浅谈综合地质勘察在长大隧道勘察中的应用

易 鑫 白雪飞

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

近年来,隧道我国铁路建设发展脚步的急剧加快,在山区铁路勘察设计中,长大越岭隧道已屡见不鲜,线路较长、地形复杂等因素给铁路勘察设计工作者带来了极大困难。因此,采取何种有效的勘察方法,查清隧址区的工程地质条件及水文地质条件,提出尽可能准确的工程地质勘察资料,为保证设计准确以及施工安全提供详实依据,已成为铁路勘察设计工作中的重要课题。

1 地质概况

山西中南部大能力铁路通道西起山西省吕梁市兴县瓦塘,东至山东省日照港,贯穿山西、河南、山东三省,全长1 200多km。大通道的建成将从根本上缓解山西铁路运力紧张的矛盾,保证国家的能源安全,同时也极大的促进晋、豫、鲁三省的经济发展与交流。

某隧道工程位于太岳山前缘翘凹与沁水块坳主体的沾尚—武乡—阳城北北东向褶皱带之间,翻越浊漳河与沁河分水岭,隧道全长14.565 km,最大埋深约382 m。

隧道洞身主要穿越三叠系和尚沟组紫红色灰紫色泥岩与细—中粒长石砂岩、砂质泥岩互层；三叠系下统刘家沟组紫红色厚层中细粒砂岩、粉砂岩夹薄层砖红色泥岩,中上部间夹多层0.5 cm厚的石膏,中部间夹“同生砾岩”。

隧道洞身穿越地层多为中、细粒砂岩，泥岩，砂质泥岩，粉砂岩及其互层,岩性变化较大,各时代岩性分类统计详见表1。

隧址区构造属新华夏系,安泽县杜村一带出露三叠系中统,东西两侧岩层为三叠系下统,总体呈北北东向复式向斜构造,内部发育一系列呈北北东走向次级褶皱。该褶皱带为沁水块坳主体,展布于屯留、阳城一线以西,沁源、安泽一线以东广大地带,轴向为北北东向,构造形态为一系列不同级别褶皱组成的复式向斜,其次级褶曲向斜构造较为宽阔,背斜相对较窄,出露地层以三叠系为主,岩性为河湖相砂、泥岩。

表1 隧洞通过的地层岩性与各自砂、泥岩所占的比例

隧址区处于沾尚—武乡—阳城北北东向褶皱带内,出口端洞口岩层产状为110°∠7°,进口端洞口岩层产状为314°∠3°,构造形态总体为一复式向斜构造。

隧道洞身发育三条断层,分别为F1、F2、F3。

F1断层：断层性质为正断层,断层走向为N9°W～N15°W,倾角70°～85°,断层破碎带宽10～50 m,主要成分为断层角砾岩、糜棱岩,岩体极破碎,多呈碎块状,断层影响带宽约150 m,影响带节理裂隙发育,岩体破碎。

F2断层：断层性质为正断层,断层走向为N8°E～N12°E,倾角75°～85°,断层破碎带宽10～30 m,主要成分为断层角砾岩、糜棱岩,岩体极破碎,多呈碎块状,断层影响带宽约100 m,影响带节理裂隙发育,岩体破碎。

F3断层:断层走向为N50°W,倾角75°～85°。断层破碎带宽10～20 m,主要成分为断层角砾岩、糜棱岩,岩体极破碎,多呈碎块状,断层影响带宽约100 m,影响带节理裂隙发育,岩体破碎。

隧址区地表沟谷有地表水流过,主要受大气降水补给,水量受季节性降水影响变化较大。隧址区冲沟发育,所以大气降水时易形成的地表面流,水量受季节性影响变化较大,其自然排泄畅通。地下水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水,主要依靠大气降水及地下径流补给,排泄方式主要沿泥岩顺坡排泄,形成多层悬挂泉,水量较小。隧道穿越地层为砂、泥岩地层,可能发育多层地下水,局部具承压性,地表水与地下水相互补给,且断层节理发育,并有向斜构造，为地下水的贮存、补给、渗透提供了良好条件。

2 综合勘探方法及效果

2.1 遥感技术

利用卫星影像以及航片,根据地质判释标志,结合区域地质及水文地质资料,对整体区域地质条件进行初步评价。同时分析地层岩性、地质构造、水文地质以及重力不良地质等遥感判释结果,辅助完成地质加深工作。为下一步勘察工作的开展,尤其是地质调绘工作明确了方向与目标。

