隧道工程多種勘察技術(shù)方法研究

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【摘要】目的是對(duì)隧道穿越段進(jìn)行巖土工程勘察，查明工作區(qū)范圍地層巖性、巖層產(chǎn)狀、構(gòu)造及不良地質(zhì)對(duì)隧道通過(guò)的影響程度，為隧道穿越工程初步設(shè)計(jì)提供所需的相關(guān)工程地質(zhì)依據(jù)和工程設(shè)計(jì)所需的巖土工程參數(shù)等。

【關(guān)鍵詞】巖溶；地質(zhì)；隧道；巖土工程

1引言

某管道工程隧道位于山西省某縣境內(nèi)，穿越段主要出露奧陶系-套碳酸鹽巖，地層穩(wěn)定，巖性變化較小，巖層具水平層理構(gòu)造，產(chǎn)狀平緩，巖層傾向多往南東及南西方向傾斜，局部因褶曲呈波狀微起伏，巖溶較發(fā)育，溶蝕形態(tài)主要為溶洞、溶溝、溶蝕裂隙及蜂窩狀溶孔等，一般為半充填，充填物為粉質(zhì)粘土及灰?guī)r碎石、塊石等，巖溶發(fā)育在很大程度上與構(gòu)造裂隙發(fā)育程度有關(guān)。

2主要任務(wù)及勘察技術(shù)手段

為完成隧道勘察任務(wù)本項(xiàng)目采用了多種勘察技術(shù)手段以探明隧址區(qū)工程地質(zhì)情況。

2.1主要任務(wù)

查明隧道通過(guò)地段的地層、巖性和褶皺、斷裂破碎帶、不良與災(zāi)害地質(zhì)（滑坡、崩塌、泥石流等）、特殊地質(zhì)（如巖溶、采空區(qū)等）情況。

2.2巖溶分析

溶洞與構(gòu)造的初步評(píng)價(jià)：

2.2.1巖溶與巖性的關(guān)系

巖石成分、成層條件和組織結(jié)構(gòu)等直接影響巖溶的發(fā)育程度和速度。一般地說(shuō)，質(zhì)純厚的巖層，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，且形態(tài)齊全，規(guī)模較大；含泥質(zhì)或其他雜質(zhì)的巖層，巖溶發(fā)育較弱。結(jié)晶顆粒粗大的巖石巖溶較為發(fā)育；結(jié)晶顆粒細(xì)小的巖石，巖溶發(fā)育較弱。隧址區(qū)共有七個(gè)地層，根據(jù)地表調(diào)查巖溶發(fā)育的地層為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r地層。

2.2.2巖溶與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系

溶洞與裂隙的關(guān)系：裂隙的發(fā)育程度和延伸方向通常決定了巖溶的發(fā)育程度和發(fā)展方向。在節(jié)理的交叉處和密集帶，巖溶最易發(fā)育，隧道進(jìn)口巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎巖溶較發(fā)育，巖芯多見(jiàn)蜂窩狀溶蝕。與斷層的關(guān)系：沿?cái)嗔褞菐r溶顯著發(fā)育地段，常分布有漏斗、豎井、落水洞及溶洞、暗河等。往往在正斷層處巖溶較發(fā)育，逆斷層處巖溶發(fā)育較弱。隧址區(qū)發(fā)育-斷層，因斷層破碎帶影響，巖溶裂隙發(fā)育，巖芯多為碎塊狀，局部短柱狀。

2.2.3巖溶與地形關(guān)系

地形陡峻、巖石裸露的斜坡上，巖溶多呈溶溝、溶槽、石芽等地表形態(tài)；地形平緩地帶，巖溶多以漏斗、豎井、落水洞、塌陷洼地、溶洞等形態(tài)為主?，F(xiàn)場(chǎng)地表調(diào)查可知，在地形陡峻山溝內(nèi)多見(jiàn)溶溝，有明顯水流痕跡，巖石表面有松散溶蝕風(fēng)化殘留物附著于巖體表面。

2.3勘察技術(shù)方法

本次巖土工程勘察采用的主要技術(shù)方法包括：

2.3.1資料收集、分析整理

收集分析區(qū)域地質(zhì)普查、區(qū)域水文地質(zhì)普查、有關(guān)重大工程的地質(zhì)勘察成果、氣象、水文、地震和地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃等資料，并進(jìn)行整理、分析。

2.3.2地面工程地質(zhì)測(cè)繪、鉆探

對(duì)隧道通過(guò)地段及其附近地區(qū)的地質(zhì)和水文地質(zhì)工程地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)查、測(cè)繪機(jī)鉆探。

2.3.3高頻大地電磁探測(cè)、聲波測(cè)試

采用高頻大地電磁測(cè)深法、選用EH-4型StrataGem電磁儀，主要查明松散層、基巖風(fēng)化層厚度和褶皺、斷層破碎帶、節(jié)理、裂隙密集帶等構(gòu)造、巖體破碎帶深度與厚度，以及礦山采空區(qū)的分布深度和高度等。采用單孔法，選用是重慶奔騰數(shù)控生產(chǎn)的WSD-2A數(shù)字聲波測(cè)試儀，在鉆孔內(nèi)測(cè)定巖體彈性縱波和橫波波速，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試巖塊彈性縱波和橫波波速，計(jì)算巖體的完整性指數(shù)。

