综合勘察技术在长大隧道中的应用

刘银岩 姜海杰

摘 要：某长大隧道埋深大、岩浆岩活动强烈、构造发育，在勘测过程中，采用多种勘察手段，发挥遥感的宏观控制作用，以地质调绘为基础，利用综合物探的解译，辅以钻孔加以验证，在实际工作中收到了很好的效果，为以后山区铁路长大隧道的勘察提供了经验。

关键词：长隧道；遥感；物探；钻探；综合测井

中图分类号：U452.11 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）20-0057-03

新建某隧道起讫里程为DK239+976～DK244+646，全长 4 670 m，最大埋深212 m。该隧道采用了航片判释、地质调绘、EH-4大地音频电磁法、高密度电法、钻探、综合测井等勘察手段，重点查明了区内地质构造、地层岩性以及岩浆岩接触关系。

1 工程概况

1.1 地形地貌

该隧道穿越低山丘陵区，山顶一般呈浑圆状。高程为353.06～462.5 m，相对高差超过200 m，隧址区多为松林，植被覆盖率约80%。

1.2 气象地震

隧址区属北亚温带湿润半湿润大陆性季风气候，为严寒地区，最冷月月平均气温-15.2～-16.5 ℃。年平均气温为4.6～ 6.0 ℃，年平均降水量为670.4～528 mm，最大积雪深度为50～61 cm，土壤最大冻结深度为171～168 cm。

沿线地震动峰值加速度为0.10 g，相当于地震基本烈度Ⅶ度，动反应谱特征周期是0.35 s。

1.3 工程地质特征

隧址区地层主要为第四系残坡积层、侏罗系安山岩、凝灰岩及华力西晚期花岗岩。由于隧道地处断裂带的南侧，地质构造发育，隧址区内地层受构造影响，岩浆活动强烈，花岗岩和安山岩相互穿插，如图1所示。

DK241+925-DK242+010段发育有一正断层，断层产状∠225 °/75-80 °， 断层宽度约50 m； DK242+970-DK243+240段为华力西晚期花岗岩与侏罗系中上统安山岩接触带，岩体破碎，裂隙水相对富集。隧址区地表水不发育，地下水主要为基岩裂隙水。

1.4 存在的主要地质问题

隧道通过地层主要为华力西晚期花岗岩、侏罗系中安山岩和凝灰岩，在强烈构造运动作用下，不同岩性相互穿插，发育隐伏的节理裂隙发育带及断层带，由于接触变质，节理、裂隙发育，地下水相对富集，围岩相对较差；花岗岩还可能存在一定的放射性。欲查明本隧道通过地段的工程地质条件及水文地质特征，仅靠地表调绘和钻探，在周期较短的情况下难以做到。

2 综合勘察技术应用过程和效果

2.1 遥感技术

初测阶段，利用陆地卫星影像，结合区域地质资料，进行宏观区域地质条件评价，为综合选线提供了地质依据。定测阶段，利用航片，根据地质判释标志，分析测区地形地貌、地层岩性、地质构造和不良地质等对隧道工程的影响。完成卫片解译约 20 km2，航片判释15 km2 ，很好地指导了地质调绘[2]。隧址区大部分植被良好，遥感解译反映该隧道通过2条断裂，岩性以火成岩为主。

2.2 地质调绘

在对区域地质资料研究和遥感判释的基础上，结合工程特点，在隧道区进行了大面积的地质调绘。共完成1：10 000工程地质调绘16 km2，1：2 000带状工程地质调绘5 km2，手持GPS定位测绘各种重要地质点34个。

通过大面积地质调绘发现，区域内花岗岩和安山岩交替出现，根据地层新老关系，首先花岗岩侵入，然后喷出安山岩；故安山岩下部可能存在风化的花岗岩；另发现该隧道通过断层2条， F1断裂两侧的岩性不一致，F2断裂岩层有明显的错动，但由于露头处均位于沟谷，隧道地表多为第四系覆盖，不能进行准确的追踪、量测和分析。

地质调绘期间，对隧道沟谷的泉水和径流进行了水文观测、统计和流量测定，分析了水文地质条件。由于冲沟内水量较小，受降雨影响明显，隧道大部分地段在枯水季节为滴水状态，为弱富水区，在丰水季节，涌水量可能增加。 并采用入渗法和径流法对隧道涌水量进行了分段计算，估算隧道正常涌水量为1 645 m3/d。隧道最大涌水量为3 290 m3/d。

