綜合勘察技術(shù)在長(zhǎng)大隧道中的應(yīng)用

劉銀巖 姜海杰

摘 要：某長(zhǎng)大隧道埋深大、巖漿巖活動(dòng)強(qiáng)烈、構(gòu)造發(fā)育，在勘測(cè)過(guò)程中，采用多種勘察手段，發(fā)揮遙感的宏觀控制作用，以地質(zhì)調(diào)繪為基礎(chǔ)，利用綜合物探的解譯，輔以鉆孔加以驗(yàn)證，在實(shí)際工作中收到了很好的效果，為以后山區(qū)鐵路長(zhǎng)大隧道的勘察提供了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)隧道；遙感；物探；鉆探；綜合測(cè)井

中圖分類號(hào)：U452.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）20-0057-03

新建某隧道起訖里程為DK239+976～DK244+646，全長(zhǎng) 4 670 m，最大埋深212 m。該隧道采用了航片判釋、地質(zhì)調(diào)繪、EH-4大地音頻電磁法、高密度電法、鉆探、綜合測(cè)井等勘察手段，重點(diǎn)查明了區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性以及巖漿巖接觸關(guān)系。

1 工程概況

1.1 地形地貌

該隧道穿越低山丘陵區(qū)，山頂一般呈渾圓狀。高程為353.06～462.5 m，相對(duì)高差超過(guò)200 m，隧址區(qū)多為松林，植被覆蓋率約80%。

1.2 氣象地震

隧址區(qū)屬北亞溫帶濕潤(rùn)半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，為嚴(yán)寒地區(qū)，最冷月月平均氣溫-15.2～-16.5 ℃。年平均氣溫為4.6～ 6.0 ℃，年平均降水量為670.4～528 mm，最大積雪深度為50～61 cm，土壤最大凍結(jié)深度為171～168 cm。

沿線地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅶ度，動(dòng)反應(yīng)譜特征周期是0.35 s。

1.3 工程地質(zhì)特征

隧址區(qū)地層主要為第四系殘坡積層、侏羅系安山巖、凝灰?guī)r及華力西晚期花崗巖。由于隧道地處斷裂帶的南側(cè)，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，隧址區(qū)內(nèi)地層受構(gòu)造影響，巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，花崗巖和安山巖相互穿插，如圖1所示。

DK241+925-DK242+010段發(fā)育有一正斷層，斷層產(chǎn)狀∠225 °/75-80 °， 斷層寬度約50 m； DK242+970-DK243+240段為華力西晚期花崗巖與侏羅系中上統(tǒng)安山巖接觸帶，巖體破碎，裂隙水相對(duì)富集。隧址區(qū)地表水不發(fā)育，地下水主要為基巖裂隙水。

1.4 存在的主要地質(zhì)問(wèn)題

隧道通過(guò)地層主要為華力西晚期花崗巖、侏羅系中安山巖和凝灰?guī)r，在強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下，不同巖性相互穿插，發(fā)育隱伏的節(jié)理裂隙發(fā)育帶及斷層帶，由于接觸變質(zhì)，節(jié)理、裂隙發(fā)育，地下水相對(duì)富集，圍巖相對(duì)較差；花崗巖還可能存在一定的放射性。欲查明本隧道通過(guò)地段的工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)特征，僅靠地表調(diào)繪和鉆探，在周期較短的情況下難以做到。

2 綜合勘察技術(shù)應(yīng)用過(guò)程和效果

2.1 遙感技術(shù)

初測(cè)階段，利用陸地衛(wèi)星影像，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，進(jìn)行宏觀區(qū)域地質(zhì)條件評(píng)價(jià)，為綜合選線提供了地質(zhì)依據(jù)。定測(cè)階段，利用航片，根據(jù)地質(zhì)判釋標(biāo)志，分析測(cè)區(qū)地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和不良地質(zhì)等對(duì)隧道工程的影響。完成衛(wèi)片解譯約 20 km2，航片判釋15 km2 ，很好地指導(dǎo)了地質(zhì)調(diào)繪[2]。隧址區(qū)大部分植被良好，遙感解譯反映該隧道通過(guò)2條斷裂，巖性以火成巖為主。

