第7卷第4期2010年8月
CHIN ESE JO U RN A L O F EN GI NEERIN G G EOP HY SICS
V ol 17,N o 14Aug 1,2010
文章编号:1672)7940(2010)04)0500)08doi:10.3969/j.issn.1672-7940.2010.04.019
物探方法在隧道勘查中的应用探讨
陆云祥,徐岳行,乔 鹏,王 勇,周子泉,翟法智
(浙江省地球物理地球化学勘查院,杭州310005)
作者简介:陆云祥(19-),男,浙江象山人,高级工程师,主要从事野外物化探勘查。E-mail:lyx3844@126.com
摘 要:通过对若干隧道的物探勘查表明,合理的运用高密度电法、
地震折射波法和瞬态瑞雷波法以及声波测井法,可以有效的查明隧址区第四系覆盖层厚度、基岩垂向分带情况,推定断裂等构造破碎带的位置和产状,计算岩体波速、划分围岩级别,为隧址区的工程评价和隧址的合理选择提供科学依据。指出目前折射波法勘探存在的局限性,强调综合物探的合理性。提出采用高密度电阻率法、声波测井法和瞬态瑞雷波法的综合勘查方法进行隧道工程物探勘查,期望能为今后的隧道物探勘查提供指导。
关键词:隧道勘查;高密度电阻率法;折射波法;瞬态瑞雷波法声波测井法
中图分类号:P 631文献标识码:A
收稿日期:2010-06-17
Application and Discussion of Geophysical
Methods to Tunnel Prospection
Lu Yunxiang,Xu Yuexing,Qiao Peng,Wang Yong,Zhou Ziquan,Zhai Fazhi
(Geop hy sical and Geochemical P ros p ecting A cademy of Zhej iang Pr ovince ,H angz hou 310005,China)
Abstract:T hr ough tunnel prospecting ,it show s that appro priately using hig h-density re -sistivity m ethod,seismic refraction method,Rayleig h w ave method and acoustic velocity log method it can effectively identify the thickness of Quaternary cov ering level in the tun -nel area and the vertical zone of rock mass,the location and o ccurr ence of the fault and ca-l culate the velocity of r ock.T his pro vides a scientific basis for eng ineering evaluation and ra -tional choice o f tunnel ar ea.In this paper,it also points out the limitation of seism ic refrac -tion ex plo ration.
Key words:tunnel prospecting ;high-density resistivity m ethod;refraction metho d;ray -leig h w ave method;aco ustic velocity lo g method
1 引 言
随着新一轮基础建设的铺开,高速公路、铁路客运专线建设掀起高潮。为了节约有限的土地资源,充分保护自然生态环境,许多线位选择桥隧形式。比如合(肥)铜(陵)黄(山)高速汤(口)屯(溪)
段桥隧长度约占线位里程总长的40%(安徽广播
网,2007),宜(昌)万(州)铁路桥隧约占71%(成都晚报,2010),西(安)汉(中)高速桥隧比例更高达86%(新华网,2007)。在隧道勘查中,通常要¹查明隧址区第四系覆盖层厚度、基岩垂向分带情况;º查明断裂等构造破碎带的位置和产状,岩溶、采空区等不良地质体的分布;»计算岩体波速
