高密度電法在富水隧道勘探中的應用

高密度電法在富水隧道勘探中的應用

山區(qū)的自然環(huán)境和地質環(huán)境相對復雜。通常，隧道通常通過富水地區(qū)。地下水不僅會溶解、沖蝕、軟化隧道圍巖,降低圍巖強度,還會給施工帶來巨大難度和安全隱患。提前獲取隧道水文地質情況,通過對每段地質情況的分析提前做好預防措施,可降低隧道施工危險。高密度電法是探測地下水的一種重要地球物理方法,它將傳統(tǒng)的電剖面法和電測深法相結合,具有測點密度高、采集的信息量大和對探測的目標不造成影響等優(yōu)點,能有效探測地下水情況,對工程建設具有重大參考價值。1地下具有嚴格的熱輻射功能,主要表現為外在土壤和內高密度電阻率法是一種陣列勘探方法,也稱為自動電阻率系統(tǒng),是直流電法的發(fā)展,其功能相當于四極測深與電剖面法的結合。通過電極向地下供電形成人工電場,其電場分布與地下巖土介質的電阻率ρ的分布密切相關,通過對地表不同部位人工電場的測量,了解地下介質視電阻率ρ高密度電法是許多普通電法排列、測點的集合,是將許多電極(60個以上)按一定極距(1~10m)排列,通過電纜、轉換開關與測量儀器相連。測量時,測量儀器通過指令控制轉換開關以一定的排列順序將電極轉換成供電電極或測量電極。巖體完整時,視電阻率灰階圖像呈層狀分布,透過表層(水)后其視電阻率沿垂直方向呈升高趨勢,并且在沖積層(或覆蓋層)和基巖的分界面有明顯的視電阻率差異;當巖體中存在斷層、破碎帶等滲水通道時,圖像中層狀特征遭到破壞,出現條帶狀或橢圓形低阻色塊,使某些層位被錯開、拉伸發(fā)生畸變。2隧道區(qū)地質構造及地下水特征云南上鶴(上關—鶴慶)高速公路軍馬場隧道位于川滇南北向構造帶西南端、南嶺緯向構造帶西段、青藏歹字形構造體系的復合部位。根據相關地質資料,隧道附近無區(qū)域性大斷裂通過,受內外地質作用影響,隧址區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)育。根據鉆探和地質資料,該區(qū)地層自上而下為:1)第四系坡殘積層。含碎石粉質黏土,灰褐色,硬塑狀,碎石成分為全~強風化玄武巖。承載力基本容許值為250kPa,摩阻力標準值為70kPa。2)二疊系玄武巖上段。分為2層。第一層,灰褐色,強風化,斑狀結構,杏仁構造,裂隙發(fā)育,呈碎石狀、碎塊狀,存在差異風化,局部呈中風化大塊狀。承載力基本容許值為500kPa,摩阻力標準值為140kPa。第二層,灰褐色,致密狀,中風化,巖體較完整。承載力基本容許值為1500kPa。該區(qū)內構造如下:巖體受力斷裂后兩側巖塊沒有顯著位移而形成的小型斷裂構造是隧址內的主要構造形式,按其成因可分為原生裂隙、構造裂隙、風化裂隙等。根據地質調查,玄武巖中發(fā)育三組裂隙,產狀分別為65°∠70°、335°∠50°、190°∠45°。一般裂隙面平直、光滑,發(fā)育密集,部分彎曲,屬張性節(jié)理,分布具有一定規(guī)律,其形成與區(qū)域構造相關。因風化作用沿原有構造裂隙、卸荷裂隙、成巖裂隙等控水結構面進行和擴展而形成風化裂隙,巖體破碎。根據隧道區(qū)地下水的賦存、埋藏條件及水動力特征,地下水可分為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水兩大類。1)第四系孔隙潛水。主要賦存于第四系土層中,分布在隧道區(qū)表層中。隧道區(qū)地下水位埋深淺,西側和中部松散物質多由黏土和種植土組成,接受大氣降水及地表水補給,潛水的埋深、徑流條件較淺。2)基巖裂隙水?；鶐r裂隙水又分為風化裂隙水和構造裂隙水。風化裂隙水一般分布于基巖表部的節(jié)理、裂隙中,含水層厚度較小,水位變化大,多為潛水,局部具承壓性?