2.2 地質(zhì)調(diào)繪

在對(duì)區(qū)域地質(zhì)資料研究和遙感判釋的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程特點(diǎn)，在隧道區(qū)進(jìn)行了大面積的地質(zhì)調(diào)繪。共完成1：10 000工程地質(zhì)調(diào)繪16 km2，1：2 000帶狀工程地質(zhì)調(diào)繪5 km2，手持GPS定位測(cè)繪各種重要地質(zhì)點(diǎn)34個(gè)。

通過(guò)大面積地質(zhì)調(diào)繪發(fā)現(xiàn)，區(qū)域內(nèi)花崗巖和安山巖交替出現(xiàn)，根據(jù)地層新老關(guān)系，首先花崗巖侵入，然后噴出安山巖；故安山巖下部可能存在風(fēng)化的花崗巖；另發(fā)現(xiàn)該隧道通過(guò)斷層2條， F1斷裂兩側(cè)的巖性不一致，F(xiàn)2斷裂巖層有明顯的錯(cuò)動(dòng)，但由于露頭處均位于溝谷，隧道地表多為第四系覆蓋，不能進(jìn)行準(zhǔn)確的追蹤、量測(cè)和分析。

地質(zhì)調(diào)繪期間，對(duì)隧道溝谷的泉水和徑流進(jìn)行了水文觀測(cè)、統(tǒng)計(jì)和流量測(cè)定，分析了水文地質(zhì)條件。由于沖溝內(nèi)水量較小，受降雨影響明顯，隧道大部分地段在枯水季節(jié)為滴水狀態(tài)，為弱富水區(qū)，在豐水季節(jié)，涌水量可能增加。 并采用入滲法和徑流法對(duì)隧道涌水量進(jìn)行了分段計(jì)算，估算隧道正常涌水量為1 645 m3/d。隧道最大涌水量為3 290 m3/d。

2.3 綜合物探

針對(duì)調(diào)繪情況，為了查明斷層規(guī)模與位置、產(chǎn)狀和巖層接觸關(guān)系，采用了音頻大地電磁法（EH4）對(duì)全線進(jìn)行了貫通，對(duì)隧道進(jìn)出口段及淺埋地段采用高密度電法，完成了物探音頻大地電磁（EH-4）剖面4 670 m，高密度電法（AGI）2 000 m，并對(duì)物探異常帶采用鉆探進(jìn)行驗(yàn)證，然后深孔進(jìn)行了物探綜合測(cè)井。

2.3.1 音頻大地電磁法（EH4）

通過(guò)EH4的全線貫通， 根據(jù)電阻率值及等值線形態(tài)分析，如圖2所示，劃分了不同巖性的分界線及接觸關(guān)系；揭示構(gòu)造（斷層、破碎帶）平面位置、寬度、產(chǎn)狀及特征；分析了地下水發(fā)育情況及富水帶。

①地層巖性劃分。

DK240+490位置推斷為華力西晚期花崗巖與侏羅系中上統(tǒng)安山巖的巖性分界線。DK242+950——DK243+250段隧道洞身下部電阻率很高，推斷下部為侵入的花崗巖，表層為強(qiáng)風(fēng)化，較破碎。隧道進(jìn)出口段洞身附近電阻率值在100 Ωm左右，相對(duì)較低，為第四系風(fēng)化層，其余段隧道洞身附近電阻率值相對(duì)較高，等值線平緩，推斷為弱風(fēng)化基巖，較完整。

②斷層、破碎帶分析。

電阻率斷面圖上出現(xiàn)的電阻率值相對(duì)較低，等值線呈凹陷陡立狀的異常帶，推斷為斷層破碎帶反映[3]。DK240+705-DK240

+800段隧道洞身附近，電阻率值較低，等值線下凹，呈漏斗狀，上下貫通，推斷為斷層破碎帶F1，寬約95 m，傾向大里程，傾角80 °，中等富水；DK241+205-DK241+280段隧道洞身附近電阻率值變化劇烈，等值線凹陷，推斷為斷層破碎帶F2，寬約75 m，傾向小里程，傾角80 °，弱富水；DK242+070-DK242+120段隧道洞身附近為中等電阻率值反映，等值線程漏斗狀，推斷為斷層破碎帶F3，寬約50 m，傾向小里程，傾角75 °，弱富水。

