综合物探在关角隧道勘察中的应用（铁一院 蔡少峰）

综合物探在关角隧道勘察中的应用

一、关角隧道概况

    青藏线西格段二线关角特长隧道位于青海省天峻县关角日吉山，全长32.645公里，最大埋深约900米，是西格二线的控制工程。隧道地面海拔在3500～4700米间，地形变化多端，交通困难，地质极为复杂。
关角隧道的物探工作自2005年5月接收地质任务后，历时五年，贯穿于初测、定测、补充定测及施工过程当中。 工作过程中先后共投入8种物探方法，完成的物探工作量巨大。
 

二、投入物探方法的特点

    投入的物探方法以电磁法为主其它方法为辅。电磁法技术水平先进，开创了当时工程物探的多项国内第一：①首先将V8多功能大地电磁系统成功应用于工程地质勘察；②首先将AMT、TEM法成功应用于长大深埋隧道勘察；③ 首先将CSAMT、AMT数据通过WinGlink软件进行数据处理，完全实现了CSAMT、AMT数据带地形的二维反演，提高了地质解释效果。
 

三、物探在各勘察阶段发挥的作用

    初测阶段，CSAMT贯通资料为地质选线提供了可靠依据；
    定测阶段，CSAMT、AMT、TEM等方法物探资料与地质密切结合，准确划分了岩性、构造、软弱岩带和地下水发育段，形成了全隧道的物性地质断面图，为施工设计提供了可靠资料；
   施工阶段，通过面积性的AMT资料，为3、4#斜井避开出水段改向提供了可靠依据，保证了施工安全和工期。

四、物探在关角隧道典型工点中应用实例

1、F3断层勘察实例
    测区内区域性断裂带(F3,即二郎洞断层)，与隧道大角度相交。是由几条近乎平行的断层组成的断层束，为北部石炭系与南部下元古界的分界线。断层带内岩石破碎，对隧道施工极为不利，因此查明该断层带的性质对隧道施工设计有着极为重要的意义。由此，物探分别在初测和定测阶段布置了CSAMT、TEM及地震折射层析等方法。

    TEM结果中电阻率的分布特征与CSAMT结果大体上相同（如图3），只是在形态上有很微小的差别，这主要是由于CSAMT存在接地不均匀所引起的静态效应（CSAMT图中的垂直条带）。因而TEM结果相对于CSAMT法更有利于对构造倾向的判断。
另外，在DK303+686和DK305+090附近有两个深孔（如图2、图3），在孔中做了综合测井，从测井电阻率曲线上看，与TEM电阻率的纵向分布大致相同。如图4所示。Z-2钻孔测量范围为100～220m，Z-4钻孔测量范围为30～250m。 

    通过以上地面物探及孔内综合测试，准确地划分出了F3断裂带及其分支断层的宽度，对其工程性质做了定性解释，为地质提供了可靠的物性资料；
CSAMT和TEM资料补充、验证情况良好，并与深孔测试资料以及地震折射层析资料基本相符，为地质解释提供了强有力的证据，也证实了综合物探的有效性。

2、f1断层勘察实例 

    地面地质调查距隧道中线较远处发现断层f1证据，隧道中线由于第四系覆盖，不能确定f1交于隧道的确切里程。物探的主要任务查明f1在隧道线路上的确切位置、产状、破碎带宽度及赋水情况；查明灰岩岩溶发育状况。为此顺隧道中线走向布置了两条AMT剖面。

    针对断层f1所布置的两条AMT剖面的反演结果，在相应的位置上均有清晰的条带状低阻出现。根据两剖面低阻带位置可以准确的确定断层走向，进而确定断层带通过线路的里程。
对于此处的物探异常，布置钻孔进行了验证。验证结果表明：AMT推断解释结果与钻探揭示的结果吻合较好。

3、 DK286+000～DK288+750 岩性分界勘察实例

    定测阶段CSAMT结果显示关角隧道DK286+000～DK288+750段深部存在低阻，推测其与浅部的高阻灰岩不是同一岩性，物探解释为砂岩。在补充定测阶段为了验证CSAMT结果的可靠性，在CSAMT测线上重复布置了AMT和地震反射法剖面。

