良地质体多、围岩分级难等诸多问题^[4]。

在深埋隧道的地质勘探中应用综合物探方法,能够从多个角度对同一目标体进行描述,这种方式使解释结果更贴近实际地质情况^[5-11]。康耀等^[12]研究了综合物探技术在云南龙堡隧道地层勘查中的应用,强调多种物探方法的协同效应在解析复杂地质特征和降低施工风险方面具有显著优势。程小勇^[13]探讨了水文地质综合勘查对隧道导水特性分析的影响,指出综合物探技术在隧道勘查中的关键作用,特别是在提升水文地质解析精度方面具有重要意义。阳映等^[14]对综合物探技术在北京延庆松山隧道地质勘查中的应用进行了探讨,研究表明多种物探手段的有机结合,可有效提升复杂地质环境的识别精度,为隧道施工提供可靠性较高的数据支撑。陈楠等^[15]针对长大深埋隧道的综合地球物理方法进行了系统研究,分析了深埋条件下地质勘查面临的技术挑战,并指出综合地球物理方法能够识别潜在地质隐患,为隧道工程第一个设计与风险控制提供科学依据。

乐山至西昌高速公路马边至昭觉段的大风顶隧道位于四川省凉山彝族自治州雷波县,隧道全长5 696 m,最大埋深1 006 m,是典型的深埋特长隧道,具有埋深大、山体宽厚等特点,其地形地貌、地层岩性及水文地质条件极为复杂。区域地震活动性较高,地震基本烈度为Ⅶ度,属强震区。在详细分析区域地质情况的基础上,针对大风顶隧道勘查的重难点,本文采用音频大地电磁测深和高密度电法数据进行综合物探分析。通过充分发挥各种物探方法的优势,全面查明了隧址区整体地质情况,重点详查隧道洞口的地质特征。多种勘查方法的相互补充和验证,有效地解决了单一物探方法“多解性”的问题,提升了勘查的精度和效率。在此基础上,进一步分析了区域内不同程度岩石破碎带对周边地震活动的响应特性,为隧道设计与施工提供了可靠的地质信息,同时也为制定更有针对性的防震措施提供了理论依据。

1 研究区概况

1.1 地质概况

大风顶隧道位于四川省凉山彝族自治州雷波县北西方向,与雷波县城直线距离约30 km。区域海拔在2 000~3 000 m之间,地形深切,主要呈SN向和EW向的大型深沟,为构造剥蚀型高中山地貌区。

研究区位于川滇SN向构造带与四川盆地新华夏系沉降带交接处,SN向构造带自马边县刹水坝、森捏罗向南延伸至雷波大谷堆、马颈子及牛牛寨一带,宽度约5~6 km,主要由褶皱和断裂组成。褶皱以向斜和背斜为主,形成复式紧密褶皱,轴面多为直立或高角度西倾,少数东倾,部分轴部或翼部不完整。区域内主要断层包括刹水坝—马颈子断层、上田坝断层、硝滩断层和猴儿沟断层,呈平行排列,局部呈叠瓦状,以压性和压扭性为主。区域新构造运动强烈,表现为强侵蚀的峡谷山丘地形,以及夷平面、多级阶地、瀑布、跌水分布,古滑坡和地震活动频繁,断层复活现象明显。隧道场地未穿越区域性断裂,但岩层产状变化频繁,地质构造较为复杂,新构造运动强烈,地震基本烈度为Ⅶ度区,属Ⅱ类场地。

大风顶隧道场地内部地层复杂,包含多种岩性,且结构不均,局部存在溶蚀和断层现象,主要包括新生界第四系、中生界和古生界的多个地层。第四系地层包括残坡积碎石角砾土、崩坡积碎块石土和冲洪积泥砾卵石土,结构松散,厚度变化显著。中生界三叠系主要岩性为灰岩、砂岩和粉砂质泥岩,局部溶蚀裂隙发育,岩质坚硬。二叠系上统峨眉山组为玄武岩,质地坚硬,节理发育;宣威组为泥质砂岩夹煤线。志留系龙马溪组为钙质泥岩和炭质页岩,岩质较软。奥陶系巧家组为灰岩、泥质灰岩,岩质较硬,结构完整,具有较好的稳定性。