；鶐r裂隙水常呈下降泉出露,水量不大。構造裂隙水賦存于斷裂構造裂隙中,由于和地表相通,地表水易順斷裂構造下滲,形成導水作用。3高密度電法的結果表明和解釋3.1大股狀涌水探測電法數據采集使用WGMD-4高密度電阻率測量系統(tǒng),點距5m,電極60~120個,排列長度最長300~600m,勘探深度可達150m。主要探測區(qū)域為軍馬場隧道出口K4+850—250段,其中在開挖隧道左幅ZK4+690位置時掌子面出現大股狀涌水,并持續(xù)1個星期之久,掌子面掘進困難。根據現場地形地貌條件和探測目的,沿隧道出口向進口方向的左幅中心線、右幅中心線及左右幅連接之間的中線位置布置3條測線(Z1~Z3),垂直隧道軸線方向布置4條測線(H1~H4),基本上垂直于隧道,沿溝的延伸方向布置,盡可能消除地形、地物對測線的影響(見圖2)。根據平面圖坐標,在現場測量放樣,測設各測線起點、終點及各樁號現場位置。在探測過程中利用GPS和皮尺根據控制樁量測測點位置進行探測。數據處理:將探測結果通過傳輸軟件傳輸到電腦中,進行壞點刪除、地形校正、格式轉換、數據反演后,將數據導入Surfer軟件,制作視電阻率等值線圖。在等值線圖上根據視電阻率的變化特征,結合已有地質資料進行地質解釋,并繪制物探成果解圖。3.2結果表明，對探測數據進行計算、反演和成圖,得到該隧道各測線高密度電法視電阻率斷面圖(見3~9)。3.2.1地表下埋深部位Z1測線為隧道右幅中心線K4+850—250段探測線。由圖3可知:K4+820—630段地表以下埋深10~30m處為低阻異常區(qū),低阻異常,呈串珠狀分布,視電阻率值一般為20~60Ω·m,推測該部位為巖體富水區(qū);K4+610—470段地表以下埋深50~80m處為低阻異常區(qū),阻值低,多呈團塊狀的低阻異常狀,視電阻率值一般為40~80Ω·m,推測該部位為賦水區(qū);K4+500—370段地表以下埋深5~30m處為低阻異常區(qū),阻值低,多呈團塊狀的低阻異常狀,視電阻率值一般為30~70Ω·m,推測該部位為賦水區(qū);K4+380—360段地表以下埋深30~60m處為低阻異常區(qū),阻值低,呈串珠狀、團塊狀的低阻異常狀,視電阻率值一般為30~80Ω·m,推測該部位為賦水區(qū)~富水區(qū)。根據地表調查結果,結合探測結果,推測賦水區(qū)較為豐富的地段均在溝谷以下,即K4+670、K4+480和K4+375對應的溝谷位置。3.2.2地表下埋深小區(qū)主要視電阻率值一般加Z2測線為隧道左、右幅之間的中線位置K4+845—245段探測線。由圖4可知:K4+780—605段地表以下埋深35~60m處為低阻異常區(qū),低阻異常,呈細帶狀或串珠狀分布,視電阻率值一般為30~80Ω·m,推測該部位為富水區(qū);K4+565—495段地表以下埋深35~67m處為低阻異常區(qū),阻值低,多呈團塊狀的低阻異常狀,視電阻率值一般為30~70Ω·m,推測該部位為賦水區(qū);K4+480—350段地表以下埋深30~80m處為低阻異常區(qū),阻值低,多呈團塊狀的低阻異常狀,視電阻率值一般為20~50Ω·m,推測該部位為賦水區(qū);根據地表調查結果,結合探測結果,推測賦水區(qū)較為豐富的地段均在溝谷以下,即K4+670、K4+480和K4+375對應的溝谷位置。3.2.3地表下埋深不足部位Z3測線為隧道左幅中心線K4+840—240段探測線。