五指山隧道综合勘察手段的应用

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

1　概述

五指山隧道全长12 207 m，为南广铁路第二长隧道。该隧道位于云开山脉东北段，属中低山区，地形起伏变化较大，谷底与分水岭相对高差80～200 m，最大埋深407 m，地表植被茂密。

该隧道采用了航片判释、地质调绘、钻探、原位测试、EH-4大地音频电磁法、孔内摄像、综合测井、水文测井、深孔抽水试验、放射性测试、岩土及水质分析室内试验等综合勘察手段，查明了隧道工程地质、水文地质特征。

通过1∶2 000工程地质与水文地质调绘，查明了区内地质构造、地层岩性与层序，对部分岩性分界及构造行迹进行了追索。重点查明区内地表水的分布及性质，以及地下水的补给、径流、排泄条件等。根据地质调查情况及区域地质资料，布设了一条大地音频电磁(EH-4)剖面，重点查明地层性质、风化层厚度，查明地下水的分布及富水情况。根据地质调绘及物探成果布置钻孔，在物探异常区及其他岩性接触带等需核实的位置布置了深孔6孔，在隧道进出口及洞身浅埋地段布置浅孔7孔，浅孔孔内进行了原位测试，采取岩土样及水样。各种试样分别进行了土工试验、岩石强度试验及水质侵蚀性分析试验；深孔进行了孔内综合测井、水文测井，同时每个孔都做了抽水试验及孔内摄像。对加里东期花岗岩取样做了放射性测试。通过对以上资料的综合分析和判定，基本查明了隧址区的工程地质及水文地质条件，为准确划分隧道围岩级别提供依据。

2　工程地质特征

隧道穿越的地层主要为加里东期(地槽)广西运动扶南序列侵入岩，侵入时代为早志留系S1W(坞泥单元)及S1G(高围单元)，侵入岩性为中—粗粒黑云母斑状花岗岩，以岩基侵入为主，其次为岩株式。K361+301之后为寒武系高滩组及水石组地层，地层岩性主要为千枚岩及石英砂岩。侵入接触面走向一般为北东向，倾向东南，倾角30°～40°。花岗岩地层与寒武系地层呈侵入接触关系，接触产状变化较大。

隧址区位于北东向高要大断裂的西侧，花岗岩受动力变质作用影响强烈而广泛，延伸方向为北东向，与区域断裂构造方向一致。由于各岩体受动力变质强度不一，因而产生的动力变质岩性不同，动力变质作用轻微处产生轻微压碎花岗岩，较强烈处产生碎裂花岗岩，最强烈处产生花岗糜棱岩和超糜棱岩。隧址在花岗岩区无断裂穿过，但受强烈的构造作用影响，片理非常发育，片理走向一般为北东向，倾向东南，倾角一般为30°～40°，对隧道围岩影响较大。花岗岩与寒武系千枚岩、石英砂岩(∈)呈侵入接触关系，侵入接触面产状100°∠70°。

3　综合勘察方法的应用及成果

3.1　航片判译

在里程为K361+750附近有一条断层，经查阅1∶5万区域地质图，证实为沙帽岗断层，该断层走向为北东向，产状为300°∠50°，延伸长度约1 km，断层破碎带宽约50 m，为正断层。在洞身段，分布有2处小型滑坡，但距离洞身较远，对隧道安全影响较小。

3.2　工程地质与水文地质调绘

本区属南亚热带季风湿润气候区，全年高温多雨，地表植被茂密、草木丛生，山体自然坡度较大，地质调绘难度较大。针对本工程特点，现场制定了一套切实可行的调绘方案，即工程地质调绘在依托区域地质资料的基础上，现场追溯地质界线、地质点，发现新的地质体后再反馈到地质图上，简而言之即核对、补充；水文地质调绘工作，主要沿沟谷展开，找寻出水点，量测涌水量，查清地下水储存、补给、渗流条件等，并取样做水质分析试验。

通过调绘完成观测点84个，其中地貌、地层及构造观测点74个，水文观测点10个。查明了地层层序和地质界线，不良地质体、地质构造的性质及分布情况，查明了地表水、地下水分布范围、流量、储存、补给条件和水质等情况(如表1所示)。

表1　水文观测点一览

3.3　大地音频电磁法探测

根据隧道工程设置特点，布设了一条长度为12 400 m的大地音频电磁剖线，通过探测，在隧道洞身共发现6处低阻异常带，经推断和分析，该6处低阻异常带对隧道围岩影响较大，设计和施工时应充分考虑(如表2所示)。

表2　物探低阻异常带一览

3.4　地质钻探及原位测试

根据地形地貌特征，结合区域地质资料及物探探测结果，有针对性地布设了6个深孔、7个浅孔，共1 458 m。孔内进行了原位测试，并取岩土试样进行了室内试验，查清了孔位处地层岩性、不同岩性间的接触关系、岩土体界面、岩体风化界线、节理裂隙发育程度、断层破碎带宽度及破碎带岩性等情况，通过分析上述情况，可以直观地掌握隧道通过段地质情况。