长河断层位于大谷堆—西苏角一带,全长约37 km,宽约10~15 m,总体呈NW向展布。该断层北段位于测区西部区域,主要发育于三叠系地层之中,断层走向为NNW向,属左行—逆冲断层。谷堆向斜位于雷波大谷堆乡,呈NW方向延伸,长度约21 km,宽度3~7 km。该褶皱由上二叠统至下侏罗统组成,形态不对称,东翼陡峭(50°~70°),西翼缓和(30°~50°),轴面约80°倾向东,区域构造活动复杂。通过区域地质资料分析和初步地质调绘,初步判定隧址区主体构造为大风顶背斜。背斜地层包括二叠系和志留系,两翼不对称分布于新地层。

隧址区降水较丰富,地表水体稀少,主要通过溪沟排泄,可划分为两个水文地质单元。以马捏姑河为排泄基准面,主要为垂直循环带;以马颈子—刹水坝断层为界,涵盖水平循环与垂直循环的交汇区域。隧道穿越雷口坡组岩溶裂隙含水层,厚度较薄,较少涌水。

1.2 地球物理特征

隧址区内主要岩(矿)石的电性测试结果(表1)显示,区内不同岩石类型之间展现出明显的电阻率差异;同时较完整岩体与充水破碎带、软弱岩体及断层破碎带之间也存在明显的电性差异。这为后续的区分地层岩性,划分断层破碎带等构造提供了良好的物性基础。

表1 隧址区矿物电阻率范围统计

Table 1 Statistics of mineral resistivity ranges in the tunnel location

岩性	ρ/(Ω·m)	岩性	ρ/(Ω·m)
灰岩	500~6000	白云岩	200~3000
砂岩	100~2000	碳质页岩	100~2000
粉砂岩	50~1000	玄武岩	1500~8000

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2 勘查方法与工作布置

大风顶隧道为分离式隧道,左线起止桩号为 ZK65+032~ZK70+715,全长5 683 m,右线起止桩号桩号为(ZK65+012)~(ZK70+712),全长5 700 m;最大埋深达到1 006 m,是一条典型的深埋特长隧道,区域地形地貌、地层岩性、地质构造和水文地质条件复杂。因此,在区域地质分析和初步地质调绘的基础上,明确主体构造形式,并进一步通过轴线物探、构造分析,以构建隧址区的构造格架。

根据对大风顶隧道区域构造分析,隧道整体位于背斜构造中(图1)。在背斜的西翼,各岩性层均在地表出露,这为地表调绘和浅孔勘探提供了便利, 有助于查明地层岩性、岩体结构以及围岩级别等重要的隧道地质问题。隧道在背斜轴部的宽缓段所穿越的地层,无法通过地表调绘和浅孔勘探获取有效的信息。音频大地电磁测深法(AMT)可提供深层岩石的电性信息^[16-17],而高密度电法则能更精确地揭示浅部的电场特征^[18-19]。因此采用以音频大地电磁测深法为主结合高密度电法的方式能够有效探测深埋区域的电性特征和地质结构^[20-21],尤其适合于复杂地质条件下的隐伏构造及含水层的探测,为隧道的设计和施工提供科学依据。

图1

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图1 隧址区地质构造及物探测线示意

Fig.1 Schematic of geological structures and geophysical survey lines in the tunnel area

音频大地电磁法的采集工作使用美国EMI公司生产的EH4 连续电导剖面仪,属于混合源方法的仪器,利用的场源可以是天然场,也可以是人工场。工作频率设定10~1 000 Hz范围内,采集天然电磁场信号,可测量地下几米至1 km范围内介质电阻率的连续分布。高密度电法采用深圳市赛盈地脉技术有限公司和北京桔灯地球物理勘探有限公司研发生产的GD-10 分布式高密度电法系统。由于测区地形起伏大,为降低地形起伏的造成的干扰,工作时主要以温纳排列装置为主,MN的距离与AB距离保持1∶3的关系。

