《武汉工程大学学报》  2020年05期 546-551   出版日期：2021-01-29   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

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岩溶区特大断面小净距隧道群综合探测成果分析


特大断面隧道的建设，在隧道的开挖技术［1-2］及施工方法［3-4］、力学行为［5-6］、隧道衬砌结构［7］、隧道的断面形式［8］、初期支护结构模式［9］、支护参数等方面出现了新的、更高的要求。浅覆土条件下小净距平面［10］与立体交叉特大断面［11］暗挖隧道群结构形式复杂，做好该类隧道勘察工作，对指导隧道设计施工尤为重要。高密度电阻率法［12］是一种重要的工程物探方法，是集电探测和剖面法于一体的一种多装置、多极距的组合方法。其基本原理［13］是以地质体的电性差异为基础，通过观测和研究与这些差异有关的电场或电磁场在空间和时间上的分布特点和变化规律来查明地下地质构造的地球物理方法，并广泛运用于地下水的分布特征［14］、含水构造［15］、采空区探测［16-17］等方面。本文应用高密度电阻率法、工程地质调查等定量与定性的综合分析方法，开展小净距与特大断面等复杂岩溶环境下隧道群物探勘察的研究。1　研究区地质概况及地球物理特征1.1　研究区地质概况研究区处贵州高原中部，地表形态主要受溶蚀构造作用的影响，地貌类型主要为缓丘谷地，地形起伏和缓，丘体圆滑，谷地较宽阔。地处扬子准地台黔北台隆遵义断拱贵阳复杂构造变形区与黔南台陷贵定南北向构造变形区的交接部位，以北西向褶皱断裂为主。区域内海拔在1 214.02~1 306.45 m之间，线路轴线通过地面高程为1 246~1 316.8 m，相对高差70.8 m。贵安腾讯数据中心位于贵安新区马场科技场内，占地约0.517 333 km2，在研究区栖凤坡山体内设置8条隧道，隧道总长1 478.67 m，单洞宽6.9~20.5 m，高8.15~16.8 m。山体内隧道群主要具有小净距、特大断面等特点，隧道群整体平面布置见图1。A1隧道起终点里程为A1K0+020~A1K0+291.09，B1隧道起终点里程为B1K0+060~B1K0+292.5，B2隧道起终点里程B2K0+040~B2K0+316.4，B3隧道起终点里程B3K0+040~B3K0+316.4，B4隧道起终点里程B4K0+040~B4K0+316.4，B5隧道起终点里程B5K0+040~B5K0+316.4，B6隧道起终点里程B6K0+025.3~B6K0+079.0。1.2　地球物理特征1.2.1　覆盖层　综合地质调查及钻探资料，场地覆盖层主要是红黏土（Qel+dl），黄褐色，具有上硬下软、失水收缩的特性，但其承载力相对较高，场地红黏土复浸水性为Ⅰ类，即收缩后复浸水膨胀，能恢复到原位。场区均有分布，厚度为0~3 m。1.2.2　基岩　研究区下伏基岩为三叠系下统安顺组（T1a）薄~中厚层状白云岩夹泥质白云岩，岩层综合产状为290°~300°＜6°~15°。区内无断层出现，岩层连续、稳定，受构造影响岩体节理发育，节理产状185°~215°＜65°~70°和295°~305°＜65°~75°为主，为密闭型节理，节理间距为20~350 mm，延伸长度在1.0~8.0 m不等，切割深度在1.0~5.0 m不等，节理面较平直，一般为泥质、碎屑充填，结合很差。强风化层：灰黄色，薄至中厚层状，节理裂隙发育，岩体破碎，呈碎石状松散结构，岩质软，岩芯呈块状、碎块状，据钻探揭露厚度为1.0~5.8 m。中风化层：灰白色、褐色，薄~中厚层状，节理裂隙发育，岩体较破碎~较完整，岩芯呈块状及柱状。泥质白云岩夹层厚度为2~10 cm，平均厚度约4 cm，因岩体节理裂隙发育，局部泥质白云岩层面风化严重，有泥化现象。1.2.3　地球物理参数　根据测区野外岩土体主要物理量测量结果，测区黏土电阻率为20~100 Ω·m，而受风化及裂隙影响的白云岩夹泥质白云岩电阻率为50~4 000 Ω·m。场区地形起伏大于25°，按照地形条件分类标准为Ⅳ类地形。场区荆棘较发育，按照障碍条件分类标准为Ⅳ类障碍。为了查明研究区内覆盖层、风化层厚度及岩溶发育等地质情况，高密度电阻率法物探工作量见表1，物探测线布置参数见表2。表1　高密度电阻率法物探工作量Tab. 1　Geophysical prospecting workload of high density resistivity method[装置类型\&测线数\&电极距L / m \&不同电极距测量点数\&温纳法\&9\&L≤100\&3 208\&100＜L≤200\&534\&]表2　物探测线布置参数Tab. 