③隧道圍巖富水性分析。

從電阻率斷面圖上電阻率值及等值線形態(tài)特征，分析認(rèn)為該隧道總體表現(xiàn)富水性不強(qiáng)。該隧道主要含水地段為斷層水及基巖裂隙水，主要分布于斷層、破碎帶。

在反演電阻率斷面圖上顯示，隧道通過(guò)F3斷裂外，還分布有其次生斷裂2條，與區(qū)域地質(zhì)資料及地表調(diào)查的情況基本吻合的有2條，1條在地表調(diào)查沒(méi)有顯示，但物探上有反應(yīng)；另外隧道內(nèi)安山巖段有先侵入的花崗巖，和區(qū)域資料以及調(diào)查的基本吻合。

2.3.2 高密度電法（AGI）

為了驗(yàn)證EH4物探異常，采用高密度電法（AGI）進(jìn)行勘探。根據(jù)反演電阻率斷面圖2，進(jìn)一步等查明巖性及分界、斷層破碎帶及節(jié)理裂隙發(fā)育帶。如圖3所示。

①地層巖性及分界。

DK240+442-DK240+462段兩側(cè)電阻率差異大，電阻率從大變小然后稍微變大，變化較均勻，接觸處無(wú)漏斗狀形態(tài)，結(jié)合地質(zhì)資料，該段為華力西晚期花崗巖與侏羅系中上統(tǒng)安山巖接觸帶，巖體較為破碎，弱富水，并非斷裂帶。

②斷層破碎帶及節(jié)理裂隙發(fā)育帶。

DK241+200-DK241+300段出現(xiàn)緩傾條帶狀低阻異常帶，推斷該低阻異常為節(jié)理裂隙發(fā)育帶，巖體破碎，弱富水。DK241+923-DK241+990段出現(xiàn)帶狀低阻異常帶，高阻中間出現(xiàn)明顯的低阻異常帶， 其電阻率為30～150 Ω·m之間，且自上而下貫通，推斷為斷層破碎帶，弱富水。

根據(jù)反演電阻率斷面圖， 和EH4的資料對(duì)比分析，F(xiàn)1斷裂實(shí)際上為巖性接觸帶的影響造成的假異常，不是斷裂帶；F2斷裂也只是節(jié)理裂隙發(fā)育帶；F3斷裂確為斷裂，位置和角度有調(diào)整。

2.4 鉆 探

在地質(zhì)調(diào)繪及物探成果的基礎(chǔ)上，選擇具有代表性的地帶及地質(zhì)條件復(fù)雜地段布設(shè)淺鉆孔184.7 m/4孔，深鉆孔426.1 m/3孔，主要查明洞身地層巖性，評(píng)價(jià)巖體的完整性及為圍巖分級(jí)提供了依據(jù)；查明斷裂構(gòu)造的分布及性質(zhì)；判定了地下水水位，預(yù)測(cè)涌水量；并對(duì)物探異常地段進(jìn)行驗(yàn)證，查明其準(zhǔn)確性；進(jìn)行孔內(nèi)綜合物探測(cè)井，并進(jìn)行孔內(nèi)水文地質(zhì)試驗(yàn)和地應(yīng)力測(cè)試等綜合試驗(yàn)。對(duì)隧道工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)發(fā)揮了重要作用。

2.4.1 對(duì)物探解譯的驗(yàn)證

JGSSZ-1鉆孔揭示安山巖中夾有凝灰?guī)r，巖芯很完整，呈長(zhǎng)柱狀，故和高密度電法結(jié)論基本一致，EH4的低阻異?？赡苁禽^軟的凝灰?guī)r引起；JGSSZ-4鉆孔揭示安山巖中夾有凝灰?guī)r，且32 m～95 m巖芯呈碎塊狀，有構(gòu)造引起的擦痕和變質(zhì)作用，而95 m以下較完整，證實(shí)了物探解譯的斷層；JGSSZ-6孔在40 m由弱風(fēng)化安山巖突變?yōu)榱嘶◢弾r的全強(qiáng)風(fēng)化，巖芯呈土狀、散砂狀，到58 m處巖芯轉(zhuǎn)為完整，為花崗巖的弱風(fēng)化，證實(shí)了EH4的推測(cè)。

