五指山隧道綜合勘察手段的應用

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

1　概述

五指山隧道全長12 207 m，為南廣鐵路第二長隧道。該隧道位于云開山脈東北段，屬中低山區，地形起伏變化較大，谷底與分水嶺相對高差80～200 m，最大埋深407 m，地表植被茂密。

該隧道采用了航片判釋、地質調繪、鉆探、原位測試、EH-4大地音頻電磁法、孔內攝像、綜合測井、水文測井、深孔抽水試驗、放射性測試、巖土及水質分析室內試驗等綜合勘察手段，查明了隧道工程地質、水文地質特征。

通過1∶2 000工程地質與水文地質調繪，查明了區內地質構造、地層巖性與層序，對部分巖性分界及構造行跡進行了追索。重點查明區內地表水的分布及性質，以及地下水的補給、徑流、排泄條件等。根據地質調查情況及區域地質資料，布設了一條大地音頻電磁(EH-4)剖面，重點查明地層性質、風化層厚度，查明地下水的分布及富水情況。根據地質調繪及物探成果布置鉆孔，在物探異常區及其他巖性接觸帶等需核實的位置布置了深孔6孔，在隧道進出口及洞身淺埋地段布置淺孔7孔，淺孔孔內進行了原位測試，采取巖土樣及水樣。各種試樣分別進行了土工試驗、巖石強度試驗及水質侵蝕性分析試驗；深孔進行了孔內綜合測井、水文測井，同時每個孔都做了抽水試驗及孔內攝像。對加里東期花崗巖取樣做了放射性測試。通過對以上資料的綜合分析和判定，基本查明了隧址區的工程地質及水文地質條件，為準確劃分隧道圍巖級別提供依據。

2　工程地質特征

隧道穿越的地層主要為加里東期(地槽)廣西運動扶南序列侵入巖，侵入時代為早志留系S1W(塢泥單元)及S1G(高圍單元)，侵入巖性為中—粗粒黑云母斑狀花崗巖，以巖基侵入為主，其次為巖株式。K361+301之后為寒武系高灘組及水石組地層，地層巖性主要為千枚巖及石英砂巖。侵入接觸面走向一般為北東向，傾向東南，傾角30°～40°。花崗巖地層與寒武系地層呈侵入接觸關系，接觸產狀變化較大。

隧址區位于北東向高要大斷裂的西側，花崗巖受動力變質作用影響強烈而廣泛，延伸方向為北東向，與區域斷裂構造方向一致。由于各巖體受動力變質強度不一，因而產生的動力變質巖性不同，動力變質作用輕微處產生輕微壓碎花崗巖，較強烈處產生碎裂花崗巖，最強烈處產生花崗糜棱巖和超糜棱巖。隧址在花崗巖區無斷裂穿過，但受強烈的構造作用影響，片理非常發育，片理走向一般為北東向，傾向東南，傾角一般為30°～40°，對隧道圍巖影響較大。花崗巖與寒武系千枚巖、石英砂巖(∈)呈侵入接觸關系，侵入接觸面產狀100°∠70°。

3　綜合勘察方法的應用及成果

3.1　航片判譯

在里程為K361+750附近有一條斷層，經查閱1∶5萬區域地質圖，證實為沙帽崗斷層，該斷層走向為北東向，產狀為300°∠50°，延伸長度約1 km，斷層破碎帶寬約50 m，為正斷層。在洞身段，分布有2處小型滑坡，但距離洞身較遠，對隧道安全影響較小。

3.2　工程地質與水文地質調繪

本區屬南亞熱帶季風濕潤氣候區，全年高溫多雨，地表植被茂密、草木叢生，山體自然坡度較大，地質調繪難度較大。針對本工程特點，現場制定了一套切實可行的調繪方案，即工程地質調繪在依托區域地質資料的基礎上，現場追溯地質界線、地質點，發現新的地質體后再反饋到地質圖上，簡而言之即核對、補充；水文地質調繪工作，主要沿溝谷展開，找尋出水點，量測涌水量，查清地下水儲存、補給、滲流條件等，并取樣做水質分析試驗。

通過調繪完成觀測點84個，其中地貌、地層及構造觀測點74個，水文觀測點10個。查明了地層層序和地質界線，不良地質體、地質構造的性質及分布情況，查明了地表水、地下水分布范圍、流量、儲存、補給條件和水質等情況(如表1所示)。

表1　水文觀測點一覽

3.3　大地音頻電磁法探測

根據隧道工程設置特點，布設了一條長度為12 400 m的大地音頻電磁剖線，通過探測，在隧道洞身共發現6處低阻異常帶，經推斷和分析，該6處低阻異常帶對隧道圍巖影響較大，設計和施工時應充分考慮(如表2所示)。

