地鐵中復合測試方法測定斷層分布的應用研究

沈秋華 趙燕

廣東有色工程勘察設計院 廣東 廣州 510080

近20年來，我國地下工程發展十分迅猛，以隧道工程及地鐵工程為的建設量最大，并在未來的國家戰略發展中將保持較高的建設量[1-2]。同時，隧道、地鐵等工程，在施工中需要穿越的地層復雜多變。特別是地鐵施工，其作業面的頂部通常是城市建筑物，對沉降的要求較高，因此，要求施工作業時對掌子面前方的地層狀況具有較為明確的認識，特別是遇到斷層時，必須采用有效的施工措施，保證施工的順利及安全。從而，為了保證地鐵施工的安全順利，提前了解掌子面前方是否存在斷層等軟弱地質體，是地鐵施工前必要的保障措施。關于地鐵前方掌子面地質體的確定方法，學者們開展了一系列的研究。其中，劉遠程等[3]提出了TBM開挖的隧道中采用測尺、圍巖回彈等綜合判斷圍巖的方法。鄧榮貴等[4]提出了采用圍巖尾渣級配、注漿孔觀測測試等方法判斷前方圍巖的穩定性。郭鵬文等[5]綜合了地質條件及環境因素，依托氡氣檢測聯合判定礦山中斷層帶的位置。黃超等[6]在研究川藏鐵路哥斷裂帶中采用了氡氣測量的方法，并得出氡氣異常數值與斷層構造活動有顯著關系。學者們在研究地震斷層中也采用了氡氣檢測的方法[7-9]，取得較為良好的使用效果。然而，當前針對氡氣檢測的斷層的方法，大多采用的是較為單一的檢測，而單純依靠氡氣檢測不能較為完整地描述斷層的信息。而對于采用以氡氣檢測為主的多手段聯合測試方法的運用較為鮮見，特別是在氡氣檢測綜合方法在地鐵的斷層確定尙存在欠缺。

本研究依托廣州地鐵十三號線官-象段斷層專項勘察治理工程。采用以氡氣檢測為主、高密度電阻率測試及鉆孔勘探等綜合方法，綜合確定和判斷斷層的方位、性質，從而為地鐵的施工提供準確的段信息。

1 工程概況

1.1 項目概況

廣州市軌道交通十三號線首期工程官湖站-象頸嶺站區間起自官湖站，出官湖站后沿規劃道路向東方向行進，穿越農田及石下村后至本工程終點站象頸嶺站，見圖1。該區間施工采用盾構法施工。根據前期勘察資料成果，官象區間可能受瘦狗嶺斷裂影響，瘦狗嶺斷裂或次一級斷裂可能與軌道線路相交，揭露到巖石破碎擦痕，地層接觸帶等特殊地質現象，為了保證后續施工的安全與順利，計劃對該不確定性的斷層帶進行詳細勘察及測試，查明該區段的斷層位置、性質及穩定性。

圖1 廣州地鐵十三號線官-象區間段示意圖

1.2 場地工程地質概況

根據工程地質勘察及區域地質資料成果，場區內的地層大致可歸納劃分為三個大類：

（1）第四系（Q）沉積土層

第四系包括全新統（Q4）和上更新統（Q3），其下缺失中更新統和下更新統。由人工填土層（Q4ml）、海陸交互沉積層（Q4mc）、沖洪積層（Q3al+pl）和殘積土層（Qel）共4大層。

（2）第三系沉積巖地層（E）

莘莊村組（E1x）：下部為棕色或紫紅色礫巖。礫石成分以花崗巖為主，呈次棱角狀，大小混雜；上部為棕色砂礫巖、含礫砂巖、砂巖、或褐棕色泥質粉砂巖等。

（3）震旦系變質巖（Pz1）

主要為區域變質巖，包括混合花崗巖、混合巖、混合片麻巖、片麻狀石英巖及變粒巖等。結構面間距50～100cm，局部比較密集，節理普遍呈閉合狀、無充填，延展性差，裂隙率7～36%；裂隙走向10～30°為主。巖石堅硬，抗壓強度一般大于60MPa。