3.5　孔内测井

勘察过程中，选择3个深孔进行了孔内综合测井，即通过声测井、核测井、电测井和工程测井，达到划分地层岩性、判断构造、确定岩体完整性和风化程度，确定含水层部位及含水层间补给关系等目的，同时查明钻孔倾斜程度和孔底温度(即隧道洞身开挖时的温度)。

通过测试，为隧道围岩级别划分提供了较为准确的基础资料，并查明该隧道花岗岩段落自然放射性强度为14.57～38.18γ，自然γ活度为40.8～106.9Bq，为正常背景值，根据《铁路工程不良地质地质勘察规范》(TB10027—2001)，判定该区无放射性危害。通过井液电阻率和井温曲线反映，隧道洞身无明显地下水活动。花岗岩特征见表3。

表3　花岗岩特征一览

3.6　水文参数计算及隧道涌水量预测

根据现场调查，结合钻探资料及区域资料综合分析，预测隧道大部分花岗岩地段在枯水季节处于干燥或有少量渗水，寒武系砂岩大部分地段在枯水季节偶有渗水。在丰水季节，地表水量丰富，地下水位升高，隧道涌水量增加。

利用大气降水入渗法和地下水动力学法来预测隧道涌水量。根据地层岩性结合地质调绘，本隧道涌水量可分为两段计算，即K352+047～K361+301和K361+301～K364+255。

(1)大气降水入渗法

①正常涌水量

依据公式：Q=2.74×α×W×A

式中α——降水入渗系数；

W——年降水量/mm，取值1 598 mm；

A——隧道通过含水体地段的集水面积/km2。

K352+047～K361+301，α1=0.15，A1=9.254，经计算Q1=6 078 m3/d。

K361+301～K364+255，α2=0.2，A2=2.954，经计算Q2=2 586 m3/d。

正常涌水量总值Q=Q1+Q2=8 664 m3/d。

②最大涌水量

W取值2 138.8 mm，总值Q=11 596 m3/d。

(2)地下水动力学法

①正常涌水量

依据裘布依理论式：Qs=L×K×(H2-h2)/(Ry-r)

式中Qs——隧道正常涌水量/(m3/d);

K——含水体渗透系数/(m/d)；

H——洞底以上潜水含水体厚度/m；

h——洞内排水沟假设水深(一般考虑水跃值)/m；

Ry——隧道涌水地段的引用补给半径/m；

r——抽水孔出水半径/m；

L——隧道通过含水体的长度/m。

K352+047～K361+301，K=1.72×10-3m/d，H=207.6 m，h=0.4 m，Ry=500 m，r=6.5 m，L=9 253 m，经计算Q0-1=1 390 m3/d。

K361+301～K364+255，K=1.78×10-2m/d，H=170 m，h=0.4 m，Ry=500 m，r=6.5 m，L=2 954 m，经计算Q0-2=3 079 m3/d。

正常涌水量总值Q0=Q0-1+Q0-2=4 469 m3/d。

②最大涌水量

依据古德曼经验公式

Q0=L×(2π×K×H)/In(4H/d)

式中Q0——隧道通过含水体地段的最大涌水量/(m3/d)；

K——含水体渗透系数/(m/d)；

H——静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离/m；

d——洞身横断面等价圆直径/m；

L——隧道通过含水体的长度/m。

K352+047～K361+301，K=1.72×10-3m/d，H=201.1 m，d=13 m，L=9 253 m，经计算Q0-1=4 873 m3/d。

K361+301～K364+255，K=1.78×10-2m/d，H=163.5 m，d=13 m，L=2 954 m，经计算Q0-2=13 779 m3/d。

最大涌水量总值Q0=Q0-1+Q0-2=18 652 m3/d。

综合以上三种方法，该隧道正常涌水量取8 664 m3/d，最大涌水量取18 652 m3/d。隧道开挖过程中，经现场量测，该隧道涌水量为0.11～0.2 m3/s，即为9 504～17 280 m3/d，与设计预测值较为接近。

3.7　隧道围岩级别划分

综合上述各种勘察手段的成果，并考虑地下水影响、隧道结构物的设置情况等，做出隧道围岩级别划分判定，见表4。

表4　隧道正洞围岩分级一览

经隧道施工开挖验证，仅有少量围岩级别跨级调整，未引起Ⅰ类变更，故本次勘察手段选择较合理，勘察成果较科学。

[1]铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社，2007

[2]铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质勘察规范[S].北京：中国铁道出版社，2007

[3]楼文虎，舒磊.中国第一座特长越岭隧道-西康铁路秦岭隧道[J].铁道工程学报，2005(增刊)：185-191