和完整性指数、划分围岩级别。物探以其直观、快速、经济、工作条件宽松的特点,在隧道勘查中得到广泛的应用。对于浅埋隧道,一般采用高密度电阻率法[1]、地震折射波法[2]、地震反射波法[3]、面波法[4]、声波测井[5]、瞬变电磁法[6]勘探;深埋隧道多采用EH4法[7]、CSAM T法[8]等电磁法勘探,并结合声波测井。根据笔者近几年参加的合铜黄高速、诸(暨)永(嘉)高速、杭(州)千(岛湖)高速、杭(州)徽(安徽)高速、乌(兰浩特)珲(春)高速,甬(宁波)台(州)温(州)铁路、湘桂线永州)全州段、东北东部铁路通化)灌水段、宁杭客运专线浙江段、吉林)图门客运专线、京福客运专线四测段、杭(州)黄(山)铁路浙江段等一大批公路、铁路隧道的物探勘查,就高密度电阻率法、折射波法、瞬态瑞雷波法、声波测井法在隧道勘查中的应用和方法组合进行一些探讨。
2方法原理
2.1高密度电阻率法
高密度电阻率法属常规直流电法,也是以不同岩(矿)石之间导电性能差异为基础,通过接地电极在地下建立人工电场,以电测仪器观测因不同导电地质体存在的地表电场的变化,从而推断和解释地下地质体(如采空区、断层等)的分布或产状,达到解决地质问题的目的。装置特点是它能在地面阵列式一次性敷设几十个甚至上千个电极,按设定程序迅速完成数百个乃至数万个数据的采集,从而获得大量的地电信息;同时,它实行密集采样来提高采样率,用/多次覆盖0的方法来提高信噪比(多次覆盖是指由不同的供电电极、不同的测量电极在地电断面上相同的/点0进行多次测量)。高密度电阻率法又叫电阻率层析成像(Resistiv ity T omog raphy),是集电剖面法和电测深法的特点为一体的一种地学层析成像技术[9,10]。具有效率高、信息量大、直观、工作条件宽松等特点。因此,是高精度的直流电法,能形象直观地反映出地下地质体的空间特征。比较适合于隧道等线型工程的勘查[11~14]。
2.2折射波法
折射波法是通过人工震源激发的地震波在近地表介质中传播,当界面下层的波速大于上层且波的入射角等于临界角的情况下,地震波就会改变传播方向且沿着速度界面滑行,并引起界面各点振动,从而在界面上覆介质中产生折射波,通过分析计算在距震源较远的地表不同位置埋设的检波器接收最先到达的折射波的初至时间,可以获得地下介质的空间分布特征的一种物探方法[15~17]。而反射波法只要介质存在波阻抗界面就可进行反射波法勘探,勘探深度从几米到几千米甚至上万米,在石油勘探中应用最广[18]。虽然折射波的产生条件比较苛刻,勘探深度[60~ 100m[19];但是反射波法勘探受地形影响显著,动校正中的速度初始值往往需由折射波法勘探[20]或声波测井提供。所以近年来在隧道等工程物探勘查中,多采用折射波法勘探。折射界面的绘制常采用t0差数时距曲线法或时间场法,在实际应用中,多采用前者[21]。
2.3瞬态瑞雷波法
瑞雷波是Ray leig h在研究均匀弹性半空间时发现的,由非均匀平面纵波与非均匀横波沿自由界面传播时相互叠加和干涉而形成的一种不同于体波的弹性波,其能量集中在表面下约一个波长的范围内,故也常被称为面波[22~23]。其特点是¹传播速度小,V R U0.87+1.12L
1+L
@V S[24],也有根据钻孔波速测试资料的对比描述为V R U (0.9~0.92)V S[25],视速度一般在100~1200m/s 间,又以200~600m/s最常见;º频率低,一般只有几赫兹到几十赫兹;»能量强,瑞雷波的能量约占地震波总能量的2/3;¼水平方向衰减慢,振幅按1/r的规律衰减。试验表明,瑞雷波某一波长的速度主要与深度小于该波长一半的地层物性有关[26],实际应用中大多采用半波长法解释地下界面的埋深,即h=K R/2=V R/2f。瞬态瑞雷波法勘探实际上就是根据瑞雷面波在层状介质中的频散特性,利用人工震源激发产生多种频率成分的瑞雷波,寻找出波速随频率的变化关系,从而在频率)波数域提取唯一的频散曲线,然后根据波速与岩土体的物理力学参数的相关特性对岩土体做出工程地质评价[4,27,28]。瞬态瑞雷波法勘探具有分辨率高、受场地制约小、无损等优点,在工程中的应用日趋广泛。由于影响瑞雷波现场数据采集质量的因素较多[29,30],道间距、偏移距等观测参数须在现场试验后确定。
2.4声波测井法
本节所述的声波测井是指主要用于工程上的声波速度测井,探头装置多见一发双收。声波由