3勘察手段應(yīng)用及地質(zhì)解譯

隧址區(qū)地貌屬低山丘陵地貌，地形起伏較大，局部為懸崖，地形陡峭，溝谷縱橫，切割深，從大的地貌上看隧址區(qū)南高北低，海拔高程790～1047m，相對(duì)高差257m。擬建隧道進(jìn)、出洞口位于山腳下溝谷處，地形相對(duì)平緩。

3.1鉆探及其成果

經(jīng)鉆探揭露及地表地質(zhì)調(diào)查，隧道穿越范圍主要出露奧陶系-套碳酸鹽巖地層，地表基巖露頭發(fā)育，現(xiàn)將場(chǎng)地各地層巖土層特征從上至下分述如下：

3.1.1第四系

①殘坡積碎石土：黃褐色，碎石約占60%，母巖成分為灰黑色灰?guī)r，角礫及泥質(zhì)充填，不均勻分布，該層零星分布于溝谷及山坡-帶，主要為懸崖頂部坡積灰?guī)r殘坡積而成。

3.1.2奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組

②中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r：灰色，灰黃色，細(xì)晶結(jié)構(gòu)，薄-中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部含方解石細(xì)脈，偶見(jiàn)溶蝕小孔，巖石一般較完整，局部風(fēng)化破碎，巖石呈水平層理、產(chǎn)狀平緩，夾灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r，該層在地表分布于山頂一帶，厚度大于40m。

3.1.3奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組

③中風(fēng)化灰?guī)r：深灰色，薄～中厚層狀構(gòu)造，細(xì)晶結(jié)構(gòu)，巖芯呈短柱及長(zhǎng)柱狀，少部分巖芯呈碎塊狀，RQD值為極差-較好，層狀裂隙較發(fā)育，局部受構(gòu)造影響溶蝕發(fā)育，溶蝕空間被灰?guī)r碎屑及泥質(zhì)充填，該地層見(jiàn)于隧道進(jìn)洞口及中部鉆孔。該層在地表分布于山體北東坡及隧道進(jìn)口處山坡、溝谷一帶，厚度約60~80m。④中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r：深灰；薄-厚層狀構(gòu)造，細(xì)晶結(jié)構(gòu)，巖芯呈短柱及長(zhǎng)柱狀，少部分巖芯呈碎塊狀，RQD值極差-差，層狀裂隙較發(fā)育，溶蝕發(fā)育。地質(zhì)鉆探及高頻大地電磁探測(cè)在該層內(nèi)發(fā)現(xiàn)有-巖溶裂隙發(fā)育帶，巖溶發(fā)育帶內(nèi)溶蝕裂隙發(fā)育，巖芯破碎成碎塊狀，局部短柱狀，巖芯溶蝕現(xiàn)象明顯，塊狀、柱狀巖芯上有較多溶蝕孔洞，半充填或無(wú)充填，巖芯采取率較低，RQD值極差-差。該層見(jiàn)于中部鉆孔號(hào)孔。地表直徑2～4cm的溶孔較發(fā)育。該層地表主要分布于山體北東坡-帶，厚度60~100m。⑤中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r：灰色、灰黃色，中風(fēng)化薄～中厚層狀構(gòu)造，細(xì)-微晶結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育，該層分布山體北東坡及溝谷一帶，厚度10~20m。

3.2高頻大地電磁測(cè)深處理與解釋

EH-4野外采集的時(shí)間序列的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行FFT變換，獲得電場(chǎng)和磁場(chǎng)虛實(shí)分量和相位數(shù)據(jù)，對(duì)每一個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行編輯，舍掉畸變的頻點(diǎn)，保留高質(zhì)量的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)。然后進(jìn)行一維BOSTICK反演和地形校正，在一維反演的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行帶地形二維反演成像。最后使用surfer軟件繪制電阻率等值線圖。高頻大地電磁測(cè)深法勘探以地下介質(zhì)的電性差異為基礎(chǔ)。由于地下巖石成因環(huán)境不同，同時(shí)受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，從而在縱向和橫向上產(chǎn)生電阻率的變化；此外巖石的電阻率值還與地層結(jié)構(gòu)、成份、巖石顆粒的大小、密度以及地下水含量等因素有關(guān)。從而可根據(jù)反演斷面圖電性特征的分布情況，推斷解釋地下目標(biāo)體的埋深、形態(tài)及分布規(guī)律等。在斷面上，電阻率等值線密集帶或橫向斜率突變帶，說(shuō)明在該處兩側(cè)存在不同地質(zhì)體，往往是不同電性地質(zhì)層的分界處或斷裂帶。推斷斷裂時(shí)，低電阻顯示區(qū)范圍廣，視電阻率值過(guò)低，很可能為斷裂破碎嚴(yán)重區(qū)。在資料解釋時(shí)，判別異常區(qū)主要是根據(jù)電阻率值變化及電阻率等值線的形態(tài)等綜合因素考慮的。根據(jù)隧道左線、中線和右線高頻大地電磁測(cè)深二維反演，可以看出電阻率異常形態(tài)較為復(fù)雜，發(fā)現(xiàn)斷層1條，并且?guī)缀醵嘉挥诜囱葙Y料上相對(duì)應(yīng)的位置處，說(shuō)明異常沿走向是連續(xù)的，而且向深部也有一定程度的延伸。發(fā)現(xiàn)1條巖溶發(fā)育帶，電阻率很低，基本在100Ω•m以下，該隧道工程地質(zhì)條件較差。在中部?jī)?nèi)有一明顯低阻異常帶，并向深部延伸約350m，電阻率值在50～350Ω•m，推斷為一斷層，傾角約60°。在斷層附近，巖溶裂隙較為發(fā)育，施工時(shí)應(yīng)引起注意。

