可控源音频大地电磁测深法在隧道地质勘察中的应用

可控源音频大地电磁测深法在隧道地质勘察中的应用

秀山隧道是目前云南省第一个隧道。这是目前云南省修建的第一个隧道。这是通往云南省北部高度的隧道。秀山隧道全长10230米，左侧30米有一个平行的导坑，全长10294米。通过25个横向通道与主孔相连。隧道是一个单面斜坡，最大坡度为2.04。进口段为反坡施工，设计标准为i级国铁i级电气化铁路，设计运行速度为120km，出口端172m为两条隧道，其他区域为线性隧道。秀山隧道自2006年3月开工,2011年6月9日平行导坑于PDK32+338处顺利贯通,正洞于2012年1月10日于DK32+100处贯通.秀山隧道从开工至贯通实现了安全零事故、质量零缺陷,取得了近20年来同类铁路特长高风险隧道施工从未取得过的成绩.秀山隧道地层岩性复杂:隧道洞身穿越断层角砾(Fbr);侏罗系上统蛇店组(J3s)砂岩夹泥岩、砾岩,中统张河组(J2z)砂岩、泥岩夹泥灰岩;三叠系上统一平浪群(T3y)砂岩夹页岩、砾岩;石炭系中上统(C2+3)灰岩、白云岩,下统(C1)灰岩夹页岩;泥盆系上统宰格组(D3zg)白云岩夹页岩,中统海口组(D2h)砂岩;震旦系上统陡山沱组(Zbd)白云岩、砂岩夹页岩,下统澄江组(Zac)砂岩夹页岩、砾岩.秀山隧道地质构造复杂:区内褶皱和断层强烈发育,硬质岩层被密集节理、劈理和小断层切割呈碎石角砾状,受云南特殊地质构造影响和异常活跃的地壳运动作用,岩性地质条件极为复杂和特殊,其地质条件和多变性在隧道建设史上极为罕见.洞身穿越五里箐向斜、里山背斜两大褶皱带及通海断层(F11-2)、泥者断层(F11-3)、乌龙塘断层(F11-4)3个非全新活动断层.属高烈度地震区,存在活动断层破碎带、高压富水破碎白云岩、剪张裂缝为主的岩溶形态、单面坡遇大规模高压涌(突)水、膨胀岩(土)、围岩大变形等工程难题.围岩以Ⅳ、Ⅴ级为主,工程地质条件极其复杂,施工难度极大,工程风险极高.秀山隧道水文地质复杂:地层岩溶发育,富水带多,地下水丰富,主要为岩溶裂隙水和基岩裂隙水,全隧共穿越17个富水带.受构造影响,段内岩体破碎,完整性差,大断裂和裂隙大面积发育,发育多条剪张裂缝,径流通道复杂且连通性好,加之隧道埋深较大,水压高,水量大.构造裂隙水、岩溶水在隔水岩层夹持、组合作用下形成水位高达200～400m的层间承压水,且沿洞身影响范围长,在几段已突水部位经实测水压达1.2～2.3MPa.全隧设计正常涌水量为15.7×104m3/d,雨季施工时最大涌水量为23.5×104m3/d,实际施工中单口平均涌水量为3×104～5×104m3/d,最大单口涌水量为12×104m3/d.秀山隧道施工过程中多次发生突水涌砂现象,共战胜了116次突水涌砂(泥)险情和无数次的施工风险.根据不同工程特性,施工中分别采用超前帷幕注浆、超前局部注浆、加密拱部大管棚(小导管)注浆、超长钻孔排水降压、石笼、迂回导坑等多种措施成功处理通过.1工程地质特征秀山隧道的物探工作由中科院地质与地球物理研究所完成,所采用的物探方法为可控源音频大地电磁测深法(CSAMT).CSAMT法主要是以电阻率的差异来区分岩性及构造,共解译岩溶低阻异常17处(Wt1～Wt17),其中Wt5、Wt7、Wt10、Wt13为较为明显含水异常带.根据CSAMT法的解释原则和依据,结合地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地特征、施工开挖揭示的涌水突砂、岩体破碎富水程度等情况分段进行对比分析.隧道工程地质纵断面如图1.1.1dk27，000dk28，860段1.1.1k2dk27+400dk2层序地层格架及其特征(1)DK27+000～DK27+120为高阻层,电阻率1500Ω·m以上,推断为白云岩,厚层结构.