2.3 综合物探

针对调绘情况，为了查明断层规模与位置、产状和岩层接触关系，采用了音频大地电磁法（EH4）对全线进行了贯通，对隧道进出口段及浅埋地段采用高密度电法，完成了物探音频大地电磁（EH-4）剖面4 670 m，高密度电法（AGI）2 000 m，并对物探异常带采用钻探进行验证，然后深孔进行了物探综合测井。

2.3.1 音频大地电磁法（EH4）

通过EH4的全线贯通， 根据电阻率值及等值线形态分析，如图2所示，划分了不同岩性的分界线及接触关系；揭示构造（断层、破碎带）平面位置、宽度、产状及特征；分析了地下水发育情况及富水带。

①地层岩性划分。

DK240+490位置推断为华力西晚期花岗岩与侏罗系中上统安山岩的岩性分界线。DK242+950——DK243+250段隧道洞身下部电阻率很高，推断下部为侵入的花岗岩，表层为强风化，较破碎。隧道进出口段洞身附近电阻率值在100 Ωm左右，相对较低，为第四系风化层，其余段隧道洞身附近电阻率值相对较高，等值线平缓，推断为弱风化基岩，较完整。

②断层、破碎带分析。

电阻率断面图上出现的电阻率值相对较低，等值线呈凹陷陡立状的异常带，推断为断层破碎带反映[3]。DK240+705-DK240

+800段隧道洞身附近，电阻率值较低，等值线下凹，呈漏斗状，上下贯通，推断为断层破碎带F1，宽约95 m，倾向大里程，倾角80 °，中等富水；DK241+205-DK241+280段隧道洞身附近电阻率值变化剧烈，等值线凹陷，推断为断层破碎带F2，宽约75 m，倾向小里程，倾角80 °，弱富水；DK242+070-DK242+120段隧道洞身附近为中等电阻率值反映，等值线程漏斗状，推断为断层破碎带F3，宽约50 m，倾向小里程，倾角75 °，弱富水。

③隧道围岩富水性分析。

从电阻率断面图上电阻率值及等值线形态特征，分析认为该隧道总体表现富水性不强。该隧道主要含水地段为断层水及基岩裂隙水，主要分布于断层、破碎带。

在反演电阻率断面图上显示，隧道通过F3断裂外，还分布有其次生断裂2条，与区域地质资料及地表调查的情况基本吻合的有2条，1条在地表调查没有显示，但物探上有反应；另外隧道内安山岩段有先侵入的花岗岩，和区域资料以及调查的基本吻合。

2.3.2 高密度电法（AGI）

为了验证EH4物探异常，采用高密度电法（AGI）进行勘探。根据反演电阻率断面图2，进一步等查明岩性及分界、断层破碎带及节理裂隙发育带。如图3所示。

①地层岩性及分界。

DK240+442-DK240+462段两侧电阻率差异大，电阻率从大变小然后稍微变大，变化较均匀，接触处无漏斗状形态，结合地质资料，该段为华力西晚期花岗岩与侏罗系中上统安山岩接触带，岩体较为破碎，弱富水，并非断裂带。

②断层破碎带及节理裂隙发育带。

DK241+200-DK241+300段出现缓倾条带状低阻异常带，推断该低阻异常为节理裂隙发育带，岩体破碎，弱富水。DK241+923-DK241+990段出现带状低阻异常带，高阻中间出现明显的低阻异常带， 其电阻率为30～150 Ω·m之间，且自上而下贯通，推断为断层破碎带，弱富水。

根据反演电阻率断面图， 和EH4的资料对比分析，F1断裂实际上为岩性接触带的影响造成的假异常，不是断裂带；F2断裂也只是节理裂隙发育带；F3断裂确为断裂，位置和角度有调整。

2.4 钻 探

在地质调绘及物探成果的基础上，选择具有代表性的地带及地质条件复杂地段布设浅钻孔184.7 m/4孔，深钻孔426.1 m/3孔，主要查明洞身地层岩性，评价岩体的完整性及为围岩分级提供了依据；查明断裂构造的分布及性质；判定了地下水水位，预测涌水量；并对物探异常地段进行验证，查明其准确性；进行孔内综合物探测井，并进行孔内水文地质试验和地应力测试等综合试验。对隧道工程地质、水文地质条件及围岩稳定性评价发挥了重要作用。

