可溶巖區長隧洞工程地質問題研究與分析

季 旭

(遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧 沈陽 110003)

引 言

在遼寧省某輸水工程4-6隧洞段(樁號176+382～193+498)，其3#主洞下游側洞段穿越地層巖性為薊縣系霧迷山組燧石條帶白云質灰巖、侏羅系髫髻山組砂礫巖，其中白云質灰巖屬可溶巖;且自樁號187+488開始溶蝕風化較重，洞室圍巖以紅褐色粘土夾弱風化塊石為主，呈板狀、塊狀，塊徑在0．2～0．8m不等，塊石與粘土分布不均，洞壁呈干燥狀，局部略見少量滴滲水。由于該隧洞段上述復雜地質條件，在隧洞鉆孔爆破法施工過程中，僅采用少量的掏槽孔裝藥。其余采用機械開挖，但超欠挖極難控制，加上開挖過程中時常伴隨著塌方，存在嚴重安全隱患，致使施工進度緩慢。針對上述原因，本文在3#主洞下游樁號187+488～188+430段進行補充勘察的基礎上，深入研究了該段可溶巖地層的主要工程地質問題，并分析闡明了其形成原因。

1 基本地質條件

本隧洞段為無壓隧洞，斷面為馬蹄形，成洞洞徑6．0m，隧洞采用鉆孔爆破法施工，進、出口同時開挖，并設有5條支洞。洞室地表為淺U形溝谷，寬約600m，洞室埋深60～106m。溝內河道寬約5～15m。洞室穿越巖性為侏羅系髫髻山組(J2t)砂礫巖、霧迷山組(Jxw)燧石條帶白云質灰巖等。

根據1∶20萬區域地質資料表明，該段發育下平房子 ～羊草溝區域斷裂 hf87，張扭性，產狀NE21°NW∠50°，斷裂帶寬30～70m，發育長度＞23km，與洞軸線相交于樁號187+620，呈86°夾角，上部被第四系覆蓋，厚約2～36m。

區內地下水類型主要分為:孔隙潛水、基巖裂隙水、巖溶裂隙水。勘察期間為枯水期，本區地表水干涸，地下孔隙潛水埋深1．6m左右。根據已開挖洞室揭露，溶蝕裂隙、溶蝕孔洞中多有粘土充填，充填密實，且膠結良好，不具備較大量地下水賦存條件。因此，推斷區內巖溶裂隙水不發育，以基巖裂隙水為主。

2 勘察布置

為進一步查明強烈溶蝕風化帶的分布范圍和區域斷裂及兩組地層界線在洞室范圍的具體分布位置，以及對洞室圍巖的影響;同時，查明巖性接觸帶部位的水文地質地質條件，并對洞室可能存在的工程地質問題進行合理評價。故在本區域進行有效的勘查布置。

據區域資料表明，該段發育較大規模斷裂構造，分布可溶巖地層。因此，前期勘察已對該段較為重視，共布置6個鉆孔。其中侏羅系髫髻山組地層布置鉆孔2個、薊縣系霧迷山組地層布置鉆孔4個。由于薊縣系霧迷山組地層兩個鉆孔FBK20、FBK51，鉆孔提示以巨塊石夾泥為主，漏水嚴重鉆探難度大，故未穿越洞室。考慮前期勘察鉆探實際情況，本次首先采用可控源變頻大地測量EH-4的方法，對該段進行物探測試;結合前期勘察及本次物探成果，有針對性的布置鉆孔1個;以便復核物探測試成果的精度，并查明薊縣系霧迷山組與侏羅系髫髻山組的接觸界線。

3 EH-4方法應用及成果解析

3.1 應用方法與技術

本次物探采用的可控源變頻大地電磁測量EH-4，又稱StrataGem MT。主要設備:EH-4大地電磁測深(MT)儀、動態GPS-RTK(發射頻率從500Hz～100kHz)，反饋式高靈敏度低噪音磁棒和特制的電極(分別接收X、Y兩個方向的磁場和電場)，18位高分辨率多通道全功能數據采集、處理一體機。

在測點距以大地電磁法曲線不失去連續性原則下，根據野外實際情況主測線采用10m、20m點距和極距不等，各測點首尾相連張量探測。在地形變化較大段，進行必要的地形改正，電極距采用水平距相等測量，且X、Y兩個方向的磁棒保持水平;同時，磁棒的方向偏差小于5°。

EH-4勘探野外工作布置連結見圖1。

圖1 EH-4勘探野外工作布置連結圖

3.2 資料解譯方法

EH-4通過發射和接收地面電磁波來達到電阻率或電導率的測深。連續的測深點陣組成地下二維電阻率剖面。

根據電磁波傳播理論、亥姆霍茲方程:

