綜合測井、地應力測試等在隧道勘察中的應用

李 巖

（核工業華南工程勘察院，福建 龍巖 364000）

1 概述

隧道工程地質勘察多采用地質調查、鉆探和物探等手段，對于特長深埋隧道為查明巖爆、洞室放射性劑量、溫度等，尚需進行地應力測試和綜合測井等，各種勘察方法的選擇要根據隧道所處地形、地貌和地質條件確定，對于放射性強度值等離散性較大的參數需針對不同地質情況綜合分析，以確定是鈾礦化形成還是非鈾礦化異常值，本文以文筆山隧道為工程實例介紹綜合測井、地應力測試、物探音頻大地電磁法（AMT)在隧道勘察中的應用。

文筆山隧道地處福建中部，為越嶺隧道，長4675m，最大埋深640m。設計為雙向六車道，路面寬度約33.5m，進、出口洞門形式為臺階式、削竹式、端墻式。完成鉆孔2057.2/14，地質調繪2.60km2，隧道埋深較大，沿洞身及軸線二側高壓線分布，故選擇測深較大的物探音頻大地電磁法（AMT)，布設長度4675m，淺層地震折射法668m/8條；綜合測井使用上海地學儀器研究所生產的JHQ-2D/DX綜合數控測井系統；地應力測試采用水壓至裂法。

2 自然地理概況

2.1 地形地貌

該隧址范圍內屬中低山地貌，地面高程600～1320m，地表為第四系殘積土層覆蓋。隧道進、出口處僅有鄉村道路相通附近，交通條件差。

2.2 氣象

測區地處沿海腹地山區，屬中亞熱帶季風氣候，年平均氣溫19.4℃，年平均降雨量1460～1580mm。

3 地層巖性

根據現場調查和鉆探揭露，隧址區地表分布花崗巖類殘積（Qel）砂質粘性土，厚約3.0～5.0m，洞身段下伏基巖為侏羅系長林組（J3c）砂巖、粉砂巖夾泥質砂巖、燕山晚期侵入花崗斑巖[γπ53(1)d]、加里東期侵入（γm3）混合花崗巖，其中混合花崗巖為洞身主要巖性，約占55%以上。地層巖性變化較大，地質條件極為復雜。

4 地質構造及地震

根據區域地質資料結合現場調查，隧區范圍內發育一條F1斷層構造，為一正斷層，具張性斷層性質，斷層傾向158°，傾角約74°。與線路相交于K222+682處，交角約38°。斷層附近視電阻率呈凹型分布，主要表現為斷層帶內巖體破碎，構造裂隙水發育，洞身在斷層通過地段出現了物探低阻帶。

5 水文地質條件

5.1 地表水

隧道范圍內的地表水主要為洞身上部沖溝中溪水，受大氣降水補給，雨季降水集中，補給強度大，以地表徑流、下滲補給基巖裂隙水及蒸發的形式排泄。

5.2 地下水

地下水主要為基巖裂隙水及第四系孔隙潛水，第四系孔隙潛水水量貧乏，地下水主要以基巖裂隙水為主，主要賦存強風化及裂隙破碎帶中，較完整中、微風化巖地下水弱發育；隧道洞身大部分處于中、微風化混合花崗巖層中；總體來看，隧區地下水弱發育；據綜合測井及外業調查，在局部不同巖相接觸帶處或局部低阻帶處巖性相對較為破碎，富水條件較好。

5.3 隧道涌水量估算

采用大氣降水入滲法和地下水動力學法對隧道涌水量進行綜合分析評價，以往此類計算均采用鉆孔水文試驗獲得的入滲系數和巖土層滲透系數，對特長隧道鉆孔數量有限，所取得的參數僅代表試驗鉆孔，其它大部份地段無參數，利用綜合物探手段，對試驗鉆孔巖土層進行對比分析，依據視電阻率和波速細化出不同巖土層的水文地質參數，使隧道涌水量計算準確度大大提高。

5.3.1 降水入滲法

估算公式：

式中：Q——隧道正常涌水量，（m3/d）；

α——降水入滲系數，本隧道取0.2；

W——年降雨量（mm），三明地區年平均降雨量為1580mm；

A——地表集水面積，km2，根據分水嶺取8.15 km2。

采用降水入滲法估算得：平常期期涌水量Q=7100m3/d；最大涌水量為Qmax=10650m3/d。

5.3.2 地下水動力學法（柯斯嘉科夫）

計算公式：

式中：Q——隧道平常期涌水量，m3/d；

K——含水層滲透系數，m/d；

H1——靜止水位至隧道洞底之間的垂直距離，m；

H——含水層厚度，m；

R——影響半徑，m；

r——隧洞寬度的一半；

B——隧道通過含水層長度，m。

根據隧道洞身地質條件分為15段，各段水文地質參數根據抽水試驗、物探成果和經驗綜合取值，經計算平水期涌水量Q為21357m3/d，最大涌水量32036m3/d。

綜合上述計算，建議單洞平常期涌水量取21357m3/d，雨季涌水量建議取值為32036m3/d；若考慮到雙線同時掘進，則單洞涌水量為計算值的一半，即平常期涌水量建議取值為10678.5m3/d，雨季涌水量建議取值為16018m3/d。

