袁 偉，朱永珠，幸大軍，鄒 維

(重慶市市政設(shè)計(jì)研究院，重慶 400020)

1 引 言

隨著現(xiàn)代隧道工程地質(zhì)勘察對(duì)勘探精度的要求越來(lái)越高，雖然傳統(tǒng)的地質(zhì)測(cè)繪和地質(zhì)調(diào)查、鉆探的方法可以獲得單一鉆孔位置的巖(土)體的風(fēng)化程度、巖土力學(xué)性質(zhì)等參數(shù)，但要獲得更詳細(xì)的隧道沿線(xiàn)的隧道圍巖級(jí)別劃分則需要更密集的鉆孔，大大增加了勘探成本。隨著綜合地球物理勘察技術(shù)的提高，音頻大地電磁法、高密度電法、綜合測(cè)井等工程物探方法可以獲得不同深度、不同尺度、不同參數(shù)的巖石物理性質(zhì)變化規(guī)律等，將這些地球物理參數(shù)結(jié)合鉆探巖心進(jìn)行標(biāo)定，可以獲得更加精確、更加寬廣區(qū)域的隧道沿線(xiàn)工程地質(zhì)性質(zhì)[1-3]。本文將結(jié)合音頻大地電磁法、綜合測(cè)井法和高密度電法的綜合地球物理勘察技術(shù)應(yīng)用到鐵山坪隧道工程地質(zhì)勘察中，獲得了較好的應(yīng)用效果。

2 工程概況

鐵山坪隧道作為渝長(zhǎng)高速?gòu)?fù)線(xiàn)的快速入城連接通道，屬于重慶市快速路網(wǎng)的重要組成部分。線(xiàn)路西起內(nèi)環(huán)快速路大佛寺南橋頭，向東經(jīng)彈子石、唐家沱、魚(yú)嘴片區(qū)，終點(diǎn)在果園港接渝長(zhǎng)高速?gòu)?fù)線(xiàn)，全長(zhǎng)22.83 km。

線(xiàn)路區(qū)位于重慶平行嶺谷地貌區(qū)，背斜成山，向斜成谷，山高谷深，嶺谷相間，地形由北北東向窄條狀山脈和丘陵谷地組成。隧道穿越的銅鑼山為狹窄的條狀低山，北北東向20°方向延伸，與地質(zhì)構(gòu)造線(xiàn)方向一致，海拔高程一般為220～640 m。銅鑼山在線(xiàn)路南側(cè)1～5 km一線(xiàn)被長(zhǎng)江切割形成峽谷(銅鑼?shí){)，往北東方向連綿起伏,一直延伸至四川盆地邊緣，長(zhǎng)達(dá)190 km。山脈兩側(cè)地勢(shì)陡峻，多形成陡坡，山脊高程為400～500 m。兩端丘陵谷地則相對(duì)低緩，高程為200～300 m。

鐵山坪復(fù)線(xiàn)隧道段，隧道穿越銅鑼山，山體寬厚，北高南低，兩側(cè)山坡陡峻，切割強(qiáng)烈，山頂平緩地帶寬達(dá)1 km，起伏平緩。隧道段山頂最高點(diǎn)高程為577 m，一般標(biāo)高在500 m以上，地形坡度5°～15°。隧道最大埋深約321 m。兩側(cè)山坡坡度30°～60°，坡腳部分地形較緩，橫向沖溝發(fā)育，山體植被茂密，松柏成林，屬于鐵山坪森林公園。

線(xiàn)路區(qū)地層主要為一套內(nèi)陸河湖相碎屑沉積巖。鐵山坪復(fù)線(xiàn)隧道洞身段出露地層為三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj)地層，洞口段為侏羅系中下統(tǒng)自流井組(J2zl)、中統(tǒng)新田溝組(J2x)地層。唐桂隧道、石馬崗隧道段出露地層為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)、下沙溪廟組(J2xs)地層。海爾路出入口段、望江出入口段出露地層主要為侏羅系下沙溪廟組(J2xs)地層、中統(tǒng)新田溝組(J2x)地層。第四系松散堆積層處各洞口有較集中分布外，在銅鑼山山體兩側(cè)陡坡段也有部分分布。

3 地球物理物性特征

巖石的地球物理特征是開(kāi)展各種資料解釋的前提，物性資料成果是地球物理勘探成果向地質(zhì)成果轉(zhuǎn)換的橋梁與紐帶，只有掌握客觀、豐富的物性資料，才能對(duì)物探資料作出較為準(zhǔn)確的解釋?zhuān)瑥亩@得有意義的地質(zhì)成果[4-6]。