式中f是頻率，ρ是電阻率，μ是磁導率。上式可用于確定大地的電阻率:

式中ρ的單位是Ω·m，E的單位是mv/km，H的單位是nT。

對于水平分層大地，此表達式不再適用，但用它計算得到的電阻率將隨頻率改變而變化，因為大地的穿透深度或趨膚深度與頻率有關。

式中δ的單位是m。由此式計算得到的電阻率稱視電阻率。在一個寬頻帶上測量E和H，并由此計算出視電阻率和相位，可確定地下構造。

對于一般的不均勻大地，阻抗是空間坐標的函數，完整的描述應當是含有四個元素的張量，每個元素與場的正交分量有關:

要確定四個阻抗元素，需要幾個極化不同的磁場。例如，振幅相位和極化固定不變的單一正弦形式的電場和磁場波列，就不能用于計算這四個未知數。通常要用四個場分量的自功率譜或互功率譜來計算阻抗，例如，Zxy計算出來的解是:

在上述方程中，Z的解受到磁場極化的很大影響，如果在用于計算功率譜的頻率區間內磁場極化固定不變，那么Hx和Hy的相關度接近1，Z的解將很不穩定。通過計算，確定Zxy和Zyx之中的某個元素反映平行于走向的電場的阻抗，這個角度便能反映地質構造的走向。

在實時處理的過程中，根據每個測點給出的視電阻率、相位、相關度及振幅曲線，進行數據質量的實時分析。對于一些不可靠的數據可以從曲線中剔除，然后繼續測量，或者整條曲線的數據質量太差，采取措施后實施重復測量。在完成整條測線的連續觀測后，可在現場采用EMAP法(該法可以有效地消除靜態效應)給出擬二維反演解譯結果的灰度圖。后續數據的處理包括兩方面內容:(1)在主機上對野外數據進行相關系數、濾波系數的調整或對時序資料(Y或V文件)進行逐個挑選或剔除等重新處理;盡量降低影響因素，突出有用異常，達到實用目的。(2)在上述工作的基礎上，將最終處理后的結果文件(Z或W)拷貝到PC機上，做進一步解譯及二維反演處理，進行彩色成圖等。此圖可清晰地反映出所測各斷面電性變化，根據不同巖性的物理特征和它形成的電性分布情況，可直觀、定性定量地劃分出巖層及構造等地質形態。

3.3 EH-4測試成果解析

本次187+380～188+430段EH4大地電磁法測試軸線電阻率剖面見圖2。

圖2 軸線電阻率剖面

參考前期資料，本次物探初步推斷樁號187+380～188+430段隧洞巖體大部分破碎，只有少量區段較完整，具體分析如下:

樁號187+550處呈低阻(ρs＜400Ω·m)異常反映，解譯推斷為hf87構造異常帶，沿洞軸線影響范圍約230m(樁號187+478～187+708)。

樁號187+808處呈低阻(ρs=100～400Ω·m)異常反映，解譯推斷為f1構造異常帶，沿洞軸線影響范圍約40m(樁號187+790～187+830)。

樁號188+177處呈低阻(ρs＜150Ω·m)異常反映，解譯推斷為f2構造異常帶，沿洞軸線影響范圍約80m(樁號188+118～188+198)。

樁號187+950處呈低阻(ρs＜150Ω·m)異常反映，結合前期勘察資料成果推測，該處為白云質灰巖與砂礫巖巖性接觸帶，兩種地層巖性為斷層接觸關系，因此，該部位呈低阻異常反映。樁號187+922～187+987范圍內，電阻率小于100Ω·m，推測分析該段為構造影響帶，帶內可能含水。

樁號188+402～188+430段、188+118～188+198段，電阻率小于150Ω·m，明顯偏低，推測分析為巖體破碎，破碎帶內含水。

4 主要成果及工程地質評價

4.1 勘察主要結論

4.1.1 巖體風化評價

本段洞室開挖揭露的霧迷山組白云質灰巖為碳酸鹽，風化特性與侏羅系髫髻山組沉積的砂礫巖不同。按巖性不同風化分為:溶蝕風化、物理風化。

(1)溶蝕風化

本段洞室霧迷山組巖體按溶蝕風化特點可分為兩類:

強烈溶蝕風化:洞室圍巖多由粘土夾塊石組成，塊石多為微風化～新鮮巖，呈板狀、塊狀、巨塊狀，巖塊斷口色澤新鮮，敲擊聲清脆。主要分布洞室樁號為187+488～187+840。

裂隙性溶蝕風化(上帶):洞室圍巖完整性較好，巖石強度較高，局部可見溶蝕裂隙，但發育寬度有限，僅幾厘米至十幾厘米，裂隙間局部夾粘土。偶見較小溶洞，但多有粘土充填。主要分布洞室樁號為187+840～187+950。