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工程地球物理学报(Chinese Journal o f Eng ineering Geophysics) 第7卷 发射器产生,通常频率为20kH z 、呈辐射状,通过以下三种途径传播后被接收器接收:¹在井液中传播;º经井壁反射;»在井壁上滑行。因为声波速度测井是要求得到岩层中的声波速度,所以研究的是沿井壁的滑行波(折射波)[31]。为了保证折射波最先到达(首波),源距得足够长,一般源距0.7~1m;因间距大小影响分层能力,一般间距0120m;水常被作为井液;可探测井径周围25~115cm 的地层情况。
3 应用实例
3.1 高密度电阻率法
东北东部铁路通化)灌水段隧道进出洞口段着重要查明第四系覆盖层厚度,由于不能采用炸
药震源,实际采用高密度电阻率法勘探。图1是碑沟隧道出洞口3#横测线高密度电法视电阻率断面图。若以Q s [600~8008#m 作为第四系的视电阻率,推断覆盖层厚20~30m,最厚处达38m 。ZK6钻孔揭露第四系厚30m 。3.2 地震折射波法
京福客运专线四测段北武夷山隧道因设计方怀疑在海拔约1000m 的某段存在断裂构造或岩性界面,特布置了330m 长的地震折射剖面。在地震勘探折射时距曲线图中,的确显示有一条宽约30~40m 、V P [2700m/s 的低速带。两侧基岩的纵波速度较大,V P \\5000m/s(图2)。间接验证了设计方的推测。3.3 瞬态瑞雷波法
合铜黄高速公路部分隧道进出洞口段采用面
图1 3#
横测线高密度电法视电阻率断面
F ig.1 A ppa rent resistiv ity sectio na l imag e of RT of the ho rizo ntal measur ement line 3
#
图2 轴线某段地震勘探折射时距曲线
F ig.2 T ime-distance curve image of r efractio n metho d o f a cer tain of the ax is-line
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第4期 陆云祥等:物
探方法在隧道勘查中的应用探讨
图3 2#
横测线面波等视速度色谱
F ig.3 A pparent velocity chr omato gr am image o f sur face w ave o f the ho rizontal measurement line 2
#
波法勘探第四系覆盖层厚度。图3是紫铜坑隧道出洞口2#
横测线面波等视速度色谱图。工作参数:12道,2m 点距,10H z 检波器,8~12m 偏移距,24磅铁锤锤击铁板激振。若以V R [600m/s 作为第四系波速,推断覆盖层厚2~6m,一目了然。据钻孔揭露,隧道洞口附近第四系厚度一般都在1~4m 。3.4 声波测井法
声波速度测井在隧道工程勘查中应用比较广泛。合铜黄高速、甬台温高速等隧道工程,尤其位于进出洞口侧的钻孔,因大多做了声波测井,而给开挖、支护等施工方案的合理设计和完善提供了有力的保障。3.5 综合法
每种物探方法都有其应用的地球物理前提,即各有特点和适用范围。因此,在隧道勘查中往往选用二种或二种以上的物探方法进行综合勘查
[15,17,32~35]
。
比较经典的物探组合方法是地震折射波法和高密度电阻率法。
浙江某省道上的一隧道设计为分离式,左右线相距约50m,右线全长376m 。在左右轴线上方都测试了高密度电阻率法和地震折射波法勘探。右线的高密度电阻率法勘查表明,在横坐标0~80、245~390位置,即里程YK2+000~YK2+055、YK2+220~YK2+380处,视电阻率均显示出低阻异常或梯级带。推断前者的低阻异常是岩性破碎所致,后者的低阻异常是由岩性破碎和覆盖层较厚共同引起;在里程YK2+220~YK2+
245段的梯级带则是断裂破碎带的反映(图4),结合左线的高密度电阻率法勘探结果,进而可判断该断裂的产状为115~135b N 65~75b ,影响宽度约20m 。
右线的折射勘探结果清晰地显示了基岩的纵波速度在2300~4850m/s 之间。在里程YK2+000~YK2+055、YK2+230~YK2+400处,均出现速度V P [3000m/s 的低速带(图5)。进一步验证了电法的推断结论。
