刘 猛

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

在高速铁路建设过程中，隧道工程往往面临多种复杂地质问题，成为建设工期及工程安全的制约因素。隧道工程的勘探方式主要有钻探、物探等，钻探作为传统的勘探方式，其主要优点是可以直观反映探测目标地质体的物理力学性质。然而钻探也有较明显的缺点，钻探揭示的地质体情况是一个个孤立的点，点与点之间的地质体情况往往基于地质规律和经验的推断，有较大不确定性，并且由于钻探的成本比较昂贵，采取增加钻探孔来提高勘探精确度一般难以实现[1]。相较于钻探这种直接勘探方法，物探属于间接勘探方法，其从宏观层面探测目标地质体的整体情况，可以弥补钻探过程中一孔之见的局限[2]。物探方法具有勘测周期短、准确率高、勘察范围大等特点[3]，在各类工程中的使用十分普遍，在某些特定的作业环境复杂、钻探难以施工的领域，发挥着主导的作用。但是由于物探作为一种间接勘探方式，难以验证和确认目标地质体存在的异常情况。

由于钻探和物探本身均具有局限性，如果只采用其中一种勘测方式，往往结果比较片面，难以全面反映出隧道工程复杂的地质条件。为此，部分学者开展相关方法的研究，刘伟等通过钻探与音频大地电磁法研究了云桂线富宁隧道的地质问题[4]，关蕾蕾等采用综合勘察方法对乌东德K25岩溶形成发育地质机理进行研究[5]。在前人研究的基础上，以具有复杂地质问题的鄂西山区某高速铁路隧道工程为例，对采用钻探和两种不同的物探方式(音频大地电磁法、高密度电法)的综合勘探方式开展研究。

2 自然条件

2.1 地形地貌

隧道工程位于鄂西山区边缘，地表主要为低山或坡度平缓的高阶地，植被发育。地势主要由西北倾斜向东南，地面高程为80～400 m，高差为50～240 m，坡度一般为5°～30°，局部可达45°～60°。

2.2 地层岩性

隧址区内，地表为第四系坡残积可塑至硬塑粉质黏土、含砾黏性土层，以及中密至密实卵砾土层，分布于山麓和山间沟谷地带，厚0～10 m。下伏基岩层主要为白垩系上统钙质胶结的砾岩，以及泥质胶结的粉砂岩，局部风化层厚度可达30 m。

2.3 地质构造

隧址区所处地质环境十分复杂，地质构造上属于新华夏系一级构造的第三隆起带南段和淮阳山字形构造体系的复合部位，南临第二坳陷带江汉盆地[6]。震旦纪以前，岩浆活动十分剧烈，由此产生多类喷出岩，同时伴随产生多种变质岩类。从震旦纪至三叠纪，由于海水不断侵入，期间不同时代的岩性主要以浅海相沉积为主。晚期三叠纪的燕山运动，区内形成内陆盆地，同时产生侏罗纪、白垩纪和第三纪的陆相沉积[7]。该隧道工程位于杨子准地台的鄂中褶断区，并且临近于远安地堑，隧址区主要发育通城河断裂，由多条北北西向断裂构成，北起保康后坪，南至玉泉寺(消失于白垩系厚层沉积岩地层)，长120 km，走向为345°，倾角约为70°，自形成断裂以来发生早第四纪运动，在N2～Q2均有活动，主要活动期为Q1～Q2。

2.4 气象特征

隧址区位于中亚热带与北亚热带的过渡地带，四季分明，雨热同期，寒旱同季的气候特征，属于亚热带季风性湿润气候，2月至4月多为阴雨天，5月至9月天气炎热，常年温度高，日夜温差小，极端气温变幅不大，无霜期长，多年平均降水量949～1 213.6 mm。其多年平均气温为16.1～17.6 ℃，最高气温为43.1 ℃，最低气温为-15.6 ℃。区内主导风向为东南风和西北风，最大风速为34 m/s，区内最大积雪厚度为12～20 cm。

2.5 水文地质条件

隧址区地下水的埋藏形式及其赋存情况主要受区域气候、地势类型、基岩裂隙发育程度及断层等综合作用，地下水埋深16～37 m，隧址区砾岩多为钙质胶结，局部发育小型溶蚀裂隙及溶腔，泥质胶结粉砂岩为相对隔水层，地下水的类型主要为上层滞水、岩层裂隙水以及岩溶水。上层滞水以大气降雨补给为主，水位随季节性变化比较明显，多联通于地表水系。岩层裂隙水主要分布于节理、裂隙较多的基岩中，富水性较弱，一般地带水量不大，但在断层破碎带、向斜槽谷、两种不同地层不整合接触带附近水量丰富，富水性相对较好。岩溶水主要分布在钙质胶结的砾岩中，由于溶蚀裂隙及溶腔规模不大，岩溶水发育程度一般。

2.6 不良地质

受地层岩性、地质构造、差异风化、地形及水动力条件的控制和人为活动影响，隧址区重力不良地质较为发育，主要有滑坡，崩塌，危岩落石等。区域内钙质胶结的砾岩，部分存在有溶蚀裂隙及溶腔。

3 隧道物探

物探主要以通过观测和探究不同地球物理场的变化从而揭示目标地质体异常情况的一种较普遍运用的勘察手段[8]。

音频大地电磁法的工作原理是通过采用宇宙中发射到大地上的自然电磁性信号作为引发源[9]，通过相关计算可以探测大地表层千米以内的地质剖面的电性信号差异[10]。音频大地电磁法可以应用于地下水分析、监测环境与矿产探查、地热勘察及工程地质勘察等[11-12]。该种物探方式具有抗外部因素干扰力强、解译准确率高、成像清晰度好、探测深度较深等优点[13]。