影響地質(zhì)體電阻率大小的主要因素有地質(zhì)體的礦物成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及含水情況等[7]。本次工作主要是根據(jù)測(cè)線(xiàn)地球物理反演結(jié)果，并結(jié)合地質(zhì)資料、測(cè)井及鉆探資料統(tǒng)計(jì)分析，得出了各地層所對(duì)應(yīng)的電阻率值。本文根據(jù)綜合測(cè)井結(jié)果和地面物性測(cè)試，得到的本區(qū)巖石物性特征見(jiàn)表1。

綜合上述三個(gè)測(cè)區(qū)主要巖層的三個(gè)主要物性參數(shù)，可以建立地電模型，作為做資料處理與地質(zhì)解釋的重要科學(xué)依據(jù)。

根據(jù)表1的巖石物性參數(shù)特征可知：砂巖的電阻率、聲波速度的平均值比泥巖高，自然伽馬平均值比泥巖、砂巖低；泥巖的電阻率、聲波速度、均低于砂巖和頁(yè)巖，自然伽馬的平均值處于中等；頁(yè)巖的電阻率、聲波速度的平均值處于中等，而自然伽馬平均值最高。因此可以根據(jù)這些物性的差異在大地電磁反演視電阻率剖面和綜合測(cè)井曲線(xiàn)中劃分砂巖和泥巖頁(yè)巖的分布界面。

表1 主要巖性物性特征

4 綜合地球物理勘察成果

4.1 音頻大地電磁測(cè)量結(jié)果

根據(jù)音頻大地電磁測(cè)量原理，其每個(gè)測(cè)點(diǎn)可以得到TE和TM兩種模式的數(shù)據(jù)，根據(jù)前人對(duì)大地電磁測(cè)深的二維反演模式的研究，兩種模式有不同的高低阻異常體和縱橫向分辨率[4-6]，根據(jù)本區(qū)測(cè)量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用TE和TM聯(lián)合反演模式計(jì)算測(cè)線(xiàn)電阻率剖面，以更好地得到地下電性結(jié)構(gòu)剖面[7，8]。

圖1為本隧道軸線(xiàn)正上方音頻大地電磁反演電性結(jié)構(gòu)剖面，圖中縱坐標(biāo)為海拔高程(單位km)，橫坐標(biāo)分別為物探測(cè)距(單位km)和隧道里程(單位km)，色標(biāo)為反演的視電阻率(單位Ω·m)，圖中藍(lán)色、綠色色標(biāo)代表低電阻區(qū)，然后經(jīng)黃色到紅色、紫紅色過(guò)渡到高電阻區(qū)。

結(jié)合隧道鉆探地質(zhì)剖面圖(圖2)，本區(qū)大地電磁測(cè)量結(jié)果可以反映三個(gè)方面的問(wèn)題：

4.1.1 巖性分界

測(cè)線(xiàn)進(jìn)出口地表出現(xiàn)的藍(lán)色、綠色緩傾低阻異常帶與鉆探地質(zhì)剖面反映的泥巖分布帶基本一致；低阻帶以下黃色、紅色高阻區(qū)與砂巖對(duì)應(yīng)也比較好。高低阻數(shù)值上物性統(tǒng)計(jì)結(jié)果也具有對(duì)應(yīng)性，這反映出大地電磁法用于區(qū)分本區(qū)砂巖和泥巖的分界面具有較好的效果。

4.1.2 對(duì)破碎帶的探測(cè)

測(cè)區(qū)大地電磁反演的視電阻率斷面在里程9.4 km和10 km左右出現(xiàn)兩條明顯的低阻異常條帶，分別對(duì)比該區(qū)域的CTS13孔和CTS15孔的鉆探巖心(圖3、圖4)，可以發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)鉆孔的巖心都出現(xiàn)了不同程度或者斷斷續(xù)續(xù)的破碎現(xiàn)象。該測(cè)區(qū)總體出現(xiàn)破碎巖心對(duì)應(yīng)低阻區(qū)的規(guī)律，因篇幅所限，這里不一一列出。該測(cè)區(qū)大地電磁法對(duì)砂、泥巖的破碎狀態(tài)具有較好的探測(cè)能力，這對(duì)隧道圍巖等級(jí)的評(píng)價(jià)和后期隧道施工突水區(qū)的提前預(yù)判具有重要意義。