据反馈信息,YK2+000~YK2+095(进口段)是硅质岩,其中前60m 岩性较破碎;YK2+095~YK2+130是石英斑岩,较完整;YK2+130~YK2+376(出洞口)是硅质岩,其中YK2+221~YK2+226发育断裂,断裂产状为115~130b N 65~75b ,YK2+260~YK2+280、YK2+300~YK2+376段岩性破碎或较破碎。
同时,比较图4和图5不难发现,地震折射波法勘探主要是查明基岩波速及低速带位置,而高密度电阻率法勘探则着重查明断裂构造产状及岩性破碎情况。
笔者所参加的甬台温铁路、宁杭客运专线浙江段、吉林)图门客运专线、京福客运专线四测段、杭黄铁路浙江段等几乎所有铁路隧道工程物探勘查都采用这种组合模式。
笔者也曾用瞬态瑞雷波法和高密度电阻率法组合在浙江玉环某隧道等工程进行了尝试。因隧址区车来人往,噪声严重,不必说用炸药震源不安全,就连锤击震源地震作业也比较困难。本组合的特点是野外作业相对简单,对场地要求宽松。
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工程地球物理学报(Chinese Journal o f Eng ineering Geophysics) 第7卷
图4 右线高密度电法视电阻率断面
F ig.4 Apparent resistivity sectional image of R T of r ig ht
line
图5 右线地震勘探折射时距曲线
Fig.5 T ime-distance curv e imag e o f refr act ion method of r ight line
此外,还有高密度电阻率法和声波速度测井法组合模式、CSAMT 法和声波速度测井法组合模式,等等。
4 问题探讨
4.1 高密度电阻率法特点
在隧道勘查中,高密度电阻率法主要用于查明断裂等构造破碎带或岩性界面的位置和产状;其次是探查岩溶、采空区等不良地质体的分布以及第四系覆盖层厚度和基岩垂向分带情况。但是,高密度电阻率法具有体积效应,多金属矿化也会引起低阻异常(梯级带)。4.2 瞬态瑞雷波法特点
在隧道勘查中,瞬态瑞雷波法勘探主要用来查明第四系覆盖层厚度或基岩面起伏情况[36];其次是划分基岩垂向分带;还可对岩体质量进行工程评价[37]。瞬态瑞雷波法虽能连续测量,但勘探
深度较小,一般只达30~50m 深,并且半波长法解释对于三层以上的层状介质存在误差[27]。4.3 声波测井法特点
在隧道勘查中,声波速度测井常用来逐点(一般点距0.20~0.25m)精确地测试岩体的声波速度(压缩波),结合实验室岩块的声波速度,计算岩体的完整性指数,定量评价岩体的完整性;划分地质剖面,验证补充因破碎带或风化带较薄而被钻探漏勘的资料;还可以配合钻孔岩芯资料划分基岩的垂向分带[38]。但是,声波速度测井只能沿井壁纵向观测,水平控制范围有限,测井资料受钻孔数量的制约,就整个剖面而言有失代表性。4.4 地震折射波法特点
在隧道勘查中,地震折射波法主要用来探测下伏基岩的岩体波速,结合实验室岩块的声波速度,
计算岩体的完整性指数,划分围岩级别;其次是探测覆盖层厚度及划分不同岩性(断裂破碎带)界面。
毋庸置疑,地震折射波法在隧道工程中的勘
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探效果是好的,作用也是明显的。通过多个工程实践,发现地震折射波法在隧道勘探中也存在局限性。
1)受地形影响严重。杭黄铁路某隧道折射波法勘探,工作要素:美国劳雷公司的NZXP型地震仪,国产CDJ-Z38型检波器,炸药震源,地面引爆;道间距5m,24道,采样间隔0.25m s,采样点数1024,记录长度512m s,延时0m s,全频段接受;采用追逐相遇观测系统,每排列4炮,偏移距115m和0m,近炮点药量450~750g,远炮点药量1800~2700g。测得清晰的折射波初至。利用铁道第四勘察设计院提供的t0差数时距曲线法折射解释软件进行反演计算,获得基岩纵波速度5000 ~5600m/s。参照相关规范[39],隧道围岩级别可划为Ñ级。但是,根据地质调查资料,隧址区出露岩性是奥陶系上统长坞组(O3c)泥岩和泥质粉砂岩,围岩级别根本没这么高。究其原因,正如文献[15]和文献[2]所述,地震折射波法只适用于地形坡度较小(小于等于15b)的地区。一般山区才修建隧道。如浙西山区,相对高差只有100~200m,但山坡坡度大多在25~35b间,一概套用折射波法勘探误差自然就大。