2　Layout parameters of geophysical prospecting detection line[排列编号\&电极点距\&测量电极数\&测量层数\&不同电极距测量点数\&总测点数\&L≤100\&100＜L≤200\&DF1~DF1’\&5.5\&60\&16\&316\&38\&354\&DF2~DF2’\&5.5\&60\&16\&316\&38\&354\&DF3~DF3’\&5.5\&80\&16\&498\&134\&632\&DF4~DF4’\&5.5\&50\&16\&316\&38\&354\&DF5~DF5’\&5.5\&80\&16\&498\&134\&632\&DF6~DF6’\&5.5\&60\&16\&316\&38\&354\&DF7~DF7’\&5.5\&60\&16\&316\&38\&354\&DF8~DF8’\&4\&60\&16\&316\&38\&354\&DF9~DF9’\&4\&60\&16\&316\&38\&354\&]2　高密度电阻率法物探研究2.1　工作原理高密度电阻率法是一种重要的工程物探方法，是集电探测和剖面法于一体的一种多装置、多极距地组合方法，具有观测精度高、数据采集量大、地质信息丰富、速度快、探测深度灵活、数据采集自动化的特点，其工作原理如图2所示。[数据采集部分][数据处理部分][高密度主机][计算机][电极系][测量断面][电极转换器][电极转换器][数据转换][预处理][地形较正][二维反算][解释成图]图2　高密度电阻率法工作原理图Fig. 2　Working principle diagram of high density resistivity method根据工作任务的要求、工地的地质条件及各种装置的特点，高密度电阻率法以温纳四级为主，以获得最大的测量电位。在A、B两点供电、任意M/N点测量其间的电位差，来反算地下介质的电阻率，其电极排列图如图3所示。其中，各点产生的电位与其参数之间的关系如式（1）所示。[A M N B]图3　温纳四级测量装置电极排列图Fig. 3　Electrode arrangement diagram of Wenner four-stage measuring device[Uij=ρI2πrij] （1）式（1）中，[Uij]为[i]点供电在[j]点产生的电位；[ρ]为均匀大地电阻率；[I]为供电电流；rij为电极距（供电[i]与测量点j的距离）。若AM、MN、BN之间的间距相等，即rAM=rMN=rBN=a，地表A点供电在M、N点处的电位表达式和地表B点供电在M、N点处的电位表达式：[UAM=ρI2πa]，[UAN=ρI4πa]，[UBM=-ρI4πa]，[UBN=ρI2πa]MN间的电位差为[ΔUMN=UABM-UABN=ρI2π(1rAM-1rBM-1rAN+1rBN)=ρI4πa]令电极排列系数[K=4πa]，则视电阻率[ρs=KΔUMNI]。2.2　成果分析2.2.1　解释方法　对采集得到的数据，先使用Surfer软件和二维电阻率反演成像软件的数据处理功能进行预处理，同时输入测线地面高程数据，作地形校正，再据经验在软件中合理设置解释所必须的参数。运行软件进行反演解释，在解释过程中随时调整参数，以便使结果真实合理，计算结果用视电阻率等值线图和视电阻率反演色度图表现，两者结合，综合解释。2.2.2　成果分析及地质解释　根据勘探结果及实际分析，勘探深度在30~55 m之间。以DF1~DF1’测线为例，DF1~DF1’测线视电阻率等值线图和视电阻率反演色度图如图4所示，其中图4（a）中横坐标表示测线距离，纵坐标表示深度，色度条不同颜色对应不同视电阻率，图4（b）纵坐标表示高程。测线内覆盖层厚度在0~1.3 m之间，强风化层厚度在4.0~21.0 m之间，基岩表面溶沟溶槽发育。其中，B1K0+123深16 m岩溶裂隙发育，推测可能存在溶洞；B1K0+125~B1K0+246发育一条竖向裂隙，推测可能存在溶洞。 研究区9条物探测线参数及测量结果见表3。[0 50 100 150 200 250 300 350Line distance / m][0-50-100-150-200-250][Depth / m][700500400300230190160140][Electrical resistivity / （Ω/m）][0 50 100 150 200 250 300 350Line mileage / m][1 3001 2501 200][Elvation / m][Electrical resistivity / （Ω/m）][1 18775548030519412378.549.9]图4　DF1~DF1’测线：（a）视电阻率等值线图，（b）视电阻率反演色度图Fig. 