考虑到研究区地形切割严重,落差较大,冰雪覆盖,在大风顶隧道里程段(ZK67+677)~(ZK70+715)布置沿隧道走向的音频大地电磁测线(图1),测量点距为20 m。在大风顶隧道布置横向高密度电法剖面5条(图1),每条剖面长度240 m,点距10 m。

在AMT数据采集过程中,系统实时监测了4个相关分量的振幅、相位及视电阻率曲线,以确保信号质量。当信号较弱或视电阻率曲线出现较大波动时,采取增加迭加次数或延长记录时间等手段,以增强数据的信噪比。此外,大部分野外测点采用十字型布设,确保电极的接地电阻不大于2 000 Ω,并通过加水或垫土等措施优化电极接地条件。在测量过程中,定期检查测点质量,确保数据连续性并避免脱节现象。对于较难测量的点位,采用不同电压进行复测,最大限度地排除外部干扰。

在高密度电法勘探中,布设电极时确保其接触良好,避免电极悬空或接地不均。在测量过程中,如出现异常现象,立即对电极连接与接地情况进行检查,以确保接收信号的稳定性。为提高数据的可靠性,采用了延长采集时间和增加采样点数等手段。测量完成后,即时进行现场数据处理,发现并纠正问题,以确保勘测数据的质量。

针对地形的起伏程度、大气条件及电磁干扰源情况,在勘探前不仅进行了详细的踏勘,并根据实际情况制定了合理的施工方案,以避免高压输电线及居民电器设备的电磁干扰。此外,在冰雪天气条件下,采取了防寒、防潮等措施,以保障设备与人员的安全,从而确保数据采集的顺利进行和有效性。

3 勘探结果与分析

3.1 资料处理

在AMT资料处理过程中,对时间序列数据进行了再处理。首先,逐段筛选采集的时间序列数据,剔除含有干扰信号的时间段,以减少噪声对数据质量的影响。随后,使用采集软件对筛选后的数据进行重新处理,以确保大地电磁响应的质量。此外,通过阻抗张量分解,识别了地下构造的复杂性及其走向特征。大部分测点在频段范围内表现出二维构造特征,且与测线方向近乎垂直。因此,采用二维共轭梯度反演法,通过联合反演视电阻率和阻抗相位数据,获得最佳拟合的地下电性模型。在反演过程中,选择测线方向作为剖面方向,以确保反演结果能够准确反映与区域二维构造平行和垂直的电磁响应。

在高密度电阻率法资料预处理阶段,对原始数据进行了质量控制,剔除坏点、进行数据拼接并实施地形校正,以消除外部因素对数据质量的干扰,确保数据的准确性与一致性。结合已有的地质信息,使用瑞典Res2dinv高密度电法数据处理与解释软件进行反演分析,得到视电阻率成像断面图,揭示了地下不同层次的电性分布及其结构特征,为后续的地质分析与区域构造研究提供了重要依据。

3.2 岩石电性特征分析

由于区域内岩石种类较多,不同的岩石物性差异大,因此结合各类岩石的物性特征和岩石破碎情况,对围岩划分标准细分如表2所示。

表2 各岩类解释划分标准

Table 2 Criteria for interpreting different rock types

地质背景	推断解释	ρ_s/ (Ω·m)	lg[ρ_s/ (Ω·m)]	围岩级别
碳酸盐岩地层	极破碎、富水溶洞	≤50	≤1.7	V
	风化破碎、溶蚀发育区	50~2200	1.7~2.3	IV
	弱风化带岩石	200~700	2.3~2.8	III
	微风化、完整坚硬岩石	≥700	≥2.8	II
碎屑岩地层	极破碎、富水岩石	≤50	≤1.7	V
	破碎、富水性强、强风化带	50~200	1.7~2.3	IV
	较破碎、富水性中、弱风化带	200~500	2.3~2.7	III
	富水性弱、微风化带	≥500	≥2.7	II
火山岩地层	岩石破碎、极软弱或富水岩体	≤300	≤2.5	V
	破碎、软弱或含水岩体	300~1000	2.5~3	IV-V
	较破碎、富水性中到弱	1000~2000	3~3.3	IV
	岩体较完整、富水性弱	≥2000	≥3.3	III