2)受震源制约明显。现在炸药管制严格,审批手续繁琐,且不说价格垄断,工作时间也往往受到;人工锤击激振,劳动强度实在太大,同事曾在沪昆线某隧道工程用24磅铁锤连续锤击160锤才完成一个远炮点的击发;其它非炸药震源虽都有在研究、试验,但实用性尚待改进。
3)工作成本较高,工程价格又低。一般一个地震组15~20人,一天光直接开支就需4000~ 5000元;而有时一天只能做2~3个排列,产值远不够抵成本。
4)炸药震源危险性大,对环境有破坏或伤害。金(华)温(州)铁路复线在丽水开发区一段约3km长的隧道线位,物探勘查就因为有关部门提出要15万元的赔偿金而作罢。
4.5地震折射波法的可替代性
1)方法的可替代性。在隧道勘查中,地震折射波法最重要的作用就是获取沿线、埋深100m 以浅的各岩土层的折射波速。瞬态瑞雷波法虽然只能测量埋深50m以浅的岩土体波速,但也能连续测量,且受地形影响小;声波速度测井虽然只能逐井测量,但能纵向探测井径周围约1m范围的地层速度,且精度比折射波法的高,只要钻孔布置合理,声波速度测井资料就有普遍性和代表性。瞬态瑞雷波法和声波速度测井法的组合,从方法技术上分析,其勘探效果远比地震折射波法的好,且成本低、风险小。
2)工程实践。长大深埋隧道由于里程长、埋深大、地质构造复杂等特点,地质勘察的难度是公认的,但是目前物探勘查都采用CSAMT法或EH4法结合声波速度测井[7,8,40~43],而弃用地震勘探。刘国辉等(2008)[4,37]曾用瞬态瑞雷波勘探技术对工程岩体质量进行评价,达到预期的效果。实践表明,采用声波速度测井法或瞬态瑞雷波法勘探可获得岩体波速,进而对岩体质量进行工程地质评价。
4.6隧道物探勘查的新模式
基于上述分析探讨,笔者提出在隧道(浅埋)勘查过程中,可选用高密度电阻率法、声波测井法和瞬态瑞雷波法的综合勘查方法进行隧道工程物探勘探。运用高密度电阻率法结合瞬态瑞雷波法,可分析判断断裂构造的位置和产状、岩溶或采空区等特殊地质现象;瞬态瑞雷波法结合高密度电阻率法,可分析探查覆盖层厚度,配合声波测井,可查明基岩垂向分带情况;声波测井法结合瞬态瑞雷波法,可分析计算岩体波速、划分围岩级别。冷冬灵(2009)在全国工程物探与岩土工程测试学术会议上已曾提出用高密度电阻率法和声波测井法进行隧道物探勘查的探讨。这里要注意二点:¹多金属矿化也会引起低阻异常,º测井资料受钻孔数量的制约。因此,必须重视地质调查,力求排除多金属矿化的异常,合理布置钻孔位置及数量。
5结语
在隧道勘探过程中,合理的运用高密度电法、折射波法、瞬态瑞雷波法、声波测井法勘查,可有效的查明隧址区第四系覆盖层厚度、基岩垂向分带情况,圈定断裂等构造破碎带的位置和产状,计算岩体波速、划分围岩级别,为隧址区的工程评价和合理选择提供科学依据。由于每种物探方法都有各自的特点和适用范围,因此,宜选用二种或二种以上的物探方法进行综合勘查,取长补短,相互验证;物探毕竟是间接勘探,必须重视场地地质条件,结合地质勘探和地表地质特征综合解释,进而提高勘查精度。
鉴于目前取得炸药震源的困难,结合笔者十几年的隧道工程第一线物探勘查的切身工作体
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工程地球物理学报(Chinese Journal o f Eng ineering Geophysics)第7卷
会,建议:
1)在隧道(浅埋)勘查中,采用高密度电阻率法、声波测井法和瞬态瑞雷波法的综合勘查方法进行隧道工程物探勘查。
2)在进、出洞口位置及上方30~50m处,各布置二条物探横测线;在洞口位置横测线做面波勘探,侧重于查明第四系厚度;洞口上方横测线做高密度电法勘探,侧重于查明断裂等构造破碎带发育情况;在隧道轴线上方相距40~60m位置全线各布置二条物探纵测线,且向洞口外延50m。
3)可用更轻便的高精度磁测和放射性测量勘查路途偏远处孤立的可疑断裂构造或岩性界面,以减少劳动强度和成本。
4)在初勘、详勘阶段或初测、定测阶段,可采用常规物探方法如高密度电阻率法勘查隧址区可能存在的岩溶或采空区等特殊地质条件;在施工阶段,对特定部位如桥基或桩基的岩溶或采空区勘探目前仍以钻探为主,可选用管波探测法[44]或Flash RE超高密度电法[45]或CT成像法[46]协助勘查。
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