(2)物理風化

洞室穿越侏羅系髫髻山組巖體段埋深多在60m左右，除巖性接觸帶部位，巖體多呈弱風化，巖石表面或裂隙大部分變色，斷口色澤較新鮮，巖石原始組織結構清楚完整，但大多數裂隙已風化，錘擊啞聲～較清脆。

4.1.2 巖體物理力學性質

在各階段鉆孔中取弱風化巖進行了室內巖塊物理力學性質試驗(見表1)。

4.2 主要工程地質問題及評價

通過EH-4物探測試解譯結合鉆探成果分析，本段可溶巖地層主要存在洞室圍巖穩定、洞室涌水兩問題:

(1)洞室圍巖穩定問題

薊縣系霧迷山組巖體洞段受區域構造hf87及溶蝕風化影響較重，影響帶內巖體溶蝕裂隙、溶洞較發育，多由粘土充填，局部由粘土包夾塊石，由于粘土膠結能力有限，施工過程中極易發生塌方，建議對該部位巖體及時進行剛性支護，并結合采取超前支護措施，應特別注意加強對洞室的變形監測工作。

表1 巖石物理力學參數試驗成果表

根據鉆孔揭露兩組巖體為不整合接觸，接觸面走向與洞室交角較大，但傾角較緩，對洞室影響范圍較長，接觸帶內巖體較破碎～破碎，風化蝕變作用較強，巖石強度較低，洞室圍巖不穩定，自穩時間較短。開挖過程中極易產生塌方、片幫等現象。建議開挖過程中嚴格控制循環進尺，采取短進尺、弱爆破的開挖方式，并及時進行剛性支護，如有必要應適當采取超前支護措施。

(2)洞室涌水問題

本段洞室薊縣系霧迷山組白云質灰巖屬可溶巖，鉆孔揭露有不同程度的溶蝕現象，洞室開挖過程中可能存在溶巖裂隙水，但根據已開挖洞室段的水文地質特征推測出水量不會太大，多以滴、滲水水為主;侏羅系髫髻山組砂礫巖為弱透水～中等透水，大部分洞段將以滴、滲水為主，局部呈線流狀出水。

樁號187+950～187+996段穿越巖性接觸帶，兩巖性間為不整合接觸，且接觸帶位于溝谷內，容易與淺層第四系孔隙潛水或地表水形成水力聯系，接觸帶巖體破碎為地下水儲存和運移提供有利條件，隨洞室開挖至該部位時有可能發生涌水。建議提前準備抽排水設備，施工過程中可采用超前鉆探、循環探孔的方式預知前方圍巖的地下水變化情況，如遇水量變大，應采用提前阻水措施，排除施工過程中的安全隱患，減小對當地居民生活用水及環境用水的影響。

5 實際揭露地質條件與對比

洞室開挖通過本段后，實際揭露可溶巖地層段工程地質條件與勘察推測基本一致，各階段圍巖類別統計詳見表2。

表2 各階段圍巖類別統計及對比

6 可溶巖強烈溶蝕風化地層形成過程分析

本段隧洞穿越的粘性土夾塊石地層樁號范圍為187+488～187+973，段長485m，洞頂埋深在60～106m，上部覆蓋層厚度在2～36m。一般來說，物理風化僅存在于巖體表層及構造帶部位，該處洞室埋藏較深，因此，可以否定是由于物理風化造成該種地質現象的可能。本地區局部分布著可溶巖地層，但從以往的地質測繪及地下工程施工來看，巖溶地貌并不發育，僅局部地表可見發育寬度在3m之內的溶蝕裂隙，由紅褐色粘性土充填。

綜合分析推測，在較早時期該處基巖裸露或覆蓋層較薄，溝谷內地表水發育，由于地表水對碳酸鹽巖的作用，該處溶蝕風化作用較強，并在地表形成較厚的巖溶堆積物，主要以蝕余紅土為主，其中夾雜著尚未被溶蝕的白云質灰巖角礫。而地下水沿節理、層理等不同性質的通道下滲，在地下巖體中也形成一些溶洞、溶蝕裂隙，經過張性構造運動，該處地表發生塌陷，上部的巖溶堆積物塌落并重新堆積，因此，由于溶蝕風化及區域斷裂構造的綜合作用，造成了該種特殊地質現象。

7 結論

遼寧地區可溶巖分布較少，水利水電工程特別是長隧洞施工，涉及類似工程區的項目亦較少，可借鑒經驗不多，本文借助可控源變頻大地測量EH-4技術，對區段工程地質問題進行了深入研究和分析，在遼寧地區可溶巖區長隧洞地質勘察方面積累了經驗。