綜合勘察方法在麻粒巖地區長大隧道工程勘察中的應用

馬 佳 段俊彪

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

新建呼和浩特至張家口快速鐵路大尖山隧道位于河北省張家口市懷安縣與內蒙古烏蘭察布市興和縣、山西省大同市天鎮縣交界處,為西洋河與東洋河流域的分水嶺。工點位于該線DK65+240～DK75+721.72段,全長10 481.72 m,洞身最大埋深達265 m,進口路肩高程1 091.6 m,出口路肩高程1 264.4 m,隧道洞身設三個斜井。根據《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2005)規定,長度大于10 km的隧道為特長隧道。該隧道所通過山區巖性多為太古界麻粒巖,該地區經受長期多期次構造運動影響,巖體斷裂構造發育,特別是小斷層分布較多,發育多組節理,巖體完整性普遍較差。隧道經過多條大小不等的巖體破碎帶,破碎帶內富水性好。綜合來看,該隧道長度大,工程地質條件復雜,需采取有效的手段查明隧道區的地質情況,才能為工程地質選線和隧道設計與施工提供準確可靠的地質資料。

1 勘察概況

2009年12月至2010年6月,首先對隧道進行了1∶10 000大面積工程地質及水文地質調繪,重點查明線路左右各2 km范圍內的地貌、地層、構造、水文等。2010年7月開展定測工作后又進行了1∶2 000工程地質調繪,重點查明線路范圍內地質構造、地層巖性與層序；同時進行1∶2 000水文地質調查,重點查明區內地下水的補給、徑流、排泄條件及地層的含水性,初步掌握了隧址區的工程地質及水文地質條件。在定測勘察過程中,綜合利用了航片判釋、工程地質及水文地質調繪、物探、淺孔鉆探、深孔鉆探、水文試驗、綜合測井等方法,通過綜合多種方法得到的信息,分析評價該隧道工程地質及水文地質條件。

2 綜合地質勘察方法及過程

2.1 資料收集與航片判釋

主要收集了區域地質資料和附近已建高速公路勘察期間的部分地質資料,對地區巖性、構造的分布有了初步的了解。該地區麻粒巖(granulite)是以含紫蘇輝石為特征的中高級區域變質巖石。隧道經過山區整體上為一向北方傾倒的背斜構造,軸面傾向南,線路走向為北西向,線路與背斜軸向約成40°夾角橫穿背斜山體,區域圖上標識有數條大的斷裂構造。

根據航片判釋,隧道經過山區進口段以及山區沖溝邊緣為土層覆蓋,其余地段多為基巖出露。該地區主要巖性為麻粒巖,但麻粒巖地層中穿插多條巖脈,巖性為混合花崗巖、輝綠巖等,大的巖脈寬度達50～200 m。通過航片判釋,明確了現場調查的重點區域。

2.2 野外地質調查

根據航片判釋的結果和區域地質圖提供的信息,野外地質調繪的重點放在現場驗證區域地質圖勾繪的斷層位置,查明巖脈的位置、寬度,追溯其走向、延伸長度,查明不同巖性間的接觸關系等。

根據地質調繪,沿線位在隧道范圍內共發現7條破碎帶。其中處于麻粒巖地層中的破碎帶6條,麻粒巖與泥巖夾砂巖接觸破碎帶1條。

在進行工程地質調繪的同時,對沿線山區出露的泉水及地表徑流等進行了觀測、統計、水量估算,初步了解了隧道區地表水的匯集、補給與排泄條件。隧道所在山體上方深切沖溝發育,部分沖溝內可見地表徑流,水量小,由泉水及大氣降水補給。雨季沖溝內有洪水。

2.3 物探

在山區工程地質勘察中,物探具有工效高、成本低、應用廣、透視性強等優點。在物探方法的選擇上,綜合考慮了不同方法的優缺點,采取沿隧道軸線貫通布置了音頻大地電磁法物探,部分異常地段布置了高密度電阻率法進行了復核。

音頻大地電磁法采用的儀器為美國GEOMETRICS公司的EH4音頻大地電磁測量系統,高密度電阻率法數據采集使用WDA-1超級數字直流電法儀。在整個隧道,物探EH4剖面基本沿線路貫通布置,高密度電阻率剖面根據需要分兩段布置。隧址范圍內地層的基本物性為：Q3的黃土層、侏羅系(J2)泥巖夾砂巖電阻率最低,基巖破碎帶、斷層破碎帶、巖性接觸帶等電阻率比較低,而太古界麻粒巖(Arm)基本為高電阻率特征反映。砂質黃土(Q3),電阻率約50～100 Ω·m；泥巖夾砂巖(J2),電阻率約50～150 Ω·m；泥巖(J2),電阻率約25～50 Ω·m；完整麻粒巖(Arm),電阻率約500～1 500 Ω·m；風化、破碎麻粒巖(Arm),電阻率約300～500 Ω·m。物探結果結合前期地質資料,將物性分布圖轉化為地質剖面圖(見圖1、圖2)。

圖1 音頻大地電磁法電阻率等值線(隧道局部)

圖2 物探解譯地質斷面(隧道局部)

根據現場調繪,隧道進出口覆蓋有第四系全新統風積砂質黃土,隧道出口段位于侏羅系砂巖夾泥巖,其余大部分段落均為太古界麻粒巖。在資料處理過程中,應認真核對已知地質資料,不斷調整反演參數,找出物探異常帶和地層結構的對應關系,總結出最合適的處理參數,并對所有資料進行反演計算,力求物探資料合理可靠。整個隧道地段的EH4剖面推斷的巖性分界、破碎帶位置，與高密度電阻率剖面推斷的巖性分界、破碎帶位置基本一致,其物性分布形態與地層分布形態對應良好,基本反映了隧道地段的物性基本特征。