(2)DK27+120～DK27+440为中高阻至中低阻层,电阻率在150～500Ω·m,应为砂岩夹泥岩层.该段中DK27+200、DK27+400处有明显低阻变化,反映这两处有碎裂,工程中应注意渗水.(3)DK27+440～DK28+420为高阻层,电阻率达2000Ω·m,应为白云岩.因岩石碎裂和岩溶影响,电阻率有低阻变化.尤其是DK27+950处有一明显低阻异常,应是一条岩溶破碎带,记作St1.从所处位置和异常形态分析,含水丰富,工程中有涌渗水的可能.DK28+175～DK28+200处有一陡立的低阻带,其围岩均为高阻灰岩,推测有岩溶发育,记作Wt1.(4)DK28+420～DK28+860,对应岩性为石炭系灰岩.DK28+730～DK28+820处有一向小里程倾斜的低阻带,推测为断层,记作Ft1,和地质资料中给出的关营断裂位置相当.本段电阻率呈高阻低阻的不规则变化,表明岩溶发育.在DK28+460附近有岩溶异常,记作Wt2.在DK28+650～DK28+850附近的关营断裂则显示断层破碎带宽,高低阻相间有近百米的影响带,则说明该断层破碎影响范围宽,含水丰富,推断为明显涌渗水区.1.1.2pdk27+060pdk27+400段出水量PDK27+060～PDK28+700段隧道开挖揭示与物探判识一致.施工时隧道PDK27+060～PDK27+650段出水量约2100m3/d;PDK27+650～PDK28+700段出水量约5100m3/d.隧道围岩级别仅作局部调整.施工此段主要以岩溶裂隙水为主,未发现大的溶洞、暗河,未发生涌水突砂现象.1.2dk28和860段1.2.1上盘白云岩断层DK28+860～DK29+600段为高阻厚层结构,电阻率可达2000Ω·m以上,其表层有近30余米低阻层,以电阻率推断,表层应为砂砾粘土层.深部高阻层和本区的厚层白云岩相当.DK29+125～DK29+150段在高阻灰岩层中,有一局部低阻,解释为岩溶发育区,记为Wt3.在DK29+370～DK29+420附近有一向小里程倾斜的低阻带,推断为断层,记作Ft2,位置和地质资料中的通海断裂位置相近,本断层在电阻率断面中表现明显.考虑到上盘为白云岩,为断层过洞处,高阻岩层有明显低阻变化,应为含水丰富断层,工程中应注意涌水危险.1.2.2涌水发生情况隧道开挖揭示与物探判识完全一致.岩溶发育区Wt3,推断为断层Ft2与实际比较相符.此段为断层影响带及破碎带,母岩为灰岩、白云岩、少部分为砂岩、泥岩,岩体呈碎块、角砾状,是进口工区地下水比较丰富地段.(1)2007年6月于PDK28+905处揭示掌子面为白云岩块石,地下水比较丰富,涌水量约1000m3/d.(2)2007年8月于PDK29+203掌子面右侧边墙处发生涌水,造成平导被淹没到PDK28+680,涌水量2000～4300m3/d,开挖揭示PDK29+200～+270灰岩、白云岩地下水比较丰富,岩体较破碎.(3)2007年11月于PDK29+310掌子面左侧拱腰处发生大涌水,水量为6900m3/d,主要为破碎的白云岩,岩体呈角砾状.开挖揭示PDK29+300～+400地下水比较丰富,大部分沿构造岩溶裂隙呈大股状涌出,涌水量在2000～7000m3/d.(4)2008年3月于PDK29+467掌子面发生涌水突砂,涌水量1.3×104～2.3×104m3/d,突砂石量800m3,涌水水压为2.2MPa,地下水淹没至PDK29+320,隧道施工用的2台抽水机、1台立爪被砂石所掩埋,是进口施工段发生涌水突砂最大一次,涌出的物质呈松散的角砾、中粗砂状,岩质为白云岩,粒径2～100mm,并夹少许紫红色的砂质泥岩,砾岩,属于断层破碎带.该段落发生大小涌水共计4次,其中PDK29+200～+540是进口段富水最强、岩体极破碎的地段,涌水量1.1×104～2.3×104m3/d.1.3dk29。