圖3 CTS13孔鉆探巖芯Fig.3 CTS13 borehole core

圖4 CTS15孔鉆探巖芯Fig.4 CTS15 borehole core

4.1.3 對(duì)斷層帶的探測(cè)

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)圖和鉆探地質(zhì)剖面圖可知，測(cè)線(xiàn)在里程10.8 km左右出現(xiàn)高坎子壓扭性逆沖斷層，斷層走向N10°～30°E，傾向NW，傾角55°～75°，長(zhǎng)10 km，斷距約70～250 m，如圖5所示。對(duì)應(yīng)大地電磁反演結(jié)果剖面的相應(yīng)位置可以發(fā)現(xiàn)，該大地電磁反演的視電阻率剖面并沒(méi)有在斷層位置出現(xiàn)高阻或低阻異常條帶，此位置的視電阻率斷面的高低阻界面更好地反映的是砂、泥巖的分界位置。造成此結(jié)果的原因可能有兩方面：一是此斷層為壓扭性斷層，斷層內(nèi)裂隙不發(fā)育，因而其區(qū)內(nèi)含水率并不高，造成其電性差異不大；二是此斷層下部正好為砂、泥巖的分界面，砂、泥巖的電性差異掩蓋了斷層的電性差異。

圖5 高坎子斷層地質(zhì)剖面Fig.5 Geological profile of the Gaokanzi fault

圖6 CTS9孔綜合測(cè)井成果Fig.6 Comprehensive logging results map of CTS9

4.2 綜合測(cè)井技術(shù)對(duì)鉆孔柱狀圖的校正

本次采用綜合測(cè)井技術(shù)對(duì)隧道進(jìn)行探測(cè)，包含視電阻率、自然伽瑪、聲波波速、電阻率擴(kuò)散、井溫測(cè)井等方法。具體工作內(nèi)容如下：利用巖物性參數(shù)劃分地層剖面，確定軟弱夾層厚度；劃分破碎帶、裂隙發(fā)育帶；了解孔內(nèi)地溫及自然放射性變化情況并評(píng)價(jià)其對(duì)施工運(yùn)營(yíng)的影響；了解孔斜及鉆孔空間位置的變化情況；對(duì)隧道圍巖進(jìn)行彈性波分級(jí)等工作[9-15]。

根據(jù)本次測(cè)井的目的要求，將預(yù)處理后的物性參數(shù)曲線(xiàn)圖作為基本圖件，與鉆探剖面進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)該鉆孔進(jìn)行定性綜合分析。

圖6為CTS9號(hào)孔綜合物探測(cè)井成果圖。由圖6可知，本測(cè)區(qū)綜合測(cè)井揭露結(jié)果與鉆探結(jié)果基本一致，但在CTS9號(hào)鉆孔綜合測(cè)井結(jié)果與鉆探巖心柱狀圖在揭露一段含炭質(zhì)頁(yè)巖位置的地方出現(xiàn)了一定的深度偏差，鉆探揭露的含炭質(zhì)頁(yè)巖在深度173～198 m范圍內(nèi)，而綜合測(cè)井根據(jù)自然伽馬和自然電位曲線(xiàn)圖揭露的含炭質(zhì)頁(yè)巖在深度162～182 m范圍內(nèi)。針對(duì)此差異結(jié)果，物探人員與地質(zhì)鉆探人員后期對(duì)鉆孔重新進(jìn)行檢測(cè)描述，經(jīng)討論，后期以綜合測(cè)井確定的含炭質(zhì)頁(yè)巖深度為準(zhǔn)。

4.3 高密度電法與綜合測(cè)井對(duì)斷層的探測(cè)能力

為查明高坎子斷層的具體位置和規(guī)模，在其位置布置了一條高密度電法測(cè)線(xiàn)，測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)300 m，點(diǎn)距5 m，采用溫納排列進(jìn)行測(cè)試，測(cè)線(xiàn)中間位置對(duì)應(yīng)斷層的出露位置。并在斷層位置的已完成鉆孔進(jìn)行綜合測(cè)井測(cè)試，測(cè)試結(jié)果以高密度電法反演剖面為背景，并在斷面中間鉆孔位置附上鉆孔柱狀圖和綜合測(cè)試結(jié)果的波速和自然伽馬曲線(xiàn)，如圖7所示。圖中縱坐標(biāo)為海拔高程(單位m)，橫坐標(biāo)為測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度(單位m)，色標(biāo)為反演的視電阻率(單位Ω·m)，圖中藍(lán)色、綠色色標(biāo)代表低電阻區(qū)，然后經(jīng)黃色到紅色、紫紅色過(guò)渡到高電阻區(qū)。

