物探在隧道工程勘察中的应用

第1期福建地质GeologyofFujian29物探在隧道工程勘察中的应用林厚龙(福建省物探工程勘察院，福州，350011)摘要简要介绍在复杂的地质地形条件下，隧道工程建设中物探勘察方法的选择及浅层地震、电法、声波测井等物探方法的应用和注意事项。为今后隧道工程建设中的物探勘察应用提供参考。关键词浅层地震电法声波测井隧道工程近10年来，物探因轻便、快速、经济等特点，在福建省高速公路和高速铁路长大隧道、大型桥梁等复杂工程场址的勘察中得到广泛应用。作者通过工程实例，阐述在隧道工程建设中，根据不同的地质特征及设计要求，合理选择不同的物探勘察方法，解决相应的工程地质问题。1物探勘察方法选择隧道工程勘察除了工程地质测绘、钻探外，物探勘察的目的主要为探明隧道进、出口地段的基岩面起伏情况，构造破碎带分布及其产状和查明隧道洞身构造破碎带分布及其产状、不同岩性接触带及倾向、隧道围岩完整性等。针对这些技术要求，查明隧道轴线的基岩面起伏及构造破碎带特征，应选择可以解决基岩面深度及基岩波速变化情况的浅层地震折射法勘察，推测是否存在构造破碎带；查明构造破碎带的产状、不同岩性接触带及其倾向，应选择高密度电法勘察，分析视电阻率剖面的异常，推断构造破碎带、岩性接触带的产状；钻孔声波测井是隧道围岩完整性评价最直接、有效的方法，而且分辨率较高。2方法技术及工程实例2．1浅层地震折射浅层地震折射法在隧道勘察中通常用于基岩面埋藏深度及基岩低速带探测。其方法是通过地面人工激发地震波在地下介质传播过程中，遇到不同波阻抗介质的分界面时，产生一定能量的折射波并沿该界面传播后返回地面，经埋置在地面的检波器接收后输入地震仪，地震仪对采集到的信号放大和采样后形成地震记录。通过基岩面折射波初至时间分析，经过同一界面相遇时距曲线的连接，计算同一界面的e曲线和t。曲线，得出基岩顶面的埋藏深度和收稿日期：2009—04—14作者简介：林厚龙(1964一)。男。高级工程师，物探专业。 30福建地质GeologyofFujian第29卷基岩面速度(y2)。目前常用的24道地震仪，工作中有几个问题值得引起注意。(1)探测基岩面埋藏大于50m，由于地震折射波盲区距离为勘探深度的1．5～2倍[1]。因此，应采用大于5m的检波点距或采取多排列联合解释，避免单个排列端点炮地震记录无法确定基岩面折射波拐点问题。(2)隧道洞身地段地面标高较大，洞身位于基岩中，可以直接利用远偏移距追逐炮地震记录，进行相遇计算得出e曲线，求得基岩面速度(V：)值。(3)地震折射法勘察发现低速带时，应在相应测线旁侧补充一条地震剖面，以确定低速带走向。(4)追逐炮偏移距必须大于基岩折射波盲区，确保追逐炮地震记录全部得到基岩面的折射波初至信息，避免由于偏移距不足造成地震波低速带假象。工作中通常根据端点炮基岩面折射波拐点确定盲区距离，或采用不同偏移距追逐炮，以满足得到全部基岩面的折射波初至为止。(5)探测基岩地震波低速带时，无法确定低速带的倾向，要结合电法勘探确定其产状。图1为某铁路隧道浅层地震折射勘察结果，可看出里程DK33+475～DK33+500存在地震波低速带，V。一2612m／s，推测为断层破碎带。确-●●gOl,冠蛳lI：lm魄瞅咖Il曩-舳比瞅羹l：峨■l：瑚Tl喝B卜w7驯●：一您吨，O自“：∞I撕；舶鼬l-埘一一一-一一一一一-一，<√一一三一、，r一一>一：～L，一一一一歹再＼一一一／II’_l一一一一一>一、～／＼／-，／1吣、一／、遵＼u{，∥／、～I-‘¨i二i二i二#i●---·ol鄹_毫ii；；；i：i：i；；；；j；；ij；；；；I--叠孽零棼I事r■I丑·营孝枣毒辜《l·曲嚏㈣椭IN)2I—II蜀}●鬟IⅣItI图1某铁路隧道浅层地震折射勘察结果图Fig．1Diagramshowingthesurveyingresultsofshallowseismicrefractioninarailwaytunnel2．2高密度电法高密度电法在隧道勘察中一般用于破碎带倾向和不同岩性接触带探测。+其方法是通过一对供电极对地供电，利用一对观测电极沿剖面逐层、逐点对电位、电流等地电参数进行测量，由电法仪器记录存储各地电参数，并计算各测点的视电阻率值。借助分析软件对视电阻率剖面进行处理，得出地下电性层的空间分布特征，结合地质资料进行综合分析视电阻率剖燃蛾触冁燃撇嗍懈溅冁燃燃因囡曰豳团团 第1期林厚龙：物探在隧道T程勘察中的应用31面的异常，解释推断勘探区地层是否存在构造破碎带、空洞、软弱夹层等不良地质体。高密度电法数据采集，常用二极法或温纳装置。二者区别在于二极法装置测深点数较多，勘探深度较大。现场施工需要2个无穷远极，施工难度相对较大；温纳装置不需要无穷远极，施工难度相对较小，但测深点数较少，勘探深度也小。根据近年公路、铁路隧道工程对高密度电法勘察的技术要求，在工作中应注意几个问题。(1)对隧道洞身埋藏小于200rn地段，高密度电法采用5ITI电极间距，隧道洞身埋藏大于200m地段，采用10ITI电极间距。(2)高密度电法排列采用60根电极，进行连续断面勘察时，相邻两个排列应重复30道观测。(3)采用温纳装置测量时，应尽量采用正负交替供电方式。若采用单一供电方式，应采用仪器允许的最长供电、采集时间。(4)使用的电极应采用极化率较小的同一种材料电极。