600dk31和640段1.3.1dk21+400—物探判译结果(1)DK29+600～DK31+640段两端为中高阻层,电阻率在400～1000Ω·m之间,中部以低电阻率为主,一般100Ω·m以下.两端中高阻层对应侏罗系蛇店组砂砾岩层,中部低电阻率层对应侏罗系妥甸组砂泥岩层.在本段中,DK31+495～DK31+505段为砂砾岩和石炭系灰岩边界,有局部低阻显示,推测有岩溶发育,记作Wt4,余下部分为较宽范围的低阻层,推断为砂岩泥岩层.以洞线通过深度看,电阻率的差异主要体现为岩性变化.整体看岩层层序比较完整,较多的泥岩组分使岩层透水性差,工程条件还是比较好的.(2)DK31+640附近有一陡直的低阻带,解释为断层,记作Ft3,而且低阻明显,考虑到与地层的穿切关系,汇水来源丰富,应为有涌水危险的断层.DK31+640的断层与地质资料中所提及的泥者断层位置相近,但产状有变化,可能表明断层深部有结构变化.1.3.2断层和隧道开挖此段隧道开挖揭示与物探判识完全一致.岩溶发育区Wt4,推断为断层Ft3与实际比较相符;隧道开挖为T3y、J2z、J3s紫红色中厚层泥岩、砂岩夹页岩等软质岩,泥岩具有中-弱等膨胀性;砂岩中发育少量的基岩裂隙水,泥岩中含微量的地下水.1.4dk31和640dk34和400段1.4.1wt5.dk32+200段高阻砂岩中电阻率的变化(1)DK31+640～DK32+620段为高阻层,电阻率2000～4000Ω·m,显示为厚层结构.表层常有低阻层,厚20～30m,应为黏性土层.该段深部为厚层夹薄层灰岩,多处不规则低阻异常,显示岩溶发育.其中DK31+820处岩溶异常,记作Wt5.DK32+150～DK32+200段高阻灰岩中电阻率明显降低,推测为岩溶发育,记为Wt6.DK32+400处岩溶异常,记作Wt7,DK32+600～DK33+000处岩溶异常记作Wt8,DK33+380处岩溶异常记作Wt9,几处均表明了岩溶异常特点.Wt7表示的高阻层中的低阻变化,尤要注意涌水危险.(2)DK32+620～DK34+400段显示为中高阻、低阻相间的结构,宏观显现为向斜结构,其中DK33+560点处岩溶异常,记作Wt10,该处低阻有岩溶和含水显示,是较主要的涌水危险段.DK33+725～DK33+900段洞线附近的低阻带,是灰岩中和地层产状相近的异常,推测岩溶发育,记为Wt11.DK33+500处有一竖直低阻带,推断为破碎带,记作St2.DK33+900处有一竖直低阻带,推断为破碎带,记作St3.1.4.2pdk32+713段隧道开挖揭示与物探判识一致.岩溶发育区Wt6～Wt11与实际比较相符,岩溶发育区Wt5与实际开挖不相符.(1)PDK31+660～PDK32+165段为碎屑岩弱富水区,此段原设计为Zbd白云岩组成,隧道施工揭示主要由地层Zac、Zbn砂岩夹泥岩组成,以砂岩(强-弱风化)为主,中厚层,局部为薄层状,与施工图出入较大;隧道开挖时在紫红色中厚层砂岩层中发育极少量的基岩裂隙水,紫红色的泥岩中含微量的地下水.(2)PDK32+165～PDK32+885段碳酸盐中等富水区,该段施工揭示主要由地层Zbd白云岩组成,与设计相符,处于五里箐向斜的北西翼,岩体节理较发育,岩体较破碎,赋存一定量的岩溶裂隙水.此段为进、出口工区的贯通区域,大部分地下水已被出口平导疏排,施工中仅发生过1次涌水突砂.PDK32+165～+670段超前钻孔揭示地下水出水量为1～4L/s,岩性为白云岩夹泥质砂岩(强-弱风化),2011年1月于PDK32+772掌子面左侧拱腰处发生涌水突砂,涌水量6900m3/d,突砂石量65m3,涌突体呈角砾及中粗砂状的白云岩,为可溶岩富水区受构造挤压的极破碎岩体.(3)PDK32+885～PDK33+120段为Zbd砂岩夹泥岩,青灰色,中薄层状,强至弱风化,为五里箐向斜的两翼相对弱富水岩层(相对的隔水岩层),发育少量的基岩裂隙水,此段未发生过涌水突砂的现象.