綜合勘察技術在長大隧道中的應用

劉銀巖 姜海杰

摘 要：某長大隧道埋深大、巖漿巖活動強烈、構造發育，在勘測過程中，采用多種勘察手段，發揮遙感的宏觀控制作用，以地質調繪為基礎，利用綜合物探的解譯，輔以鉆孔加以驗證，在實際工作中收到了很好的效果，為以后山區鐵路長大隧道的勘察提供了經驗。

關鍵詞：長隧道；遙感；物探；鉆探；綜合測井

中圖分類號：U452.11 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）20-0057-03

新建某隧道起訖里程為DK239+976～DK244+646，全長 4 670 m，最大埋深212 m。該隧道采用了航片判釋、地質調繪、EH-4大地音頻電磁法、高密度電法、鉆探、綜合測井等勘察手段，重點查明了區內地質構造、地層巖性以及巖漿巖接觸關系。

1 工程概況

1.1 地形地貌

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

1.2 氣象地震

隧址區屬北亞溫帶濕潤半濕潤大陸性季風氣候，為嚴寒地區，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，土壤最大凍結深度為171～168 cm。

沿線地震動峰值加速度為0.10 g，相當于地震基本烈度Ⅶ度，動反應譜特征周期是0.35 s。

1.3 工程地質特征

隧址區地層主要為第四系殘坡積層、侏羅系安山巖、凝灰巖及華力西晚期花崗巖。由于隧道地處斷裂帶的南側，地質構造發育，隧址區內地層受構造影響，巖漿活動強烈，花崗巖和安山巖相互穿插，如圖1所示。

DK241+925-DK242+010段發育有一正斷層，斷層產狀∠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安山巖接觸帶，巖體破碎，裂隙水相對富集。隧址區地表水不發育，地下水主要為基巖裂隙水。

1.4 存在的主要地質問題

隧道通過地層主要為華力西晚期花崗巖、侏羅系中安山巖和凝灰巖，在強烈構造運動作用下，不同巖性相互穿插，發育隱伏的節理裂隙發育帶及斷層帶，由于接觸變質，節理、裂隙發育，地下水相對富集，圍巖相對較差；花崗巖還可能存在一定的放射性。欲查明本隧道通過地段的工程地質條件及水文地質特征，僅靠地表調繪和鉆探，在周期較短的情況下難以做到。

2 綜合勘察技術應用過程和效果

2.1 遙感技術

初測階段，利用陸地衛星影像，結合區域地質資料，進行宏觀區域地質條件評價，為綜合選線提供了地質依據。定測階段，利用航片，根據地質判釋標志，分析測區地形地貌、地層巖性、地質構造和不良地質等對隧道工程的影響。完成衛片解譯約 20 km2，航片判釋15 km2 ，很好地指導了地質調繪[2]。隧址區大部分植被良好，遙感解譯反映該隧道通過2條斷裂，巖性以火成巖為主。

2.2 地質調繪

在對區域地質資料研究和遙感判釋的基礎上，結合工程特點，在隧道區進行了大面積的地質調繪。共完成1：10 000工程地質調繪16 km2，1：2 000帶狀工程地質調繪5 km2，手持GPS定位測繪各種重要地質點34個。

通過大面積地質調繪發現，區域內花崗巖和安山巖交替出現，根據地層新老關系，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化的花崗巖；另發現該隧道通過斷層2條， F1斷裂兩側的巖性不一致，F2斷裂巖層有明顯的錯動，但由于露頭處均位于溝谷，隧道地表多為第四系覆蓋，不能進行準確的追蹤、量測和分析。

地質調繪期間，對隧道溝谷的泉水和徑流進行了水文觀測、統計和流量測定，分析了水文地質條件。由于沖溝內水量較小，受降雨影響明顯，隧道大部分地段在枯水季節為滴水狀態，為弱富水區，在豐水季節，涌水量可能增加。 并采用入滲法和徑流法對隧道涌水量進行了分段計算，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

針對調繪情況，為了查明斷層規模與位置、產狀和巖層接觸關系，采用了音頻大地電磁法（EH4）對全線進行了貫通，對隧道進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，并對物探異常帶采用鉆探進行驗證，然后深孔進行了物探綜合測井。

2.3.1 音頻大地電磁法（EH4）

通過EH4的全線貫通， 根據電阻率值及等值線形態分析，如圖2所示，劃分了不同巖性的分界線及接觸關系；揭示構造（斷層、破碎帶）平面位置、寬度、產狀及特征；分析了地下水發育情況及富水帶。

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，表層為強風化，較破碎。隧道進出口段洞身附近電阻率值在100 Ωm左右，相對較低，為第四系風化層，其余段隧道洞身附近電阻率值相對較高，等值線平緩，推斷為弱風化基巖，較完整。

②斷層、破碎帶分析。

電阻率斷面圖上出現的電阻率值相對較低，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特征，分析認為該隧道總體表現富水性不強。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F3斷裂外，還分布有其次生斷裂2條，與區域地質資料及地表調查的情況基本吻合的有2條，1條在地表調查沒有顯示，但物探上有反應；另外隧道內安山巖段有先侵入的花崗巖，和區域資料以及調查的基本吻合。