上述隧道涌水量計算是基于含水巖層為均質體及地下水穩定流這一概念，但實際上裂隙含水層并非均質體，且隧道可能局部裂隙發育，施工中時常會出現洞內局部較大突發涌水。

6 不良地質與特殊巖土

6.1 花崗巖類殘積土與風化層

花崗巖類常因節理發育、差異風化形成球狀風化體（或孤石），對工程有一定影響；其殘積層及風化層松散偏砂，在雨水作用下邊坡易發生溜坍破壞，易產生水土流失等環境問題。

6.2 花崗巖類放射性

隧道選擇洞身深孔進行孔內放射性測試，根據臨近隧道放射性測試成果，隧址區花崗巖類地層自然放射性強度為29.8～78γ。根據《鐵路工程不良地質勘察規程》(Tb10027-2012)，環境γ輻射照射對公眾產生的有效劑量當量He，可用下式計算：He=Dr×K×t；其中實測環境地表γ輻射空氣吸收劑量率Dγ=8.73×10-9Sv∕h，K=0.7Sv/Gy；

（1）工作時間按每年250工作日，每工作日8h，計2000h，則年效劑量為:He=8.73×10-9×78×0.7×2000=0.949（mSv）。

（2）工作時間按每年365工作日，每工作日8h，計2920h，則年效劑量為:He=8.73×10-9×78×0.7×2920=1.39（mSv）。

（3）工作時間按每年365工作日，每工作日24h，計8760h，則年效劑量為:He=8.73×10-9×78×0.7×8760=3.64（mSv）。

根據《鐵路工程不良地質勘察規程》(Tb10027-2012)，He<5mSv屬非限制區。隧道上部58.60～59.60m輻射強度達325.6γ，超過背景值10倍以上，該地段巖性為長石石英砂巖，按層理產狀與隧道相交于洞身K219+970處，據福建鈾礦成礦規律，我省已發現的鈾礦化均在火成巖或侵入巖中，58.60～59.60m為灰白色長石石英砂巖，主要礦物成份中的長石也未見紅化等鈾礦化特征，故此判斷，該地段為非鈾礦化異常，本隧道可不做放射性防護，隧道棄渣一般可按正常情況進行堆放即可。

7 工程地質條件評價

7.1 隧道進出口工程地質評價

隧道進口自然斜坡坡度5°～15°，斜坡自然穩定性良好。進口仰坡體主要由殘積層與全—強風化層構成，工程性質較差，仰坡穩定性較差，易溜坍、垮塌。建議加強邊坡支護措施，并加截排水措施。

隧道出口自然斜坡坡度30°～42°，斜坡自然穩定性良好。進口仰坡體主要由殘積層與全—強風化層構成，工程性質較差，仰坡穩定性較差，易溜坍、垮塌。在雨水作用下表層土體易發生溜坍破壞。建議加強邊坡支護措施，并加截排水措施。

7.2 隧道洞身工程地質評價

該隧道屬深埋特長隧道，地質條件復雜，僅靠鉆探難以查明隧道洞身圍巖地質情況及隧道施工過程的地質病害，根據隧道具體情況，沿軸線布設物探音頻大地電磁法（AMT)測線一條，并在最大埋深段鉆孔進行了地應力測試和物探綜合測井，依據物探資料，隧道縱斷面視電阻率等值線剖面見圖1。

洞身工程地質評價：隧道洞身為侵入巖與沉積巖。根據本隧道埋深大、地層巖性復雜的特點，選用AMT、物探綜合測井、地應力測試等綜合勘察手段，對隧道洞身圍巖級別進行定量計算，計算過程對參數的選擇進行了詳細的研究，洞身圍巖的巖石抗壓強度可由試驗取得，埋深也比較直觀，但BQ值計算中K1、K2、K3取值十分復雜，本文中對各種物探手段所取得的數據綜合分析，給出了類似特長深埋隧道BQ計算過程參數取值的經驗。