2.4.2 涌水量計(jì)算

根據(jù)3個(gè)鉆孔的抽水試驗(yàn)和水位恢復(fù)的成果，采用裘布依理論式和佐藤邦明非穩(wěn)定流式，經(jīng)計(jì)算正常涌水量為1 223 m3/d，最大涌水量為為2 980 m3/d。

基于調(diào)繪和收集資料的水均衡法和基于水文試驗(yàn)的地下水動(dòng)力學(xué)法算出的結(jié)果基本一致，也跟物探以及綜合測(cè)井的富水性分析基本一致。故洞身單位長(zhǎng)度的可能最大涌水量約 0.70 m3/（d*m），判斷為弱富水區(qū)，斷裂帶局部為中等富水段。

2.5 綜合測(cè)井

在定測(cè)鉆探后，在鉆孔內(nèi)進(jìn)行了綜合測(cè)井，共完成426.1m，主要對(duì)自然伽瑪、聲波速度、視電阻率、自然電位、縱波速度、井徑、井斜及井溫、井液電阻率等參數(shù)進(jìn)行了實(shí)測(cè)，有效的揭示了巖體的完整性、節(jié)理發(fā)育及地下水發(fā)育等情況，

①根據(jù)深孔的綜合測(cè)井的資料，按照縱波速度對(duì)隧道圍巖分級(jí)為Ⅲ—Ⅳ級(jí)[5]。

綜合測(cè)井反映，波速值和鉆探成果基本一致，JGSSZ-1洞身的縱波速度較高，圍巖分級(jí)為Ⅲ級(jí)，證實(shí)此處完整基巖；而JGSSZ-4孔32～95 m縱波速度很低，為斷裂破碎帶；JGSSZ-6孔31 ～56 m處波速值最低，僅為2 km/s，電阻率約為305 Ω·m，分級(jí)為Ⅳ級(jí)，和鉆探揭示的花崗巖全強(qiáng)風(fēng)化層吻合。

②3孔內(nèi)最高γ照射量率為43.5γ，其年吸收劑量D= 9.12*10-4Gy，年有效劑量當(dāng)量He為0.64 mSv，為放射工作場(chǎng)所非限制區(qū)，無(wú)放射性危害；孔內(nèi)最高地溫為7.4 ℃，按照地溫梯度1.5℃/100 m估算，屬正常地溫區(qū)，不存在地?zé)嵊绊?；由井液電阻率曲線反映，無(wú)明顯地下水活動(dòng)，為弱富水區(qū)，局部為中等富水區(qū)。

3 施工期間的驗(yàn)證

隧道通過(guò)區(qū)Ⅱ級(jí)圍巖長(zhǎng)1 450 m，占總長(zhǎng)的31%；通過(guò)區(qū)Ⅲ級(jí)圍巖長(zhǎng)2 285 m，占總長(zhǎng)的48.9%；Ⅳ級(jí)圍巖長(zhǎng)690 m，占總長(zhǎng)的14.8%；Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)245 m，占總長(zhǎng)的5.3%。該隧道正常涌水量取1 645 m3/d。

該隧道進(jìn)出口均已經(jīng)開(kāi)挖150 m，開(kāi)挖后的圍巖和勘察的結(jié)果基本一致，涌水量正常，未出現(xiàn)變更情況。初步證明綜合勘察技術(shù)在此隧道運(yùn)用是成功的。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)綜合勘察對(duì)隧道圍巖進(jìn)行了劃分，經(jīng)過(guò)施工初步驗(yàn)證，勘察成果與實(shí)際地質(zhì)情況基本一致，綜合勘察效果顯著。

綜合勘察不是勘察手段的堆砌和羅列，而是各種手段環(huán)環(huán)相扣、相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證的過(guò)程： 在充分熟悉地質(zhì)資料的前提下，發(fā)揮遙感在區(qū)域地質(zhì)研究中的宏觀作用，利用航片作為指導(dǎo)進(jìn)行大面積的地質(zhì)調(diào)繪，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了以音頻大地電磁法（EH4）、高密度電法為主的綜合物探，定性或半定量的查明了隧道的巖性、斷裂構(gòu)造、富水帶的分布規(guī)律，也很好的指導(dǎo)了鉆孔的設(shè)計(jì)，同時(shí)鉆探成果也反過(guò)來(lái)驗(yàn)證地質(zhì)調(diào)繪、物探工作的成果。最后的綜合測(cè)井是對(duì)鉆探的驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

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