综合地质勘察方法在黄土梁峁区隧道工程中的应用

张志亮

(中铁第一勘察设计院集团公司, 陕西西安 710043)

黄土梁峁区广泛分布于我国西北甘肃、宁夏等地,区内黄土沟壑纵横,梁峁起伏(图1)。下伏基岩往往与地形的起伏相吻合,且地质条件复杂。由于地表覆盖数十米甚至上百米的风积黄土,基岩及构造在地表出露较少,给工程地质勘察工作造成一定的难度。

图1 黄土梁峁区

针对黄土梁峁区的地形地质特点,结合某铁路隧道工程,有针对性的采用一套行之有效的综合地质勘察方法,基本查明了该隧道的地质情况,为工程设计和施工提供了较为准确的地质资料。

1 工程地质概况

1.1 工程概况

宝鸡至兰州客运专线长约400 km,设计时速350 km。该隧道工程位于甘肃省定西市,起讫里程为DK853+986～DK856+595,全长2 609 m,为双线隧道,隧道洞身最大埋深165 m。

1.2 地形地貌

隧道地貌属黄土梁峁区,区内黄土沟壑纵横,梁峁起伏,冲沟发育,沟深坡陡。地面高程1 710～1 890 m,自然坡度在20°～30°之间。

1.3 地质构造

隧道地处陇西系内旋褶带,地质构造复杂。新构造运动在区内表现为差异性整体抬升运动,山地断块强烈隆升,盆地相对下沉,形成现今的地貌态和格局。

1.4 地层概况及水文地质特征

该隧道地层由新至老包括了第四系上更新统风积黄土、上第三系泥岩、二叠系上统砂岩夹板岩、下元古界片麻岩等地层。

隧道工程影响范围内无地下水发育,沟谷内仅在雨季有少量地表水径流。

2 综合地质勘察方法及过程

主要采用航片判释、地面地质调查、物探和钻探等方法进行勘察工作。

2.1 航片判释

根据航片判释,隧道基本被全新统上更新统风积黄土所覆盖,基岩仅在隧道进口山坡坡脚及隧道中部深切沟谷底部有出露。出露岩性推测为片麻岩和砂岩,需进行实地验证。

2.2 地面地质调查

结合区域地质资料和航片判释成果,地面地质调查采用沿线路调查和区域重点地质调查结合的方式进行。主要查明地层岩性特征,基岩出露处岩层产状、风化程度等情况。

隧道进口坡脚出露下元古界片麻岩,青灰、灰白色,强风化为主,节理发育,岩层产状为NS/80°W；隧道中部DK855+600沟谷底部出露上第三系泥岩及二叠系上统砂岩夹板岩。泥岩具水平层理，砂岩夹板岩产状为N40°E/60°N。

2.3 物探

地球物理勘探(简称物探)是以地壳表部岩、土的物理性质(如电、磁、声、光、热、密度、弹性、放射等)的差异为理论基础,用物探仪器探测地下天然的或人工的物理场变化,借以查明地层、构造,测定岩、土的物理力学性质及水文地质参数的一种勘探方法。物探具有工效高、成本低、应用广、透视性强等优点,但也存在有条件性、多解性等局限性。

物探方法包括电法勘探、弹性波勘探、磁法勘探、放射性勘探、核磁共振法等,各有其应用范围和使用条件。针对该隧道工程特点,物探工作采用高密度电法沿中线贯通隧道,并在进出口部位用地震折射法验证。高密度电法使用仪器为GEOPEN公司的E60BN电法仪,电极距10 m,96根电极；地震折射层析法使用仪器为瑞典RAS-24数字地震仪,道间距10 m,完成504个炮检点。