2.4.1 对物探解译的验证

JGSSZ-1钻孔揭示安山岩中夹有凝灰岩，岩芯很完整，呈长柱状，故和高密度电法结论基本一致，EH4的低阻异常可能是较软的凝灰岩引起；JGSSZ-4钻孔揭示安山岩中夹有凝灰岩，且32 m～95 m岩芯呈碎块状，有构造引起的擦痕和变质作用，而95 m以下较完整，证实了物探解译的断层；JGSSZ-6孔在40 m由弱风化安山岩突变为了花岗岩的全强风化，岩芯呈土状、散砂状，到58 m处岩芯转为完整，为花岗岩的弱风化，证实了EH4的推测。

2.4.2 涌水量计算

根据3个钻孔的抽水试验和水位恢复的成果，采用裘布依理论式和佐藤邦明非稳定流式，经计算正常涌水量为1 223 m3/d，最大涌水量为为2 980 m3/d。

基于调绘和收集资料的水均衡法和基于水文试验的地下水动力学法算出的结果基本一致，也跟物探以及综合测井的富水性分析基本一致。故洞身单位长度的可能最大涌水量约 0.70 m3/（d*m），判断为弱富水区，断裂带局部为中等富水段。

2.5 综合测井

在定测钻探后，在钻孔内进行了综合测井，共完成426.1m，主要对自然伽玛、声波速度、视电阻率、自然电位、纵波速度、井径、井斜及井温、井液电阻率等参数进行了实测，有效的揭示了岩体的完整性、节理发育及地下水发育等情况，

①根据深孔的综合测井的资料，按照纵波速度对隧道围岩分级为Ⅲ—Ⅳ级[5]。

综合测井反映，波速值和钻探成果基本一致，JGSSZ-1洞身的纵波速度较高，围岩分级为Ⅲ级，证实此处完整基岩；而JGSSZ-4孔32～95 m纵波速度很低，为断裂破碎带；JGSSZ-6孔31 ～56 m处波速值最低，仅为2 km/s，电阻率约为305 Ω·m，分级为Ⅳ级，和钻探揭示的花岗岩全强风化层吻合。

②3孔内最高γ照射量率为43.5γ，其年吸收剂量D= 9.12*10-4Gy，年有效剂量当量He为0.64 mSv，为放射工作场所非限制区，无放射性危害；孔内最高地温为7.4 ℃，按照地温梯度1.5℃/100 m估算，属正常地温区，不存在地热影响；由井液电阻率曲线反映，无明显地下水活动，为弱富水区，局部为中等富水区。

3 施工期间的验证

隧道通过区Ⅱ级围岩长1 450 m，占总长的31%；通过区Ⅲ级围岩长2 285 m，占总长的48.9%；Ⅳ级围岩长690 m，占总长的14.8%；Ⅴ级围岩长245 m，占总长的5.3%。该隧道正常涌水量取1 645 m3/d。

该隧道进出口均已经开挖150 m，开挖后的围岩和勘察的结果基本一致，涌水量正常，未出现变更情况。初步证明综合勘察技术在此隧道运用是成功的。

4 结 语

通过综合勘察对隧道围岩进行了划分，经过施工初步验证，勘察成果与实际地质情况基本一致，综合勘察效果显著。

综合勘察不是勘察手段的堆砌和罗列，而是各种手段环环相扣、相互补充、相互验证的过程： 在充分熟悉地质资料的前提下，发挥遥感在区域地质研究中的宏观作用，利用航片作为指导进行大面积的地质调绘，在此基础上开展了以音频大地电磁法（EH4）、高密度电法为主的综合物探，定性或半定量的查明了隧道的岩性、断裂构造、富水带的分布规律，也很好的指导了钻孔的设计，同时钻探成果也反过来验证地质调绘、物探工作的成果。最后的综合测井是对钻探的验证。

参考文献：

[1] 许再良.太行山特长隧道综合勘察技术的应用与效果[J].铁道工程学 报，2007，（10）.

[2] 陈仲候，王兴泰，杜世汉.工程与环境物探[M].北京：地质出版社，1993.

[3] TB 10049-2004，铁路工程水文地质勘察规程[S].

[4] TB 10003-2005，铁路隧道设计规范[S].