3.3聲波測(cè)井資料解釋成果

3.3.1進(jìn)洞口測(cè)井資料解釋

從聲波測(cè)井及電阻率測(cè)井資料來(lái)看，測(cè)井波速背景值在2875～4050m/s之間，電阻率背景值在4370～6050Ω•m之間，總體巖石聲波與電阻率變化有-定幅度。在深度5.3～5.9m，聲波測(cè)井出現(xiàn)低速值，約為2600m/s左右，電阻率測(cè)井出現(xiàn)低阻值，約為3250Ω•m，推測(cè)為裂隙或溶蝕帶；在深度8.1～10.7m內(nèi)聲波測(cè)井出現(xiàn)低速值，約為2700m/s左右，電阻率測(cè)井出現(xiàn)低阻值，約為3870Ω•m，推測(cè)為裂隙或溶蝕帶；在深度14.0～15.1m內(nèi)聲波測(cè)井出現(xiàn)低速值，約為3320m/s左右，電阻率測(cè)井出現(xiàn)低阻值，約為4100Ω•m，推測(cè)為裂隙或溶蝕帶；在深度18.0m以下內(nèi)聲波測(cè)井及電阻率測(cè)井出現(xiàn)值往下的趨勢(shì)，聲波速度約為3700m/s左右，電阻率約為5350Ω•m，推測(cè)為裂隙或溶蝕帶。

3.3.2出洞口測(cè)井資料解釋

從聲波測(cè)井及電阻率測(cè)井曲線圖來(lái)看，測(cè)井波速背景值在3250～4200m/s之間，電阻率背景值在5850～6250Ω•m之間，總體巖石聲波與電阻率變化不大，巖石較完整。在深度4.4～5.2m，聲波測(cè)井出現(xiàn)相對(duì)低速值，約為3050m/s左右，電阻率測(cè)井出現(xiàn)低阻值，約為4200Ω•m，推測(cè)為裂隙或溶蝕帶。根據(jù)對(duì)物探數(shù)據(jù)分析，結(jié)合地質(zhì)調(diào)繪、鉆探成果，地面以下物理層大致可分為三層：第一層縱波波速為2125～2378m/s，結(jié)合地表調(diào)查及鉆探揭露，綜合解釋該層為第四系殘坡積碎石土層；第二層縱波波速為3030～4545m/s，結(jié)合已知結(jié)果，解釋為中風(fēng)化層，巖性主要灰?guī)r等；第三層縱波波速為3257～4426m/s，結(jié)合已知結(jié)果，解釋為微風(fēng)化層，巖性主要為灰?guī)r。通過(guò)本次高頻大地電磁探測(cè)及聲波測(cè)井成果顯示：（1）通過(guò)本次物探勘查，基本查明了指定剖面段地表下450m左右深度范圍內(nèi)的斷裂構(gòu)造及風(fēng)化帶（或物性界面）的起伏變化情況，總體結(jié)果較可靠。（2）在根據(jù)聲波及電阻率測(cè)井資料，進(jìn)口區(qū)域巖溶裂隙較發(fā)育。（3）通過(guò)高頻大地電磁探測(cè)，在中部范圍內(nèi)有一明顯低阻異常帶，并向深部延伸約350m，電阻率值在50～350Ω•m，推斷為-斷層，傾角約60°。另在中部范圍（斷層周圍）發(fā)現(xiàn)1條巖溶發(fā)育帶，電阻率很低，基本在100Ω•m以下，受斷層影響，巖溶裂隙較為發(fā)育，該段隧道工程地質(zhì)條件較差。

4結(jié)語(yǔ)

由于巖土的特性以及勘察目標(biāo)的不同，采用的勘探方式也應(yīng)不相同。尤其巖溶地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜采用多種勘察手段方法進(jìn)行綜合勘探，各勘探手段之間可以相互依靠、補(bǔ)充，比單一鉆探和地質(zhì)調(diào)查等更為全面和精確、便捷、經(jīng)濟(jì)；鉆探雖然使用最為廣泛，但在進(jìn)行巖石勘察時(shí)，應(yīng)從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，避免盲目化和隨意化。

作者：梁金武 單位：湖南省輕工紡織設(shè)計(jì)院