(4)PDK33+120～PDK33+730段Zbd白云岩,灰白、灰黄色,节理裂隙多被棕红色黏土充填,强至弱风化,岩体多呈碎石角砾状,局部地段呈中粗砂角砾状.2010年4月于PDK33+719处发生涌水突砂,涌水量3600～7000m3/d,突砂(石)量约200m3.2010年7月于PDK33+601掌子面超前地质钻探揭示,总涌水量约81L/s.(5)PDK33+730～PDK33+900段为Zbd砂岩夹泥岩,青灰色,中薄层状,强至弱风化,为五里箐向斜的两翼相对弱富水岩层,发育少量的基岩裂隙水,此段未发生过涌水突砂的现象.1.5dk34和400dk35和960段1.5.1地层构造及构造DK34+400～DK35+960显示为高阻、中高阻、低阻相间结构,显示为向大里程倾斜的中薄层层状结构,岩性应为灰岩夹泥岩和砂岩地层.本段地层总体电阻率偏低,反映岩石节理、裂隙发育,从本段地层的组合和多处的低阻变化,反映出该段较为富水,碎裂发育.DK34+960处有岩溶裂隙,记作Wt12,DK35+200处有岩溶裂隙,记作Wt13.DK35+400～DK35+650段灰岩中有不规则低阻、高阻相间结构,推测为岩层碎裂发育,记为Wt14.DK35+900处有岩溶裂隙,记作Wt15.推断这几处可能有涌渗水,尤其要注意.1.5.2涌水突砂地层(1)PDK33+900～PDK35+135段隧道开挖揭示与物探判译基本一致.此段原设计施工图为Zbd砂岩夹白云岩、页岩为弱富水岩层,实际开挖岩性为Zbd白云岩夹砂岩,处于里山背斜地段,岩体受区域构造的影响极破碎,呈密实中粗砂及角砾状,为破碎岩溶富水区,一旦发生涌水突砂,水携带砂呈“水石流状”涌突而出,涌水量0.4×104～2.6×104m3/d,突砂石量20～900m3,对施工造成了很大的影响,进度极其缓慢,困难时,平导开挖采用2台阶施工,此段曾发生较大涌水突砂共5次,各段的富水及涌水突砂情况如下:2008年8月于PDK34+702处掌子面发生涌水突砂(石),涌突体呈碎石、角砾及中粗砂状,岩质成分为白云岩,后来呈“水石流”状继续发生涌水突砂(石),突出砂石量累计约500m3,出水口总涌水量3.8×104m3/d.2008年11月于PDK34+572处发生2次大的涌水突砂(石),总涌水量7600m3/d,总突砂石量900m3,突出的砂石坡脚堆至PDK34+700,造成梭矿车被及部分施工物资、设备被掩埋.2009年4月至5月于PDK34+377用迂回导坑处共发生4次大的涌水突砂,总涌水量9.5×104m3/d,总突砂石量800m3.2009年11月于PDK34+119处发生涌水突砂,涌水量0.42×104～1.2×104m3/d,突砂石量220m3.PDK34+380～+490段超前地质钻孔中总出水量达430～100m3/d,地下水较丰富,地下水赋存于与线路近垂直的剪涨裂隙及宽张裂隙发育密集带,岩性为白云岩(强风化).PDK34+490～+530段超前地质钻孔中总出水量达1200～3000m3/d,白云岩夹紫红色泥质砂岩;PDK34+500.5～+501.6、PDK34+514～+518、PDK34+532～+535段为宽张裂隙发育密集带,宽约20～40cm,充填呈角砾、中粗砂状的白云岩地下水丰富,地下水赋存于与线路近垂直的剪涨裂隙及宽张裂隙发育密集带,岩性为白云岩(强风化).PDK34+570～+670段超前地质钻孔中总出水量达5～15L/s,地下水较丰富,地下水赋存于与线路近垂直的剪涨裂隙及宽张裂隙发育密集带,岩性为白云岩(强风化).PDK34+710～PDK35+010段超前地质钻孔中总出水量达2～10L/s,以岩溶基岩裂隙水为主,岩性为白云岩(强风化).PDK35+010～PDK35+080段超前地质钻孔中总出水量达37～86L/s,地下水较丰富,地下水赋存于走向N30°E近垂直的小断层构造内,呈股状,岩性为白云岩(强至弱风化).