    依据以上思路，在4号斜井附近布置了4条AMT剖面（剖面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ），其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ剖面平行于斜井，Ⅳ剖面平行于隧道正线。再加上补充定测时隧道中线的AMT剖面和4号斜井主AMT主剖面共六条物探剖面，基本可以控制4号斜井周围的地层变化及地下水的分布。
    这些AMT物探断面特征基本相似，只是在细微处略有差异。断面图显示：除表层的低阻风化外，中间的高阻（电阻率约3000～8000欧米）以灰岩为主，局部夹有砂岩，深部出现大片的低阻（电阻率约10～20欧米）为炭质板岩。在中间高阻中存在的低阻条带异常解释为基岩软弱破碎带，结合开挖情况，这些段落含水，且水量较大。
 

    本次物探结果具有一个很明显的特点，就是在纵向上高阻和低阻的分界非常明显，而这分界线恰好位于斜井高程位置（3400~3600）附近，或者说斜井位于电阻率变化的梯度带附近。从目前施工资料看，4号斜井目前打到的出水处，位于物探认定的软弱破碎带内（异常1），这种现象和物探断面上电性分布是相符的。因此根据这些断面图上的低阻异常进行地下含水段落的划分是合理可行的。
    这些剖面的电阻率断面图的共性在于中浅部均为高阻而深部为低阻，结合地质及前期物探资料认为，浅部高阻为灰岩夹砂岩、而深部低阻应是炭质板岩。根据这四条物探剖面加上前期的正线及斜井剖面的电阻率断面图，划分出了低阻带在平面上的分布情况。并利用这六条剖面的反演数据形成了3400、3450米处的等高程电阻率切片图 。
 

    通过对比以上图件，对4#斜井附近的物性分布有了全面的认识。设计人员根据以上认识，对施工方案进行了调整，经过迂回前进，顺利避开出水段，按期完成斜井施工，与隧道正线相交，起到了四号斜井设计时预期的作用。
 

五、结论及体会

    在关角隧道初测到补充定测的各阶段地质勘察中，根据地质任务及测区环境的不同，先后投入了CSAMT、AMT、TEM、高密度电法、地震折射、地震反射、综合测井等多种物探方法。工作前后历时6年，是近年来投入方法最多、历时最长的综合物探工程。
    通过各阶段物探工作，结合区域地质资料，对关角隧道的地层岩性、地质构造、赋水情况进行了成功的解释，划分了隧道地层分布及断层破碎带的位置。
    利用AMT面积勘探法查明了4#斜井及线路附近的含水情况，为4#斜井的转向提供了科学的依据。
    本次综合物探工作在复杂地形、地质条件下展开，对深埋长大隧道的地层岩性、地质构造、赋水情况进行了较为准确的解释，确定了围岩分级，为隧道的设计、施工提供了科学的依据。减少了钻探和山地工作量，缩短了勘察周期、降低了成本，一定程度上填补了钻探无法实施地段的“地质空白”。
    关角隧道的物探工作取得令人满意的效果，为今后长大深埋隧道综合物探工作探索出全新的工作模式，并在数据处理、物探资料的综合分析解释方面有巨大创新。
    本次工作中某些地段的物探测网是三维布置，但是由于数据处理软件所限，目前采用的是二维处理方法，并不是真正的 三维处理结果，因此解释结果也会存在一定问题。
   综合物探可采用的物探方法多种多样，如何选取合理的组合方案，达到最优勘探效果，是我们必须要考虑的问题。   

   地震反射剖面中第二层界面深度540米与AMT资料反映的灰岩和砂岩的界面深度基本吻合，而界面上方的层速度为4700m/s,与此段灰岩的速度相当。
    AMT资料和地震反射资料很好地佐证了定测时CSAMT资料认定的灰岩与砂岩的分界线。据以上三种资料推断540米上方为灰岩地层，而下方解释为三叠系上统的砂岩。在后来的钻探过程中，以上结论得到了很好的验证。