前期遥感判释过程中,发现隧址区域存在多处重力不良地质,包括滑坡、崩塌、岩堆等,在后来的工程地质调绘过程中进行了现场核实与验证。遥感工作对于局部线路的优化产生了极好的效果,发挥了至关重要的作用。

2.2 地质调绘

根据遥感判释结果,结合区域地质及水文地质资料,对隧址区进行了1∶10 000及1∶2 000的工程地质调绘,对本地区的重点地质问题进行了调查。出于方案比选的需要,相继对长隧、短隧及南绕改线经良坪村北侧方案进行了工程地质调绘,对于重点地段如进出口、浅埋段、断层及构造发育段进行了重点调查,同时进行了1∶10 000水文地质调查,重点查明区内地下水的补给、径流、排泄条件，地层的含水性等水文地质问题,还对修建隧址附近的村庄居民用水、井、泉等进行了详细调查,以避免修建工程对水环境的影响。通过近两个月的工程地质及水文地质调绘工作,初步获得了隧址区较为详尽的第一手地质资料。

主要成果有：

①初步查明地层岩性及其接触关系,以及成因时代的界限划分。

②结合区域资料,对隧址区地质构造的规模、特征及对工程的影响进行了详查与分析。

③对隧址区的重点地段,例如隧道进出口、洞身浅埋地段的重力不良地质进行了详查。

④开展1∶10 000的水文地质调绘,结合水文地质资料,重点查明了地下水的补给、径流和排泄条件,分区段提出隧道富水性评价,预测最大涌水量,同时提出隧道工程对水文环境的影响,并作出环境工程地质评价。

根据地质调绘工作成果对该隧进行了分段评价。

①隧道进口段：洞身地层主要为长石砂岩、泥岩互层,发育背斜及宽缓向斜构造,两翼倾角为8°～11°。砂岩与泥岩交界地带易富集地下水,且汇于宽缓向斜核部。

②洞身穿越多处浅埋段：地表出露地层主要为长石砂岩、泥岩互层和砂岩泥岩,洞身穿越地层主要为砂、泥岩互层。本段为宽缓向斜构造的一翼,岩层倾角较缓,倾角8°～12°。

③隧道横穿横水盆地南缘：出露地层主要为长石砂岩、泥岩互层和砂岩泥岩,角砾土、粉质黏土。洞身地层主要为砂、泥岩互层,岩层倾角7°～20°,紫红色长石砂岩夹薄层泥岩,岩层倾角10°～25°。

该段为沁河水系和浊漳河水系的分水岭,地下水较发育,出露有泉水。

④洞身穿越区域性断层及影响区：洞身地层主要为刘家沟组长石砂岩、长石石英砂岩夹薄层泥岩。F1、F2、F3断层及影响带主要为压碎岩、断层角砾岩,岩体极破碎。

⑤隧道出口、浅埋段：洞身地层主要为刘家沟组长石砂岩、长石石英砂岩夹薄层泥岩。

总体而言,地质调绘工作成果有效地加强了后期勘探工作的针对性,为后期综合物探的成果分析提供了较为准确的解释依据,同时更为钻探工作的实施明确了其目的性,结合调绘资料布置的钻孔孔位更加合理、多效。

2.3 物探

在前期遥感判释以及大量地质调绘成果的基础上,合理的选择综合物探方法。根据综合物探成果,可对区域内的岩性界限、构造位置及规模、第四系覆盖层及基岩风化层的厚度、地下水的富集带及发育情况进行分析。

本次综合物探工作采用大地电磁法(EH-4系统),沿线路中线全线贯通布置测线1条,探测深度要求至隧底以下50.0 m,测点间距一般约30.0～60.0 m。由于线路通过地段地形起伏较大,地势陡峭,工作期间正值雨季,加之交通不便,物探工作的开展较为困难。随即采用高密度电法对EH4成果中的物理参数异常区域进行了补充物探工作,两种方法的结合使用,为取得最终物探判释的单一性结果起到了一定的作用。