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3.3 音频大地电磁测深法成果解释

勘测段为大风顶隧道左线中部偏出口段方向(图2),其地层岩性主要为两段。出口段为碎屑岩和碳酸盐岩,岩性主要为砂岩、粉砂岩、岩屑砂岩等以及雷口坡组的白云岩和白云质灰岩;洞身大部分为二叠系峨眉山玄武岩。出口段(昭觉方向)视电阻率在200~1 500 Ω·m之间;洞身段视电阻率100~3 500 Ω·m,电性变化大。

图2

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图2 大风顶隧道左线AMT视电阻率断面(a)岩性异常分类剖面(b)

Fig.2 AMT apparent resistivity section of the left line of Dafengding tunnel (a) lithological anomaly classification profile (b)

1)(ZK67+677)~(ZK68+912)段主要发育有峨眉

山玄武岩。其中,(ZK67+677)~(ZK68+157)段低电阻率特征反映了显著的岩体破碎以及中等的含水性,为IV~V类异常。(ZK68+307)~(ZK68+367)段,围岩电阻率稳定在高值区,展现出较好的岩体完整性及较弱的富水性,岩体较为稳定。(ZK68+367)~(ZK68+912)段,低电阻率的特征尤为明显,表明此处的岩石极破碎,存在丰富的导水条件。

2)(ZK68+912)~(ZK69+996)段主要发育有峨眉山玄武岩,视电阻率值整体变化幅度较大,高阻值多呈半圈闭和圈闭近直立状由地表延伸至深部。其中,(ZK69+117)~(ZK69+432)段围岩视电阻率在上部高阻出现两处较明显的错断现象,向下分别对应凹字形东西两支,结合地质资料分析,该段可能为背斜轴部,岩体裂隙发育。(ZK69+697)~(ZK69+773)段的围岩视电阻率在900~1 000 Ω·m之间,整体曲线呈凹字状,表明存在负地形和沼泽分布。

3)(ZK69+996)~(ZK70+651)段地层由东至西发育有二叠系上统宣威组,岩性组合为灰绿色岩屑砂岩、炭质页岩及薄煤层等;三叠系下统飞仙关组,岩性组合为细粒岩屑砂岩、粉砂岩、泥岩等。电阻率在400~1 000 Ω·m之间,显示出明显的西倾趋势,推断为IV~V类异常,围岩破碎且富水性中等。

4)(ZK70+651)~(ZK70+715)段为隧道出口段,发育有三叠系中统雷口坡组,岩性组合为白云岩、灰岩等。隧道围岩视电阻率在500~1 000 Ω·m之间。推断该段为IV~V类异常,围岩破碎且富水。

3.4 高密度电法成果解释

通过WS-037~WS-041高密度测线结果与AMT视电阻率反演结果(图1a)的对比验证,可以获得浅部高精度的视电阻率分布,特别是在洞口附近的详细视电阻率特征,为洞口开挖工作提供了详细的地质资料,以提升施工的安全性。

1)隧道左右两线视电阻率值(图3)表现为浅部高阻,深部低阻。浅部的高阻视电阻率值在3 200 Ω·m以上,推测为地表玄武岩碎块堆积影响。深部低阻视电阻率值在50~100 Ω·m,向下无收敛迹象,与AMT成果显示的低阻异常吻合,推测为柱状节理发育的玄武岩岩体。

图3

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图3 大风顶隧道左线ZK68+507处WS-037高密度电法视电阻率断面

Fig.3 High-density apparent resistivity profile at ZK68+507 (WS-037) for the left line of the Dafengding tunnel

2)隧道左右两线视电阻率值(图4)表现为浅部偏高阻,深部偏低阻。浅部偏高阻呈平行于地形的条带状展布,推测为地表乱石堆积层的反映。深部偏低视电阻率值在200~600 Ω·m,呈近似直立的半圈闭状展布。AMT对应为近直立的条带状偏低阻,视电阻率值在600~800 Ω·m,两者较为吻合,推测该段为柱状节理较发育的玄武岩。

图4

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图4 大风顶隧道左线ZK68+907处WS-038高密度电法视电阻率断面

Fig.4 High-density apparent resistivity profile at ZK68+907 (WS-038) for the left line of the Dafengding tunnel