(5)勘察发现存在破碎带或不同岩性接触带时，应在相应测线旁侧补充一条勘察剖面，以确定其走向。图2为某铁路隧道高密度电法勘察结果，可以看出DKl0+380处存在一条明显的电性差异界线，其产状倾向小里程方向，推测为不同岩性分界线。稍∞J啪．100．两．O．1矗号二二二，二二二。二二主兰舀玉妄妄刍妄妄舞品妄羁舀高鼹蠢岛霸囝宴刍舀南刍茹舞南南高未未舀未i每霉毒i卑击妄舀玉釜磊未黯舀玉未ll里鞋蜜枣皋枣事幸辜枣l图2某铁路隧道高密度电法勘察结果图Fig．2Diagramshowingthesurveyingresultsofthehighdensityelectricalmethodinarailwaytunnel2．3声波测井声波测井在隧道勘察中一般用于洞身围岩完整性测量，也可用于孔内岩体破碎情况测 32福建地质GeologyofFuiian第29卷量。其方法是将一个受控声波震源放入井中。声源发出的声波沿井甓与井液界面滑行，这个滑行波被井下接收器接收，送到地面声波仪记录下来。声波测井根据激发和接收探头的不同可分为单发双收和双发双收(也称补偿声波测井)。日lj{『国内常用单发双收声波仪器，探头的激发和接收换能器采用压电陶瓷。声波测井岩体波速计算公式为：Vpm—L／(f2mtl)[21式中：V。。为岩体纵波速度；L为两接收换能器之间的距离；t。为声波由发射换能器至第一个接收换能器的旅行时间；t：为声波由发射换能器至第二个接收换能器的旅行时间。用于计算隧道围岩完整性系数(K可)值时，必须进行岩(芯)石波速(Vr，)测试，其计算公式：Kv=(VPnl／vPr)2。式中：Kv为围岩完整性系数；V。为岩体波速；V。，为岩芯波速。围岩完整性系数值与岩体完整性程度的对应关系表1L3J。声波测井应注意的几个问题。表1围岩完整性系数与岩体完整性程度的对应关系Table1CorrespondingrelationsoftheintegritycoefficientofcountryrocksandtheintegritydegreeofrockmassesK">0．750．75～0．550．55～0．350．35～0．15<0．15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎(1)声波测井钻孔必须无金属套管，且有井液作为耦合介质。(2)测井前，钻孔必须进行洗孔，避免泥浆浓度过大影响声波测井效果。(3)隧道洞身钻孑L声波测井一般只针对基岩部分，松散地层可不做测量。(4)岩石波速测量应取同一个隧道完整岩芯样进行试样切割加工。(5)计算围岩完整性系数时，岩芯波速值应采用几组岩芯波速的最大值，以确保围岩完整性系数的可靠性。图3为某高速公路隧道钻孑L169．8～213．5m深度的声波测井结果，可明显看出在孔深190．5～196．0m花岗岩体存在厚为5．5m的破碎带，岩体波速为3．61km／s，围岩完整性系数值为0．39，岩体完整度为较破碎。如猷1,200老悻艄兜触声寰量琏t蔓雌鼢t黻柚(km／s)t眷鼋哼234567(‰／8)蕾l∞．1{5．385．750．87燃秽f-—一190．{?3．6l5．750．39麓纠椭、5．285．750．84宠●l∞．I∥21&{图3声波测井结果图Fig．3Sonicloggingresults 第1期林厚龙：物探在隧道工程勘察中的应用333结论工程物探方法技术较多，其应用领域越来越广，综上所述3种物探方法，在隧道工程中的应用已取得较好的勘察效果，但在实际工作中不论哪种物探方法都有其一定的局限性和应用地球物理条件，要根据不同地质特征和勘察任务要求，采用不同的物探方法，才能充分发挥工程物探轻便、快速、经济等优点。参考文献1董敏煜．地震勘探．北京：中国石油大学出版社．2000．2城市工程地球物理探测规范(CJJ7—2007)．北京：中国建筑工业出版社。2007．3公路隧道设计规范(JTGD70一2004)．北京：人民交通出版社，2004．ApplicationoftheEngineeringGeophysicalProspectingontheTunnelingConstructionLinHoulong(FujianInstituteofEngineeringGeophysicalProspecting，Fuzhou，350011)AbstractThepaperintroducestheselectionofgeophysicalreconnaissancemethods，theapplicationofgeophysicalmethodssuchastheshallowearthquakemethod，theelectricalmethodandthesonicloggingmethodandsomecautionnotesinthetunnelingconstructionofthecomplicatedgeologicandorographicconditions，whichcanprovidewithsomereferencesforthegeophysicalreconnaissanceinthetunnelingconstructionforthefuture．Keywordsshallowearthquake，electricalmethod，soniclogging，tunnelconstruction