2.3.2 高密度電法（AGI）

為了驗證EH4物探異常，采用高密度電法（AGI）進行勘探。根據反演電阻率斷面圖2，進一步等查明巖性及分界、斷層破碎帶及節理裂隙發育帶。如圖3所示。

①地層巖性及分界。

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

②斷層破碎帶及節理裂隙發育帶。

DK241+200-DK241+300段出現緩傾條帶狀低阻異常帶，推斷該低阻異常為節理裂隙發育帶，巖體破碎，弱富水。DK241+923-DK241+990段出現帶狀低阻異常帶，高阻中間出現明顯的低阻異常帶， 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。

根據反演電阻率斷面圖， 和EH4的資料對比分析，F1斷裂實際上為巖性接觸帶的影響造成的假異常，不是斷裂帶；F2斷裂也只是節理裂隙發育帶；F3斷裂確為斷裂，位置和角度有調整。

2.4 鉆 探

在地質調繪及物探成果的基礎上，選擇具有代表性的地帶及地質條件復雜地段布設淺鉆孔184.7 m/4孔，深鉆孔426.1 m/3孔，主要查明洞身地層巖性，評價巖體的完整性及為圍巖分級提供了依據；查明斷裂構造的分布及性質；判定了地下水水位，預測涌水量；并對物探異常地段進行驗證，查明其準確性；進行孔內綜合物探測井，并進行孔內水文地質試驗和地應力測試等綜合試驗。對隧道工程地質、水文地質條件及圍巖穩定性評價發揮了重要作用。

2.4.1 對物探解譯的驗證

JGSSZ-1鉆孔揭示安山巖中夾有凝灰巖，巖芯很完整，呈長柱狀，故和高密度電法結論基本一致，EH4的低阻異常可能是較軟的凝灰巖引起；JGSSZ-4鉆孔揭示安山巖中夾有凝灰巖，且32 m～95 m巖芯呈碎塊狀，有構造引起的擦痕和變質作用，而95 m以下較完整，證實了物探解譯的斷層；JGSSZ-6孔在40 m由弱風化安山巖突變為了花崗巖的全強風化，巖芯呈土狀、散砂狀，到58 m處巖芯轉為完整，為花崗巖的弱風化，證實了EH4的推測。

2.4.2 涌水量計算

根據3個鉆孔的抽水試驗和水位恢復的成果，采用裘布依理論式和佐藤邦明非穩定流式，經計算正常涌水量為1 223 m3/d，最大涌水量為為2 980 m3/d。

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

2.5 綜合測井

在定測鉆探后，在鉆孔內進行了綜合測井，共完成426.1m，主要對自然伽瑪、聲波速度、視電阻率、自然電位、縱波速度、井徑、井斜及井溫、井液電阻率等參數進行了實測，有效的揭示了巖體的完整性、節理發育及地下水發育等情況，

①根據深孔的綜合測井的資料，按照縱波速度對隧道圍巖分級為Ⅲ—Ⅳ級[5]。

綜合測井反映，波速值和鉆探成果基本一致，JGSSZ-1洞身的縱波速度較高，圍巖分級為Ⅲ級，證實此處完整基巖；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，分級為Ⅳ級，和鉆探揭示的花崗巖全強風化層吻合。

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

3 施工期間的驗證

隧道通過區Ⅱ級圍巖長1 450 m，占總長的31%；通過區Ⅲ級圍巖長2 285 m，占總長的48.9%；Ⅳ級圍巖長690 m，占總長的14.8%；Ⅴ級圍巖長245 m，占總長的5.3%。該隧道正常涌水量取1 645 m3/d。

該隧道進出口均已經開挖150 m，開挖后的圍巖和勘察的結果基本一致，涌水量正常，未出現變更情況。初步證明綜合勘察技術在此隧道運用是成功的。

4 結 語

通過綜合勘察對隧道圍巖進行了劃分，經過施工初步驗證，勘察成果與實際地質情況基本一致，綜合勘察效果顯著。

綜合勘察不是勘察手段的堆砌和羅列，而是各種手段環環相扣、相互補充、相互驗證的過程： 在充分熟悉地質資料的前提下，發揮遙感在區域地質研究中的宏觀作用，利用航片作為指導進行大面積的地質調繪，在此基礎上開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、斷裂構造、富水帶的分布規律，也很好的指導了鉆孔的設計，同時鉆探成果也反過來驗證地質調繪、物探工作的成果。最后的綜合測井是對鉆探的驗證。

參考文獻：

[1] 許再良.太行山特長隧道綜合勘察技術的應用與效果[J].鐵道工程學 報，2007，（10）.

[2] 陳仲候，王興泰，杜世漢.工程與環境物探[M].北京：地質出版社，1993.

[3] TB 10049-2004，鐵路工程水文地質勘察規程[S].

[4] TB 10003-2005，鐵路隧道設計規范[S].