由圖5可知:K4+760—670段地表以下埋深25~65m處為低阻異常區(qū),低阻異常,呈細帶狀或串珠狀分布,視電阻率值一般為20~70Ω·m,推測該部位為富水區(qū);K4+580—520段地表以下埋深20~100m處為低阻異常區(qū),低阻異常,呈細帶狀或串珠狀分布,視電阻率值一般為30~70Ω·m,推測該部位為賦水區(qū);K4+490—430段地表以下埋深20~50m處為低阻異常區(qū),阻值低,多呈團塊狀的低阻異常狀,視電阻率值一般為30~80Ω·m,推測該部位為賦水區(qū);K4+380—320段地表以下埋深20~55m處為低阻異常區(qū),阻值低,多呈團塊狀的低阻異常狀,視電阻率值一般為20~60Ω·m,推測該部位為賦水區(qū);根據地表調查結果,結合探測結果,推測賦水區(qū)較為豐富的地段均在溝谷以下,即K4+670、K4+480和K4+375對應的溝谷位置。3.2.4地表下埋深域視電阻率調查H1測線為隧道沿K4+375溝垂直隧道軸線布設的探測線。由圖6可知:水平距離40~100m段地表以下埋深5~40m處為低阻異常區(qū),阻值低,多呈串珠狀或團塊狀分布,視電阻率值一般為15~50Ω·m,推測該部位為富水區(qū);水平距離110~130m段地表以下埋深5~20m處為低阻異常區(qū),低阻異常,呈細帶狀或串珠狀分布,視電阻率值一般為15~60Ω·m,推測該部位為富水區(qū);水平距離150~170m段地表以下埋深15~40m處為低阻異常區(qū),阻值低,多呈團塊狀的低阻異常狀,視電阻率值一般為20~55Ω·m,推測該部位為賦水區(qū);水平距離210~280m段地表以下埋深5~20m處為低阻異常區(qū),低阻異常,呈細帶狀或串珠狀分布,視電阻率值一般為15~60Ω·m,推測該部位為富水區(qū);根據地表調查結果,結合探測結果,推測賦水區(qū)從高處向低處匯集,水平距離0~150m段富水較多,隧道所穿越的位置在水平距離120~160m段的正下方。3.2.5低阻異常區(qū)的視電阻率測量H2測線為隧道沿K4+480溝垂直隧道軸線布設的探測線。由圖7可知:水平距離0~170m段地表以下埋深5~30m處為低阻異常區(qū),低阻異常,呈細帶狀或串珠狀分布,視電阻率值一般為20~60Ω·m,推測該部位為賦水區(qū);根據地表調查結果,結合探測結果,推測賦水區(qū)從高處向低處匯集,水平距離0~170m段富水較多,隧道所穿越的位置在水平距離120~160m段的正下方。3.2.6地下埋深大土隧道測線H3測線為隧道沿K4+600斷面垂直隧道軸線布設的探測線,該測線布設標高遠大于溝谷,在該位置隧道埋深大。由圖8可知:在探測范圍內未發(fā)現明顯賦水情況,僅發(fā)現表層存在孔隙水;根據地表調查結果,結合探測結果,推測賦水區(qū)主要集中在溝谷范圍內。3.2.7地表下埋深不足區(qū)視電阻率H4測線為隧道沿K4+670溝垂直隧道軸線布設的探測線。由圖9可知:水平距離0~70m段地表以下埋深5~25m處為低阻異常區(qū),低阻異常,呈細帶狀或串珠狀分布,視電阻率值一般為15~50Ω·m,推測該部位為富水區(qū);水平距離70~110m段地表以下埋深20~50m處為低阻異常區(qū),阻值低,多呈團塊狀的低阻異常狀,視電阻率值一般為20~50Ω·m,推測該部位為賦水區(qū);水平距離100~160m段地表以下埋深5~60m處為低阻異常區(qū),低阻異常,呈細帶狀或串珠狀分布,視電阻率值一般為20~55Ω·m,推測該部位為富水區(qū);水平距離160~240m段地表以下埋深5~40m處為低阻異常區(qū),低阻異常,呈細帶狀或串珠狀分布,視電阻率值一般為15~55Ω·m,推測該部位為賦水區(qū);根據地表調查結果,結合探測結果,推測賦水區(qū)從高處向低處匯集,水平距離0~240m段富水較多,隧道所穿越的位置在水平距離120~160m段的正下方。3.2.8涌水量總體情況高密度電法探測結果與后期隧道施工所遇到的水文地質情況大致吻合,隧道左幅涌水量總體大于右