1.3 地質構造條件

在區域構造上本區位于華南褶皺系粵中拗陷的中部，由廣從斷裂、瘦狗嶺斷裂、廣三斷裂構造的基本骨架內，自加里東構造階段便開始活動，經歷了海西～印支構造階段、燕山構造階段和喜馬拉雅構造階段。本區間內主要受瘦狗嶺斷裂的影響。其工程地質、水文地質條件與其所處的構造條件有關，區域穩定性與瘦狗嶺斷裂活動性關系較為密切。瘦狗嶺斷裂在早第四紀有過活動，晚第四紀以來斷裂的活動不明顯，近場區未來仍存在發生中強地震的可能性。

根據勘察及抗震規范[10]，場地抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g，場地地震設計分組為第一組，特征周期為0.35～0.45。本場地劃分為抗震不利地段。

2 斷層綜合確定方法

2.1 斷層土體氡氣檢測原理

土壤氡氣測量和其它放射性測量一樣都是利用巖石中天然放射性元素含量差異，解決地質問題的一類物探方法。由于含有放射性元素的地下水從深部以地質構造為通道向地表運動，或者放射性氣體沿斷裂和裂隙向地表擴散遷移，因此在地質構造及不同巖層的接觸帶上形成氡的異常。本次利用氡氣體濃度測量的方法確定斷層的位置，采用FD-3017RaA型氡氣濃度測試儀。此次勘察，在斷裂帶范圍附近共布置了3條測線，共28個測點。

2.2 高密度電法檢測原理

根據2.1中土壤氡濃度測試成果，為進一步查明構造帶的性質及范圍，采用高密度電法推斷斷裂帶范圍。高密度電法物探測試，可通過測試過程中出現的低電阻率異常，可反映不良地質體的存在，電阻率突變異常則反映了電性層的突變，可能是斷裂破碎帶；而高電阻率等值線，稱“高電阻率異常”，反映了區中地層的較穩定區域。高密度電法在測試中地表豐富的水系對測試結果的影響很大，本次勘察布置了3條測線，每條測線長115m，線距為50 m，點距5m，共98個測點。三條測線命名分別為50測線、100測線及150測線。采用WDJD-1型淺層地震儀、WDJB-1型數控集流激電儀以及WMZ-03型溫度指示儀進行物探測試。

2.3 工程鉆探斷層構造特征

為了進一步查明斷裂構造帶的發育范圍、特征以及對本區間軌道交通線路的影響，在物探揭露的斷裂構造帶走向及隧道走向附近增加勘探孔進行鉆孔驗證。當在鉆孔中揭露到斷層的跡象時，則在離前一鉆孔2m的位置繼續鉆探，直至能確定斷層破碎帶的位置、寬度及厚度為止，鉆孔深度以鉆穿斷裂構造帶后進入中風化巖層3～5m。本次區間補勘共增加并完成鉆孔17個。

3 綜合確定方法的成果分析

3.1 氡氣濃度測試結果及分析

由圖2可見，氡濃度異常曲線可以看出，該檢測區域的氡氣濃度正常值為265Bq/m3，即圖中虛線所示濃度值。測試范圍內的絕大多數測點表現出高于正常值的水平，其中，1號測線主要異常范圍出現于2-5號點之間，異常一般明顯，峰背比為2.55，較好的顯示了異常位置。2號測線異常范圍主要分布在2-4號點位置，異常比較明顯，峰背比為5.09，顯示出了較強的異常，同時在8-10號點出現了明顯次異常峰值，峰背比為4.36。3號測線異常范圍出現在3-6號點，峰背比為2.55，顯示了較強的異常形態，但尾部8號點異常全區最高，峰背比達到了6.55。由各測線的異常形態，結合官-象區間鉆孔的資料作以下綜合推斷，3條測線中南段較完整異常形態部位相連，該方向推斷為斷層破碎帶或接觸帶走向，約為NW100°～NW115°。