4　DF1-DF1’ detection line：（a）chorisogram of apparent resistivity，（b）inversion chromaticity diagram of apparent resistivity3　钻孔验证3.1　声波测试成果本次勘察在隧道测试了26个钻孔的弹性纵波声波，根据岩样测试及各钻孔波速结果计算出岩石完整性指标，确定了岩体的完整性，测区岩体声波分析如表4所示。根据表4和岩石室内实验分析结果及GBT50218-2014工程岩体分级标准中岩体完整性系数与岩体完整程度的对应关系可知：B1~B5隧道进口及浅埋段白云岩夹泥质白云岩完整性系数值主要集中在0.34~0.42，岩体较破碎；A1隧道进口、B1~B5隧道出口及浅埋段白云岩夹泥质白云岩完整性系数值大部分分布在0.56~0.59，稍微偏向岩体较完整；隧道整体围岩完整性系数值主要集中在0.49~0.64之间，属于坚硬岩。表3　物探测线参数及测量结果Tab. 3　Parameters and measurement results of geophysical exploration detection line[排列编号\&探测结果\&DF1~DF1’\&测线内覆盖层厚度在0~1.3 m之间，强风化层厚度在4.0~21.0 m之间，基岩表生溶沟溶槽发育。其中，B1K0+123深16 m岩溶裂隙发育，推测可能存在溶洞；B1K0+125~ B1K0+246发育一条竖向裂隙，推测可能存在溶洞\&DF2~DF2’\&测线内覆盖层厚度在0~1.5 m之间，强风化层厚度在3.0~18.0 m之间，基岩表生溶沟溶槽发育。其中，B2K0+139处岩溶裂隙发育，岩体破碎；B2K0+234~B2K0+259发育一条竖向裂隙，推测可能存在溶洞\&DF3~DF3’\&测线内覆盖层厚度在0~5.2 m之间，强风化层厚度在3.0~20.0 m之间，基岩表生溶沟溶槽发育。其中，B3K0+158~B3K0+232发育一条竖向裂隙，推测可能存在溶洞\&DF4~DF4’\&测线内覆盖层厚度在0~5.2 m之间，强风化层厚度在3.0~20.0 m之间，基岩表生溶沟溶槽发育。其中，B4K0+158~B4K0+232发育一条竖向裂隙，推测可能存在溶洞\&DF5~DF5’\&测线内覆盖层厚度在0~2.0 m之间，强风化层厚度在2.5~29.0 m之间，基岩表生溶沟溶槽发育。其中，B5K0+274～B5K0+305发育一条竖向裂隙，推测可能存在溶洞\&DF6~DF6’\&测线内基岩出露，强风化层厚度在2.5~18.0 m之间，基岩表生溶沟溶槽发育，未发现明显岩溶发育异常\&DF7~DF7’\&测线内强风化层厚度在0~2.5 m之间，强风化层厚度在1.5~17.0 m之间，基岩表生溶沟溶槽发育，其中，B3K0+055右18 m附近深24 m岩溶裂隙发育，岩体破碎\&DF8~DF8’\&测线内强风化层厚度在0~3.0 m之间，强风化层厚度在0.6~7.0 m之间，基岩表生溶沟溶槽发育，其中，B3K0+055左12 m附近深17 m岩溶裂隙发育，岩体破碎；B3K0+055右22 m附近深30 m岩溶裂隙发育，岩体破碎；B5K0+317附近深11 m岩溶裂隙发育，岩体破碎。未发现大规模岩溶发育异常\&DF9~DF9’\&测线内基岩出露，强风化层厚度在2.5~18.0 m之间，基岩表生溶沟溶槽发育，其中，A1K0+057右44 m附近深24 m岩溶裂隙发育，岩体破碎\&]据地表岩溶情况、物探异常情况综合分析显示，场区存在的不良地质主要为岩溶，已施工的37个钻孔中，有2个遇溶洞/裂隙，钻孔遇洞率5%，综合地质调绘及钻孔状况，场地岩溶发育程度为微发育，现场钻孔情况见表5。3.2　物探成果与钻孔成果比较从物探分析结果与钻孔情况来看，钻孔实测有2个遇溶洞/裂隙，且岩层节理裂隙发育，岩体破碎，与声波测试计算所得的岩体完整性系数Kv分析结果一致。最终所得的物探成果与钻孔实际测得的地下地质体信息吻合，故高密度电阻率法探测结果可以作为隧道设计、施工的初步依据。4　结　论根据高密度电阻率法的物探结果及现场实际钻孔对比结果，可得到以下结论：1）隧道区围岩为可溶岩，岩溶微发育，隧道围岩完整性系数主要集中在0.49~0.64之间。由于岩溶发育具有隐蔽性及无规律性，采用高密度电阻率法可以准确地了解岩溶分布情况。2）从工程地质调查及钻孔验证结果与隧道群高密度电阻率法探测分析结果对比可知，钻孔过程中，有2个遇溶洞/裂隙，钻孔遇洞率为5%，故高密度电阻率法勘探与声波测试得到的地下地质体信息吻合。3）研究结果表明综合物探成果很好地解释了隧道群围岩的地质情况，因此高密度电阻率测试分析方法结合钻探声波测试综合研究成果可以作为岩溶区特大断面小净距隧道群设计、施工的初步依据。