(2)PDK35+135～PDK35+690段隧道开挖揭示与物探判译一致.此段碎屑岩弱富水区该段主要由地层Zbd砂岩夹泥岩、页岩、泥灰岩组成,弱至强风化,中薄层状,地层横向倾向左,纵向倾向大里程,为相对的隔水层,处于里山背斜南东翼部.PDK35+301～PDK35+310段左侧拱腰、右侧边墙发生大涌水,水量约6700m3/d.隧道平导开挖揭示PDK35+280～PDK35+310段地下水丰富,为弱富水区的强富水段,呈“水帘洞”状,主要为砂岩夹页岩,强风化,中薄层状.(3)PDK35+690～PDK35+800段隧道开挖揭示与物探判识一致.此段碳酸盐强富水区,该段主要由地层Zbd白云岩组成,中厚层状,地层产状缓倾向大里程.Y2K0+120(对应平导里程PDK35+720)掌子面剪涨裂隙前方发生大涌水,水量约2×104m3/d;Y2K0+099(对应平导里程PDK35+743)右边墙脚剪涨裂隙发生大涌水,水量约1.5×104m3/d.剪涨裂隙于Y2K0+099～Y2K0+120段发育,走向40°N～60°W,宽0.4～2.3m,高不见顶,两侧岩壁光滑直立,地下水沿此裂缝流淌;平导的涌水被袭夺至2号迂回导坑,仅有约4000m3/d地下水流淌.2007年6月于PDK35+769处发生涌水突砂(石),涌水量3×104～12×104m3/d,突砂石量200m3,在PDK35+802止水墙处关水实测地下水水压近2MPa.2007年10月正洞于DK35+785和DK35+775处分别发生涌水,涌水量分别为6900m3/d和4900m3/d.此段是秀山隧道涌水量最大、风险也最大的地段.110m厚的白云岩地段发生如此大的涌水突砂有些特殊,但经过认真分析认为此段处于可溶岩与非可溶岩接触地段,地表为低洼狭长的槽谷地形,为汇聚大气降雨提供了有力地形.1.6dk35和960dk37和374段1.6.1砂页地层特征(1)DK35+960～DK37+200段浅层高阻、深部为中低阻层.浅层受岩溶变化影响,多处显示低阻为主,其中DK36+240处有岩溶低阻异常,记作Wt16,DK36+840处有岩溶低阻异常,记作Wt17,均为明显含水异常段.深部显示中低阻反映有砂页岩层.(2)DK37+200～DK37+480段DK37+200处有陡的破碎带,记作Ft4,工程上有破碎和渗水.DK37+200～DK37+480段浅部为中低阻层,显示砂泥岩特点.深部为中高阻层,推断为砂岩夹灰岩层.1.6.2mt/d研究/施工(1)PDK35+800～PDK36+300段隧道开挖揭示与物探判识不一致.该段主要由地层Zbd白云岩、泥灰岩、页岩组成,岩性较杂,中薄层状,岩体受构造影响,多呈碎石角砾状.2007年02月PDK36+050处发生呈“碎石流”状大坍方,开初坍腔纵向长约3m,高约3m,水量约3000m3/d;后来断断续续多次坍方,使坍腔不断扩大,之后坍体掩埋至PDK36+093,坍体约600m3.PDK36+175处拱部发育溶洞.(2)PDK36+300～PDK37+354段隧道开挖揭示与物探判识不一致.该段主要由D2h、D3zg、C1泥质砂岩、白云岩、灰岩组成.由于庫南河斜穿地层而过,切割较深,地下水排泄迅速.PDK36+365处右侧拱部发现溶洞,可见深度约8m,洞口宽0.6～1m,有地下水从溶洞中流出,雨季水量约430m3/d.PDK36+958及DK36+969处发现一近垂直线路的水平溶洞,溶洞沿岩层走向发育,断面呈近半圆形,直径约5m,高2～3m,雨季水量约1500m3/d.DK37+060处右侧拱脚发育一溶洞,无地下水流出,形态及性质不明.上述开挖段由于受地形、岩性、地层走向控制,以水平状溶洞为主,顺岩层走向呈大股状流出,雨季出水量约2000m3/d.大部分地段地下水不发育.2隧道开挖与地质解释(1)物探报告中解释了断层4条,其中Ft1、Ft2、Ft3均有