圖2 3條測線氡氣濃度測試成果特征分布

3.2 氡氣濃度測試結果及分析

為了便于論述，本次僅對50測線及100 測線進行分析。本測區視電阻率值在0.3至3040Ω·m，一般出現值為10至200Ω·m。由于本區的地下水非常豐富，以致土層含水而使得測深時整個場地的地下電阻率普遍偏低，在劃分基巖面和對不良地質體分析時，采用相對值結合已知鉆孔資料進行劃分。剖面中電阻率等值線突變點和較低值點是剖面的異常點,電阻率等值線出現突然的下陷或上升，出現密集的線條集，電阻率低值線稱“低電阻率異常”，低電阻率異常點反映了不良地質體的存在，電阻率突變異常反映了電性層的突變,可能是斷裂破碎帶；而高電阻率等值線，稱“高電阻率異常”，反映了區中地層的較穩定區域。

圖3是第50線電阻率擬斷面圖，由圖可知，本剖面電阻率最大值為222.3Ω·m，最小值0.3Ω·m，平均值為25Ω·m，總體偏小。以平均值作為背景值，不大于5Ω·m的等值線包含成分劃為低電阻率異常。低電阻率異常區為兩個大塊與一條突變異常帶：水平位置140-200 m處，深度自-30m至地面；水平位置265-290m，深度自-42m至-5m，均以鮮綠色部分顯示；異常帶位置位于260 m處。水平位置140-200m段推斷為巖面上發育的軟弱層：淤泥或淤泥質土、易液化砂（或砂土）層，含水非常豐富。

圖3 第50線電阻率擬斷面圖

第二個異常體推斷為斷層邊上的破碎帶，含有孔隙度大、含水豐富的破碎的礫巖。 在260 m處由南往北電阻率從一個較高值突變成較小值，突變處產狀陡立，電性層發生了突變，低、高兩種視電阻率異常出現的反映了局部地段的導電性不均勻，引起視電阻率的不均勻。與已知鉆孔相結合，推斷260m為一斷層界線，在突變處分成上下兩盤。據鉆孔入巖深度估算，所對應的巖層或巖體在本剖面所反映的視電阻率大于10。推斷出巖面深度，見圖4。

圖4 第50線巖面及斷層推斷圖

高密度電阻率測深法推斷測區內共有一條斷層，斷層區域巖性破碎較嚴重；巖面上發育有較厚的淤泥或淤泥質土、易液化砂（或砂土）等含水豐富的不良地質體。

3.3 工程鉆探成果及分析

此次勘察鉆孔揭示的構造帶有具體的跡象，主要的地質特征有地層的不連續、斷層泥的存在、地層及巖體的破碎、構造糜棱巖、擦痕等等。主要表現為以下特征：

（1）地層的不連續，斷層面明顯：震旦系混合巖、混合花崗巖的分布不連續，與第三系砂礫巖、礫巖之間有十分明顯的接觸面

（2）構造糜棱巖或構造破碎帶:勘察揭露出接觸帶附近的第三系砂礫巖、礫巖較周邊其他鉆孔揭露的巖石破碎，且局部臨近接觸帶上部的砂礫巖、礫巖中的礫石有壓扭痕跡，且巖塊中的礫石磨圓度差，多見棱角狀。

（3）巖石的薄片鑒定表明有受構造擠壓的跡象：官-象區間巖礦鑒定結果顯示，其原巖結構中的礦物組份幾乎已被碾成碎粉狀的糜棱組份。而鉆孔采取的巖芯局部也依稀可見壓扭痕跡，見圖5。

圖5 鉆探巖塊壓扭痕跡

綜合該階段鉆探成果，在勘察區段內，地層的不連續、斷層面及擦痕、斷層泥的存在、巖石破碎、巖體裂隙發育、揭露構造糜棱巖等等都證明了斷裂帶穿過十三號線一期工程官-象區間。而結合區域地質資料顯示，該斷裂帶即為瘦狗嶺斷裂帶或其次生斷裂。

4 結論

通過對廣州地鐵十三號管-象區段的綜合勘察，采用了以氡氣檢測為主，高密度電測法及工程鉆探相結合的方法，查明了的該區間內該可疑斷層的位置、產狀、范圍及巖性。該可疑斷層即為瘦狗嶺斷裂帶或其次生斷裂，隧道穿越該地層時，由于巖層破碎，且巖性軟硬混雜，在掘進過程中注意刀片的更換使用。該檢測方法對地鐵順利穿越該破碎帶提供較為準確的地層信息。該方法在工程中的應用實踐表明其可行性及有效性，對相似工程具有有益的借鑒及參考意義。