表1 各种岩土电阻率及纵波波速

依据岩土物探参数(见表1)综合分析,划分地层,绘制物探地质纵断面：

(1)表层覆盖层波速范围为300～800 m/s,电阻率ρ=50～200 Ω·m,深浅不一,在5～100 m间,主要为黄土。

(2)表层下有一波速范围为1 100～2 300 m/s的层,电阻率ρ<30 Ω·m,结合地质资料,推断为第三系泥岩,最大厚度可达60 m。

(3)最下面为二叠系砂岩夹板岩和元古界片麻岩。二叠系砂岩夹板岩的电阻率ρ=50～300 Ω·m,波速范围为2 800～3 500 m/s；元古界片麻岩的电阻率ρ=50～300 Ω·m,波速范围为5 000～6 000 m/s。DK855+100处推测为片麻岩与砂岩夹板岩接触带。

在高密度电法反演图中发现,DK855+900附近洞身位置电阻率明显降低(见图2),推测可能为隐伏的断层接触带,岩石相对破碎。

图2 电阻率法成果

2.4 钻探

根据地质调查和物探成果,有针对性的布置钻孔的位置。在隧道进出口布置两个钻孔,浅埋段布置两个钻孔,地形变化处布置两个钻孔,并在物探推测断层位置DK855+900处布置一个钻孔,在物探推测片麻岩与砂岩接触带处布置一个钻孔。共完成钻探10孔,钻探深度904.6 m。各孔均取岩、土样进行土工试验,其中取原状土样共计36组,岩样共计6组。各孔均进行原位试验,其中标准贯入试验共计93次,动力触探试验23次。

通过岩芯鉴定、室内试验和原位试验,对隧道洞身岩层的岩性有了更加直观和准确的认识。地层岩性特征如下。

砂质黄土(Q3eol3)：浅黄色,主要分布于隧道进出口及洞身顶部,厚度10～120 m,成分以粉粒为主,手搓有砂感,具孔隙,土质均匀,稍湿—潮湿,稍密—中密,Ⅱ级普通土,σ0=150 kPa,具有Ⅲ级自重湿陷性,湿陷土层厚度10～16 m。

泥岩(N1Ms)：棕红色,成分以黏土矿物为主,泥质胶结,泥质结构,层状构造,成岩作用差,强风化,Ⅲ级硬土,σ0=300 kPa,弱风化,Ⅳ级软石,σ0=400 kPa。

砂岩(P2Ss)：青灰—紫红色,层状构造,中—细粒砂状结构,泥—铁质胶结,含钙质泥质砂团块,节理较发育。强风化,Ⅴ级次坚石,σ0=600 kPa；弱风化,Ⅴ级次坚石,σ0=800 kPa。

板岩(P2sl)：浅灰—灰黑色,成分为长石、石英为主,片状结构,层状构造,锤击声脆,不易破碎,强风化,Ⅴ级次坚石,σ0=600 kPa；弱风化,Ⅴ级次坚石,σ0=800 kPa。

片麻岩(Pt1Gn)：青灰—灰白色,局部肉红色,主要成分为石英、长石及黑云母,变晶结构,片麻状构造,节理发育,Ⅴ级次坚石,σ0=600 kPa；弱风化,Ⅴ级次坚石,σ0=800 kPa。

3 勘察成果

根据钻探成果对地层的划分进行进一步的修正,绘制隧道洞身地质纵断面(图3)。可以看到,对于物探推测的DK855+900处的隐伏断层在钻孔中也有揭示,并根据岩芯擦痕判断为逆断层；元古界片麻岩与二叠系砂岩的接触带与物探推测也基本一致。

图3 隧道洞身地质纵断面

根据室内试验成果,结合地层的纵波波速,可以对隧道围岩等级进行划分(见表2)。

表2 隧道洞身围岩等级

4 结论

黄土梁峁区一般被厚层风积黄土覆盖,地质情况往往不能在表面发现。隧道工程作为地下工程,受地层岩性、地质构造的影响很大。黄土梁峁区隧道工程的地质勘察,应当采用综合地质勘察方法。

特别是物探方法的使用,起到了事半功倍的作用。不仅用于了解地层分布,发现隐伏的地质构造,而且可以结合岩层物理参数,为划分隧道围岩等级和岩土施工工程等级提供依据。在物探的基础上进行钻探工作,并对物探成果进行验证甚至再分析,从而使其在工程勘察中发挥最大的作用。

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