(1)在DK453+070～DK453+120两侧电阻率为50～260 Ω·m,中间明显低阻异常,约为10～50 Ω·m。

(2)低阻带至地表向下延伸贯通,且局部电阻率等值线发生扭曲。

(3)电阻率断面图上显示其断裂带宽约50 m(见图1)。

图1 F3断层电阻率剖面

物探结果显示：剖面内大部分基岩出露,局部为黄土及黄土夹卵石土覆盖,覆盖层厚度0～36 m。其下基岩为砂岩夹泥岩和泥岩夹砂岩,电阻率ρ=50～260 Ω·m；3段存在低阻异常,且两边岩层存在明显错位,推断此低阻异常为断层破碎带,其宽度约为50 m,电阻率分别为ρ=30～50 Ω·m,中等富水(例F3断层,见图1)；9处裂隙发育带,电阻率分别为ρ=60～100 Ω·m、ρ=60～100 Ω·m、ρ=20～50 Ω·m、ρ=20～100 Ω·m、ρ=20～40 Ω·m、ρ=30～80 Ω·m、ρ=30～100 Ω·m、ρ=10～50 Ω·m、ρ=50～100 Ω·m,根据电阻率分析9条裂隙发育带岩体破碎、中等富水；隧道其他段中存在6处岩体较破碎,其余段落岩体较完整。

结合区域地质图及地质调绘资料,根据综合物探工作成果对该隧进行总体评价如下：

隧址区地层多变,地质较为复杂,并发育有多级平缓褶皱构造,伴随有多处断裂构造,构造较发育。隧道穿越中低山区,位于沁水块坳主体沾尚—武乡—阳城北北东向褶皱带,整体呈宽阔向斜构造,洞身围岩主要为三叠系下统和尚沟组长石砂岩、砂质泥岩、泥岩互层，下统刘家沟组长石、石英砂岩,少量砂质泥岩、泥岩、薄层砾岩。其中刘家沟组砂岩较坚硬,发育两组垂直节理,岩体较完整,围岩稳定性相对较好；但局部夹薄层状泥岩、砂质泥岩,在地下水的作用下易形成软弱面；和尚沟组长石砂岩、泥岩互层段,砂岩岩质较硬,岩体较完整；泥岩岩质较软,遇水易软化、强度低、易风化、稳定性差,围岩软硬相间,且局部岩体较破碎,裂隙水较发育。隧道构造发育,多为宽缓向斜,向斜为一汇水盆地,主要以基岩裂隙水为主,由于围岩为砂、泥岩,地下水富集有限,施工过程中可能主要以渗水为主,但砂岩与泥岩交界地带地下水易富集,可能形成小规模的涌水、涌泥。隧道沟谷浅埋地段易受风化及地表水的影响,围岩相对破碎,裂隙水富集,围岩稳定性较差。隧址发育3条断层,断层附近岩体破碎,地下水发育,围岩稳定性较差。

2.4 钻探

钻探工作是地质勘探工作中最直接、最有效、最常用的方法,可以对前期的多项工作进行较为准确的验证,同时又能够较为直接的采集地质、水文参数。根据地质调绘以及综合物探工作的成果,可以将钻孔布置在隧址区较为重要的部位。例如：合理布置浅埋段钻孔,查明浅埋段覆盖层及基岩风化层的厚度；根据前期对断裂的分析,选择合适孔位布置深孔,已保证查明洞身穿越断裂的准确位置等。同时布孔时还要考虑一孔多用,尽可能让孔内信息发挥最大功效。该隧根据现场情况布置浅孔10个,406.5 m；深孔6个,1 184 m。

局部钻孔布置见图2。

图2 隧道局部工程地质纵断面钻孔布置

综上所述,运用遥感判释、工程地质调绘、综合物探、钻探等勘探方法,将各种方法的分析成果相互结合,综合性的分析该隧的工程地质及水文地质条件,为提供可靠设计依据,起到了良好的效果。

主要工作量见表2。

表2 完成工作量统计

3 结论

(1)重视地质加深工作,充分熟识、掌握区域地质及水文地质资料。利用卫片、航片,运用遥感判释手段,先期对整体区域内的工程地质及水文地质分区进行分析,同时提出初步评价。根据判释特征,对工程区域内的重力不良地质进行初步判释,为后期的地质调绘工作明确方向。

(2)全面开展工程地质及水文地质调绘工作,尽可能对工程区域内的地层岩性、地质构造、水文地质等方面进行全面细致的调查,充分获得第一手地质资料。地质调绘工作是综合勘察的基础。

(3)运用多种物探方法相结合的综合物探方法,取之所长、避其所短,相互验证,合理解释,发挥综合物探作用。

(4)运用最直接、最有效的钻探手段,深入开展钻探工作。结合前期工作成果,深、浅孔结合,合理布孔,一孔多效。

(5)上述多种方法在综合勘察中是相辅相成的,彼此之间相互指导、相互验证。因此要将其结合起来,全面分析,发挥综合勘察的功效,以确保提供较为详实、可靠的设计依据。

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