3)隧道左右线视电阻率(图5)表现为上中部高阻,向下视电阻率值逐渐降低。右线AMT显示视电阻率值在1 000~1 500 Ω·m之间,两者比较吻合,推测可能为较完整的玄武岩。而左线60~100 m范围,深部低视电阻率区域逐渐扩大,向下无收敛趋势,视电阻率值在50~100 Ω·m,推测低阻值区可能与AMT在 WS-039处左右两端邻近的浅地表显示的低阻异常相同,为富水破碎的玄武岩。

图5

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图5 大风顶隧道左线ZK69+627处WS-039高密度电法视电阻率断面

Fig.5 High-density apparent resistivity profile at ZK69+627 (WS-039) for the left line of the Dafengding tunnel

4)图6中隧道左右线范围内浅部视电阻率较低,深部视电阻率逐渐升高,电阻率高值约为850 Ω·m,AMT显示视电阻率值在1 200~1 500 Ω·m之间,两者较为吻合,推测深度可能为较完整的玄武岩。

图6

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图6 大风顶隧道左线ZK69+977处WS-040高密度电法视电阻率断面

Fig.6 High-density apparent resistivity profile at ZK69+977 (WS-040) for the left line of the Dafengding tunnel

5)隧道左右两线整体视电阻率值(图7)在800~1 000 Ω·m,AMT视电阻率值在500~900 Ω·m范围,两者较为吻合。左线位置在高程2 065 m左右,视电阻率值在500 Ω·m左右,推测可能为含砂砾石的溶洞;而左右线正下方高程2 040 m处,视电阻率值在50~200 Ω·m,推测可能为含水溶洞。

图7

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图7 大风顶隧道左线ZK70+712处WS-041高密度电法视电阻率断面

Fig.7 High-density apparent resistivity profile at ZK70+712 (WS-041) for the left line of the Dafengding tunnel

4 钻探验证

为进一步验证以上推断的准确性,在分析收集隧道地质资料和综合物探工作成果后,于隧道左线ZK70+670处布置SK24-4钻孔;左线ZK68+746处布置SK24-5钻孔(图1)。

SK24-4钻孔位于左线出洞口附近,孔深60.4 m,物探推断该处为IV~V类异常,围岩破碎且富水。SK24-4岩芯0~0.9 m为粉质黏土;0.9~60.4 m为中风化灰岩,节理裂隙较发育,岩芯较完整,节理长10~60 cm,含方解石脉和少量溶孔。钻孔验证结果与物探推断结果基本吻合。

SK24-5钻孔孔深209.4 m,该处低电阻率的特征尤为明显,物探推断此处岩石极破碎,存在丰富的导水条件。SK24-4岩芯0~8 m为碎石,母岩主要为玄武岩;8~29.7 m为块石,呈松散—稍密状,母岩成分以玄武岩为主,粒径20~150 cm,以碎石泥质充填;29.7~147.5 m为玄武岩,整体发育两组节理,倾角分别为85°和63°,岩体较破碎,节理裂隙发育;147.5~157.4 m为凝灰岩,岩质极软,岩体极破碎,岩芯以扁柱状、大块状为主。157.4~209.4 m为玄武岩,岩体较完整,岩芯以短柱状为主,夹大块状(节理裂隙发育),节长5~15 cm。钻孔验证结果与物探推断一致,进一步验证了综合物探在岩性异常分类及构造识别中的准确性。

5 结论

通过结合可控源音频大地电磁和高密度电阻率法,揭示隧道区域的整体视电阻率分布及洞口附近的精细电性特征,从而进一步推断隧道区域岩体的破碎程度及富水性特征,为隧道抗震支护设计提供理论依据。此外,借助多种物探技术的相互验证,同时结合钻孔验证,提高了勘查结果的可靠性和准确性。

综合物探结果评估了隧道区域岩体的破碎程度和富水性特征,而岩石破碎程度决定了岩体的抗震能力,验证了综合物探在地震活动影响评估中的有效性,为在类似山岭强震区特长深埋隧道勘查和建设提供了借鉴。

参考文献

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被引期刊影响因子

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