表2　物探低阻異常帶一覽

3.4　地質鉆探及原位測試

根據地形地貌特征，結合區域地質資料及物探探測結果，有針對性地布設了6個深孔、7個淺孔，共1 458 m。孔內進行了原位測試，并取巖土試樣進行了室內試驗，查清了孔位處地層巖性、不同巖性間的接觸關系、巖土體界面、巖體風化界線、節理裂隙發育程度、斷層破碎帶寬度及破碎帶巖性等情況，通過分析上述情況，可以直觀地掌握隧道通過段地質情況。

3.5　孔內測井

勘察過程中，選擇3個深孔進行了孔內綜合測井，即通過聲測井、核測井、電測井和工程測井，達到劃分地層巖性、判斷構造、確定巖體完整性和風化程度，確定含水層部位及含水層間補給關系等目的，同時查明鉆孔傾斜程度和孔底溫度(即隧道洞身開挖時的溫度)。

通過測試，為隧道圍巖級別劃分提供了較為準確的基礎資料，并查明該隧道花崗巖段落自然放射性強度為14.57～38.18γ，自然γ活度為40.8～106.9Bq，為正常背景值，根據《鐵路工程不良地質地質勘察規范》(TB10027—2001)，判定該區無放射性危害。通過井液電阻率和井溫曲線反映，隧道洞身無明顯地下水活動。花崗巖特征見表3。

表3　花崗巖特征一覽

3.6　水文參數計算及隧道涌水量預測

根據現場調查，結合鉆探資料及區域資料綜合分析，預測隧道大部分花崗巖地段在枯水季節處于干燥或有少量滲水，寒武系砂巖大部分地段在枯水季節偶有滲水。在豐水季節，地表水量豐富，地下水位升高，隧道涌水量增加。

利用大氣降水入滲法和地下水動力學法來預測隧道涌水量。根據地層巖性結合地質調繪，本隧道涌水量可分為兩段計算，即K352+047～K361+301和K361+301～K364+255。

(1)大氣降水入滲法

①正常涌水量

依據公式：Q=2.74×α×W×A

式中α——降水入滲系數；

W——年降水量/mm，取值1 598 mm；

A——隧道通過含水體地段的集水面積/km2。

K352+047～K361+301，α1=0.15，A1=9.254，經計算Q1=6 078 m3/d。

K361+301～K364+255，α2=0.2，A2=2.954，經計算Q2=2 586 m3/d。

正常涌水量總值Q=Q1+Q2=8 664 m3/d。

②最大涌水量

W取值2 138.8 mm，總值Q=11 596 m3/d。

(2)地下水動力學法

①正常涌水量

依據裘布依理論式：Qs=L×K×(H2-h2)/(Ry-r)

式中Qs——隧道正常涌水量/(m3/d);

K——含水體滲透系數/(m/d)；

H——洞底以上潛水含水體厚度/m；

h——洞內排水溝假設水深(一般考慮水躍值)/m；

Ry——隧道涌水地段的引用補給半徑/m；

r——抽水孔出水半徑/m；

L——隧道通過含水體的長度/m。

K352+047～K361+301，K=1.72×10-3m/d，H=207.6 m，h=0.4 m，Ry=500 m，r=6.5 m，L=9 253 m，經計算Q0-1=1 390 m3/d。

K361+301～K364+255，K=1.78×10-2m/d，H=170 m，h=0.4 m，Ry=500 m，r=6.5 m，L=2 954 m，經計算Q0-2=3 079 m3/d。

正常涌水量總值Q0=Q0-1+Q0-2=4 469 m3/d。

②最大涌水量

依據古德曼經驗公式

Q0=L×(2π×K×H)/In(4H/d)

式中Q0——隧道通過含水體地段的最大涌水量/(m3/d)；

K——含水體滲透系數/(m/d)；

H——靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離/m；

d——洞身橫斷面等價圓直徑/m；

L——隧道通過含水體的長度/m。

K352+047～K361+301，K=1.72×10-3m/d，H=201.1 m，d=13 m，L=9 253 m，經計算Q0-1=4 873 m3/d。

K361+301～K364+255，K=1.78×10-2m/d，H=163.5 m，d=13 m，L=2 954 m，經計算Q0-2=13 779 m3/d。

最大涌水量總值Q0=Q0-1+Q0-2=18 652 m3/d。

綜合以上三種方法，該隧道正常涌水量取8 664 m3/d，最大涌水量取18 652 m3/d。隧道開挖過程中，經現場量測，該隧道涌水量為0.11～0.2 m3/s，即為9 504～17 280 m3/d，與設計預測值較為接近。

3.7　隧道圍巖級別劃分

綜合上述各種勘察手段的成果，并考慮地下水影響、隧道結構物的設置情況等，做出隧道圍巖級別劃分判定，見表4。

表4　隧道正洞圍巖分級一覽

經隧道施工開挖驗證，僅有少量圍巖級別跨級調整，未引起Ⅰ類變更，故本次勘察手段選擇較合理，勘察成果較科學。

[1]鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2007

[2]鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程地質勘察規范[S].北京：中國鐵道出版社，2007

[3]樓文虎，舒磊.中國第一座特長越嶺隧道-西康鐵路秦嶺隧道[J].鐵道工程學報，2005(增刊)：185-191