K1的取值，洞身每段地下水的涌水量在缺少鉆孔的地段，以往僅憑經驗取值，隧道施工深孔較小且多為非專項水文試驗孔，地下水水位、滲透系數的測試受工藝及工期影響與實際誤差較大，據我院以往長期放射性測井成果和國內放射性找水成功經驗，基巖裂隙水涌水量與放射性氣體含量為正相關，這是因為氡是鈾的衰變子體，易溶于水，在地下水豐富的破碎帶富集、運移，故在綜合測井過程，地下水涌出段表現為伽馬強度較大，本次測井孔深122.35～245.90mKV值0.15～0.34段放射性強度平均值30.50γ，KV大于0.55段平均值25.00γ。依據放射性找水經驗，可推測KV值較小而放射性γ值大于較完整基巖平均值40%～50%時，地下水多呈涌流狀出水，KV值大于0.55，放射性γ值近平均值時為淋雨狀出水，K1值除參考以上所述，還應結合水文地質條件綜合確定。

K2的取值對層理清晰的沉積巖地層較為容易，但對侵入巖較為復雜，侵入巖的裂隙產狀變化大，主要的節理裂隙產狀除了依據地表工程地質調查，也必須結合KV和綜合測井成果進行分析，裂隙密集帶產狀均由區域地質作用控制，根據區內主應力方向和地形地貌及AMT、綜合測井成果分析確定，本隧道統計出代表性節理產狀分別為：240°∠73°、90°∠50°、220°∠60°、145°∠90°、325°∠37°，根據節理所代表的區間，K2取值分別為0.20和0.40。

K3取值，利用ZK3鉆孔地應力測試成果見表1，對最大水平主應力SH、最小水平主應力Sh進行回歸分析，建立基于測試數據的應力—深度回歸方程式。在本次回歸分析中，選擇線性回歸作為擬合函數，由此可得回歸方程式如下：

表1 ZK3鉆孔地應力測試成果

最大水平主應力：

最小水平主應力：

應力—深度回歸分析見圖2。

圖2 應力—深度回歸分析圖

根據上述主應力與深度回歸方程可得到文筆山隧道洞身段最大主應力分布圖（見圖3）。

圖3 隧道洞身主應力分布曲線

巖石單軸飽和抗壓強度取85MPa，因此可得到洞身段巖石強度應力比分布圖（見圖4）。

圖4 隧道洞身內強度應力比分布曲線

經計算，隧道K220+055～K222+315強度應力比為4.34～7，屬高應力區，依據《水利水電工程地質勘察規范》（GB50487-2008）判別，輕微巖爆（Ⅰ級）。K3取值為0.5，其余段強度應力比均大于7，不屬于高應力區，施工中不會發生巖爆，K3取零。

7.3 地溫

根據鉆孔ZK3綜合測井成果，地溫梯度為1.13℃/100m，屬于正常地溫梯度（不大于3℃/100m）。

根據以下地溫公式進行隧道洞身地溫估算：

計算公式：

式中：T——H深度處隧道原巖溫度，℃；

H——隧道埋藏深度，m；

h——恒溫層距地面的深度，m；

gr——地溫梯度，℃/100m；

t——恒溫層溫度，℃。

本地區恒溫層距地面深度取20m，恒溫層溫度取年平均氣溫19.4℃，地溫梯度采用實測值1.13℃/100m，計算可得隧道洞身溫度最高值為26.5℃。根據《公路隧道施工技術規范》（J TG F60-2009），隧道內溫度不宜高于28℃，隧道洞身地溫滿足規范要求，不存在地熱的影響。

7.4 隧道圍巖分級

依據以上分析，確定BQ值計算所需各項參數據后，根據《公路工程地質勘察規范》（JTG C20-2011）與《公路隧道設計規范》（JTG D70-2004），采用定性劃分與定量相結合的方法對隧道洞身進行圍巖分級，經開挖驗證，隧道涌水量、洞身圍巖等級劃分與計算成果基本一致，放射性劑量小于He<5mSv，洞身溫度最高值小于26.5℃。

8 結論

本文通過以上工程實例，詳細論證了地應力測試、綜合測井及物探音頻大地電磁法（AMT)等在地質條件復雜的特長深埋隧道工程地質勘察過程中的應用，總結出如下經驗，供類以工程借鑒：

（1）由于物探資料僅反映巖土層的視電阻率特征且具有多解性，必須結合鉆孔揭示的巖性和孔內抽(注)水試驗成果加以比對分析，找出不同巖土層對應的視電阻率才能準確繪制隧道縱斷面圖；

（2）特長深埋隧道不同應力等級埋深深度受巖體飽和抗壓強度參數影響較大，同時分布有侵入巖和沉積巖的隧道，巖體較完整的花崗巖類地段應力賦存遠高于同深度粉砂巖夾泥質砂巖，其變形破壞模式也有所不同，在隧道施工圖設計時應加以區別；

（3）物探綜合測井所取得的洞身溫度、放射性強度應結合場地區域地質構造、礦床分布、成礦規律具體分析，做出正確判斷。

（4）根據放射性強度變化、巖石破碎程度，可基本判斷隧道主要含水層位置及涌水狀態。