分析圖7可以發(fā)現(xiàn)，高密度電法反演剖面從上到下大致可分為三個(gè)巖性段，淺部0～5 m為紅色高電阻率區(qū)，電阻率大于150 Ω·m，這與淺部為干燥的碎石、粉質(zhì)黏土相符。中部為藍(lán)色、綠色低阻區(qū)，并且在測(cè)線(xiàn)前部低阻范圍加深，電阻率小于150 Ω·m,推測(cè)此段巖體較破碎，含水率較高。底部為紅色、紫色高電阻率區(qū)，電阻率大于200 Ω·m，推測(cè)此區(qū)域巖體較完整。斷層帶內(nèi)高阻與低間隔出現(xiàn)，說(shuō)明斷層帶完整性差別大，含水量差距大，巖體均勻性差。電阻率剖面反應(yīng)的低阻趨勢(shì)與斷層走向基本一致。對(duì)比綜合測(cè)井的自然伽馬曲線(xiàn)可知，曲線(xiàn)在泥巖段自然伽馬值明顯升高，在砂巖段自然伽馬值相對(duì)較低，這與上文中的物性統(tǒng)計(jì)結(jié)果相符。且高自然伽馬值正好對(duì)應(yīng)高密度電法的低阻藍(lán)色、綠色泥巖區(qū)域，低自然伽馬值正好對(duì)應(yīng)高密度電法的黃色、紅色高阻區(qū)?？梢?jiàn)，高密度電法和綜合測(cè)井的自然伽馬曲線(xiàn)都可以很好地探測(cè)砂、泥巖分界面，且可以相互印證。

圖7 高密度電法反演的視電阻率剖面Fig.7 Apparent resistivity profile inversion by high density resistivity method

4.4 綜合測(cè)井溫度參數(shù)的應(yīng)用

對(duì)本隧道鉆孔的綜合測(cè)井的溫度參數(shù)進(jìn)行分析提取可知，該隧道沿線(xiàn)存在高地溫梯度和高地溫異常[16-20]。如圖(8)所示，圖中縱坐標(biāo)為海拔高程(單位km)，橫坐標(biāo)為隧道里程(單位km)，色標(biāo)為綜合測(cè)井所得的地溫(單位℃)，圖中藍(lán)色、綠色色標(biāo)代表低地溫區(qū)，然后經(jīng)黃色到紅色、紫紅色過(guò)渡到高地溫區(qū)隧道圍巖段井溫為15.60～27.1 ℃，地溫梯度最高22°/100 m>正常地溫梯度1.5°/100 m，屬地溫偏高區(qū)，通過(guò)地溫分布圖可知，K9+000～K9+300以及K9+900～K10+100段地溫皆達(dá)到26 ℃以上，超過(guò)正常隧道施工地溫。此揭露的高地溫異?？勺尯笃谒淼朗┕r(shí)提前做好應(yīng)對(duì)高地溫施工的措施。

圖8 隧道溫度變化剖面Fig.8 Tunnel temperature change profile

5 結(jié) 論

1)音頻大地電磁法對(duì)該隧道的巖體破碎帶和砂、泥巖分界面的探測(cè)具有較好的應(yīng)用效果，對(duì)橫向分布較窄的壓扭性斷層探測(cè)效果不佳。

2)高密度電法對(duì)淺部電性結(jié)構(gòu)具有較好的探測(cè)分辨率，且若將其反演的視電阻率剖面結(jié)合鉆孔測(cè)井的波速、自然伽馬等參數(shù)，可多方面驗(yàn)證探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3)隧道勘察應(yīng)注重綜合測(cè)井技術(shù)的綜合分析，將其分析得到的較準(zhǔn)確的巖性分界面、破碎區(qū)域、水文參數(shù)、鉆孔的柱狀參數(shù)等，與音頻大地電磁和高密度電法的剖面視電阻率參數(shù)相結(jié)合，可驗(yàn)證剖面視電阻率反演結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且可將驗(yàn)證的剖面視電阻率反演結(jié)果推廣到?jīng)]有地質(zhì)鉆孔的區(qū)域，這有助于提高對(duì)隧道部位的工程地質(zhì)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

4)本次研究根據(jù)綜合測(cè)井技術(shù)在該區(qū)獲得的溫度參數(shù)發(fā)現(xiàn)了地溫異常，可以幫助后期隧道施工時(shí)進(jìn)行提前部署，應(yīng)對(duì)高地溫施工問(wèn)題。