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高密度电法的工作原理主要是利用目标地质体与其周边地质体不同的电性特征为根本，创设稳定的人工电场，通过提前设立的多道电极，采取事先安设布列式样开展扫描及观测，获得目标地质体的电阻率分布规律，分析和探查相应的工程地质问题[14-15]。通过获得的目标地质体视电阻率信息，开展反演分析、解译，从而可得到目标地质体电阻率信息的空间展布情况，进而推测不同地质体赋存位置，具有对地质构造分辨率高的优点[16]。

根据该隧道的结构埋深、地形地貌及岩性等特点，通过采取音频大地电磁法及高密度电法两种不同的勘察方式布置物探剖面，音频大地电磁法实际测点布设距离为25 m，高密度电法实际测点布设距离为10 m。目的如下：①探测岩性界线、构造(断层、破碎带)位置、宽度、产状及延伸等；②查明表层第四系土层厚度、基岩风化深度和不良地质体的分布情况；③探测岩溶发育带、洞穴等位置特征情况；④探测地下水发育情况及富水带等；⑤提供各地层电阻率值。

3.1 音频大地电磁法

根据物探测试及实际地质勘探情况，得出物性及地质剖面结果(如图1及图2所示)，并对该剖面的物探解释进行详细描述。

图1 音频大地电磁法物探成果剖面

图2 音频大地电磁法物性地质剖面

(1)隧道覆盖层浅，局部地表基岩出露，下伏基岩为白垩系上统红花套组泥质粉砂岩及白垩系上统罗镜滩组砾岩，完整砾岩电阻率为120～630 Ω·m。

(2)DK168+070左右两边电阻率差异明显，结合已知区域地质资料推测此处为粉砂岩与砾岩分界面且为断层所在位置，左边岩体电阻率为24～220 Ω·m，推断是浅表层第四系砾石土层、风化岩层，岩体破碎、潮湿，右边电阻率值为220～630 Ω·m，推断为完整砾岩。

(3)DK168+320～DK168+420段浅表部电阻率为46～120 Ω·m，根据调绘、区域资料得知此段测区岩性为砾岩，推断此段砾岩胶结差，构造节理裂隙多，岩体质量比较差，破碎含水。

3.2 高密度电法

图3 高密度电法物探成果剖面

图4 高密度电法物性地质剖面

(1)DK168+070左右两边电阻率有较明显的区别，结合已知区域地质资料，推断此处为粉砂岩与砾岩的分界且为断层所在，左边地质岩体的电阻率值处于83～320 Ω·m，推测为浅表层第四系砾石土层、风化岩层、岩体较破碎、且潮湿，右边地质岩体的电阻率值处于320～1 000 Ω·m，据此推测为完整砾岩。

(2)DK168+300～+450左右地表部存在一相对低阻区域，电阻率值为34～420 Ω·m，结合调绘、区域资料，推断此段砾岩胶结差，构造节理裂隙多，岩体质量差，破碎含水。

4 隧道钻探

为了查明该铁路隧道的地质情况，同时验证物探解译情况，在隧道物探异常区、地层分界线及构造等隧道洞身处布置钻探孔(如图5所示)，钻探孔ZK-1(DK168+056)勘探揭露的地层岩性为泥质胶结粉砂岩及钙质胶结砾岩，风化岩面埋深1.8 m；钻探孔ZK-2(DK168+085)勘探揭露的地层岩性是白垩系上统罗镜滩组砾岩，风化岩面埋深1.7 m；钻探孔ZK-3(DK168+352)勘探揭露的地层岩性是白垩系上统罗镜滩组砾岩，风化岩面埋深1.9 m。钻探过程中于钻探孔ZK-1处勘探揭露泥质粉砂岩与砾岩接触带，岩体破碎；于钻探孔ZK-2处勘探揭露断层泥，且砾岩岩体破碎，推测为通城河断裂破碎带；钻探孔ZK-3勘探揭露两处小型溶洞(洞高1.5～2.5 m)，且砾岩岩体破碎。

图5 工程地质剖面

5 钻探与物探对比分析

对采用两种物探形式所勘测出的异常位置的解译进行分析，从图1和图3可以得知，隧道里程DK168+070两侧的电阻率差异明显，左边岩体电阻率值相对较低，推测为第四系覆盖层、风化层、岩体破碎，右边地质岩体电阻率值较高，推断为完整的钙质胶结砾岩；DK168+320～DK168+420左右浅表部地质岩体电阻率值相对较低，推断为砾岩破碎带，构造节理裂隙多，岩体质量差，含水。根据钻探勘探揭露岩性、断层及溶洞的结果，与物探解译地质异常带推测一致性较高，且与区域地质资料相吻合。

6 结论

(1)在铁路隧道勘察过程中，运用不同物探勘测方式，可以较形象得出目标地质体的电性展布情况以及结构特性。可划分地层岩性、断层分布情况、圈定破碎富水带以及岩溶发育带等异常地质体，较准确划分隧道围岩等级，指导工程建设。

(2)如果勘测过程中受到周边复杂环境干扰，不同物探勘测方式探测出的异常地质体情况可能会不同，通过多种物探勘测方式进行综合分析，可以提升物探成果的准确率。

(3)音频大地电磁法、高密度电法科对隧址区钙质胶结砾岩区岩溶发育情况及断层破碎带分布进行针对性勘察；通过钻探与物探的相互验证，可以较好查清隧址区的地质条件。