高密度電阻率法的勘探深度有限,不能探測隧道深部的地質情況(正常情況下高密度電阻率法的有效探測深度在150～180 m左右),對于陡峻地段的探測也受地形限制或影響；EH4音頻大地電磁法,探測深度較大(有效探測深度可以達到800 m),但分辨率稍差一些,易受外界電磁場的干擾影響。EH4音頻大地電磁法與高密度電阻率法的有效結合,相互印證、相互補充與完善,達到了預期的目的,基本探明了測區巖性分布形態、巖性分界位置、斷層及破碎帶的位置與分布形態,指導了隧道深孔鉆探的布設。

2.4 鉆探

淺孔鉆探主要是為了查明隧道洞口位置和淺埋段的地層情況,根據這些鉆孔反映的情況,基本摸清了隧道洞口段覆蓋層的厚度,了解了洞口段和淺埋段巖層的風化程度、破碎程度。

深孔鉆探是為了驗證地質調查、物探所推測斷層的情況,同時也為后續水文試驗、綜合測井等提供條件。深孔的位置受地形和進場條件限制比較大,整個隧道段共完成10個。根據深孔鉆探巖芯比對,部分地段麻粒巖裂隙發育程度較高,且麻粒巖地層中存在與混合花崗巖、輝綠巖的接觸破碎帶。

2.5 水文地質試驗與隧道涌水量預測

為了獲得較為準確的水文地質參數,在已完成的隧道深孔內進行了水文地質試驗。深孔處地下水位較高,選用抽水試驗方案。試驗過程按照《鐵路工程水文地質勘察規程》(TB10049—2004)的相關要求進行。分析抽水試驗曲線為承壓水,采用承壓水完整井公式計算。利用所得到的麻粒巖地層的滲透系數計算結果,采用地下水動力學法非穩定流進行隧道涌水量預測,所預測計算的涌水量包括可能正常涌水量和可能最大涌水量。表1為大尖山隧道DJSZ-2號孔內穩定流抽水試驗三個降深的試驗數據及計算結果,式(1)為佐藤邦明非穩定流計算公式。

表1 DJSZ-2號孔抽水試驗計算

(2)

qs=q0-7.475·K·r0

式中qo——隧道通過含水體地段的單位長度最大涌水量/(m3/d·m)；

qs——隧道通過含水體地段的單位長度正常涌水量/(m3/d·m)；

m——換算系數,一般取0.86；

K——含水體滲透系數/(m/d)；

h2——靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離/m；

ro——洞身橫斷面等價圓半徑/m；

hc——含水體厚度/m。

該計算結果與大氣降水法計算結果進行了對照,大氣降水入滲法采用公式為

Q=2.74·α·W·A

式中α——降水入滲系數,取值0.10；

W——年降水量/mm；

A——隧道通過含水體地段的集水面積。

根據計算結果,隧道段多為中等富水區,部分沖溝所在段落為強富水區,隧道進出口段為貧富水區。

2.6 綜合測井

在已完成深孔內進行了綜合測井,主要測量項目為孔徑、傾斜度、地溫、波速、井液電阻率、自然伽瑪、人工伽瑪、孔內電視攝像。根據測井資料,深孔范圍內地溫正常,放射性在洞身范圍內小于50γ,年有效劑量當量He<5 mSv,屬于非限制區,對人身體無害。通過波速測試對圍巖級別進行了劃分,同時將自然伽瑪、人工伽瑪曲線解譯結果，與鉆探巖芯、孔內攝像分析結果進行了比對,裂隙發育、破碎段的劃分結果基本吻合。

3 綜合分析及結論

在以上工作完成后,對所得到信息進行了歸總分析：地質調查共發現有7條破碎帶,物探解譯共有10條破碎帶,其中有5條破碎帶與地質調繪發現的斷層破碎帶位置基本吻合。按照里程進行圍巖劃分,隧道圍巖分級共分三級,其中Ⅴ級圍巖3 913.72 m,占37.3%,Ⅳ級圍巖4 329 m,占41.3%,Ⅲ級圍巖2 239 m,占21.4%。按照水文條件進行劃分,給出了地下水量較為豐富、施工時易產生涌水突泥的段落。

在此隧道的勘察工作中,運用了多種方法,最后綜合分析得出了勘察結論。對于長大隧道工程,地質條件復雜,單一的勘察手段往往局限性很大,得到的信息很有限。例如,采用深孔鉆探揭露的地層較為直觀,但存在進場困難、工期長、對于埋深較大地段難以達到洞身深度等問題；物探野外操作相對簡便,但在缺乏地質資料的情況下存在多解譯性。采用多種方法互為輔助,綜合其成果進行分析,結果之間進行對比驗證,能夠保證勘察質量,得到具有較高可信度的結果。

[1]鐵道第一勘察設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京：中國鐵道出版社,1999

[2]TB10012—2007 鐵路工程地質勘察規范[S]

[3]TB10049—2004 鐵路工程水文地質勘察規程[S]

[4]TB10003—2005 鐵路隧道設計規范[S]

[5]何振寧.鐵路地質綜合勘探技術的應用[J].鐵道工程學報，2005(12):448-456

[6]孫英勛.EH4電磁成像系統在高速公路長大深埋隧道勘察中的應用研究[J].工程地質學報，2005,13(4):546-550