馬 佳 段俊彪

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

新建呼和浩特至張家口快速鐵路大尖山隧道位于河北省張家口市懷安縣與內(nèi)蒙古烏蘭察布市興和縣、山西省大同市天鎮(zhèn)縣交界處,為西洋河與東洋河流域的分水嶺。工點(diǎn)位于該線DK65+240～DK75+721.72段,全長(zhǎng)10 481.72 m,洞身最大埋深達(dá)265 m,進(jìn)口路肩高程1 091.6 m,出口路肩高程1 264.4 m,隧道洞身設(shè)三個(gè)斜井。根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003—2005)規(guī)定,長(zhǎng)度大于10 km的隧道為特長(zhǎng)隧道。該隧道所通過(guò)山區(qū)巖性多為太古界麻粒巖,該地區(qū)經(jīng)受長(zhǎng)期多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響,巖體斷裂構(gòu)造發(fā)育,特別是小斷層分布較多,發(fā)育多組節(jié)理,巖體完整性普遍較差。隧道經(jīng)過(guò)多條大小不等的巖體破碎帶,破碎帶內(nèi)富水性好。綜合來(lái)看,該隧道長(zhǎng)度大,工程地質(zhì)條件復(fù)雜,需采取有效的手段查明隧道區(qū)的地質(zhì)情況,才能為工程地質(zhì)選線和隧道設(shè)計(jì)與施工提供準(zhǔn)確可靠的地質(zhì)資料。

1 勘察概況

2009年12月至2010年6月,首先對(duì)隧道進(jìn)行了1∶10 000大面積工程地質(zhì)及水文地質(zhì)調(diào)繪,重點(diǎn)查明線路左右各2 km范圍內(nèi)的地貌、地層、構(gòu)造、水文等。2010年7月開(kāi)展定測(cè)工作后又進(jìn)行了1∶2 000工程地質(zhì)調(diào)繪,重點(diǎn)查明線路范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性與層序；同時(shí)進(jìn)行1∶2 000水文地質(zhì)調(diào)查,重點(diǎn)查明區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件及地層的含水性,初步掌握了隧址區(qū)的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件。在定測(cè)勘察過(guò)程中,綜合利用了航片判釋、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)調(diào)繪、物探、淺孔鉆探、深孔鉆探、水文試驗(yàn)、綜合測(cè)井等方法,通過(guò)綜合多種方法得到的信息,分析評(píng)價(jià)該隧道工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件。

2 綜合地質(zhì)勘察方法及過(guò)程

2.1 資料收集與航片判釋

主要收集了區(qū)域地質(zhì)資料和附近已建高速公路勘察期間的部分地質(zhì)資料,對(duì)地區(qū)巖性、構(gòu)造的分布有了初步的了解。該地區(qū)麻粒巖(granulite)是以含紫蘇輝石為特征的中高級(jí)區(qū)域變質(zhì)巖石。隧道經(jīng)過(guò)山區(qū)整體上為一向北方傾倒的背斜構(gòu)造,軸面傾向南,線路走向?yàn)楸蔽飨?線路與背斜軸向約成40°夾角橫穿背斜山體,區(qū)域圖上標(biāo)識(shí)有數(shù)條大的斷裂構(gòu)造。

根據(jù)航片判釋,隧道經(jīng)過(guò)山區(qū)進(jìn)口段以及山區(qū)沖溝邊緣為土層覆蓋,其余地段多為基巖出露。該地區(qū)主要巖性為麻粒巖,但麻粒巖地層中穿插多條巖脈,巖性為混合花崗巖、輝綠巖等,大的巖脈寬度達(dá)50～200 m。通過(guò)航片判釋,明確了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的重點(diǎn)區(qū)域。

2.2 野外地質(zhì)調(diào)查

根據(jù)航片判釋的結(jié)果和區(qū)域地質(zhì)圖提供的信息,野外地質(zhì)調(diào)繪的重點(diǎn)放在現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證區(qū)域地質(zhì)圖勾繪的斷層位置,查明巖脈的位置、寬度,追溯其走向、延伸長(zhǎng)度,查明不同巖性間的接觸關(guān)系等。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪,沿線位在隧道范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)7條破碎帶。其中處于麻粒巖地層中的破碎帶6條,麻粒巖與泥巖夾砂巖接觸破碎帶1條。

在進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)繪的同時(shí),對(duì)沿線山區(qū)出露的泉水及地表徑流等進(jìn)行了觀測(cè)、統(tǒng)計(jì)、水量估算,初步了解了隧道區(qū)地表水的匯集、補(bǔ)給與排泄條件。隧道所在山體上方深切沖溝發(fā)育,部分沖溝內(nèi)可見(jiàn)地表徑流,水量小,由泉水及大氣降水補(bǔ)給。雨季沖溝內(nèi)有洪水。

2.3 物探

在山區(qū)工程地質(zhì)勘察中,物探具有工效高、成本低、應(yīng)用廣、透視性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在物探方法的選擇上,綜合考慮了不同方法的優(yōu)缺點(diǎn),采取沿隧道軸線貫通布置了音頻大地電磁法物探,部分異常地段布置了高密度電阻率法進(jìn)行了復(fù)核。

音頻大地電磁法采用的儀器為美國(guó)GEOMETRICS公司的EH4音頻大地電磁測(cè)量系統(tǒng),高密度電阻率法數(shù)據(jù)采集使用WDA-1超級(jí)數(shù)字直流電法儀。在整個(gè)隧道,物探EH4剖面基本沿線路貫通布置,高密度電阻率剖面根據(jù)需要分兩段布置。隧址范圍內(nèi)地層的基本物性為：Q3的黃土層、侏羅系(J2)泥巖夾砂巖電阻率最低,基巖破碎帶、斷層破碎帶、巖性接觸帶等電阻率比較低,而太古界麻粒巖(Arm)基本為高電阻率特征反映。砂質(zhì)黃土(Q3),電阻率約50～100 Ω·m；泥巖夾砂巖(J2),電阻率約50～150 Ω·m；泥巖(J2),電阻率約25～50 Ω·m；完整麻粒巖(Arm),電阻率約500～1 500 Ω·m；風(fēng)化、破碎麻粒巖(Arm),電阻率約300～500 Ω·m。物探結(jié)果結(jié)合前期地質(zhì)資料,將物性分布圖轉(zhuǎn)化為地質(zhì)剖面圖(見(jiàn)圖1、圖2)。

圖1 音頻大地電磁法電阻率等值線(隧道局部)

圖2 物探解譯地質(zhì)斷面(隧道局部)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪,隧道進(jìn)出口覆蓋有第四系全新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土,隧道出口段位于侏羅系砂巖夾泥巖,其余大部分段落均為太古界麻粒巖。在資料處理過(guò)程中,應(yīng)認(rèn)真核對(duì)已知地質(zhì)資料,不斷調(diào)整反演參數(shù),找出物探異常帶和地層結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,總結(jié)出最合適的處理參數(shù),并對(duì)所有資料進(jìn)行反演計(jì)算,力求物探資料合理可靠。整個(gè)隧道地段的EH4剖面推斷的巖性分界、破碎帶位置，與高密度電阻率剖面推斷的巖性分界、破碎帶位置基本一致,其物性分布形態(tài)與地層分布形態(tài)對(duì)應(yīng)良好,基本反映了隧道地段的物性基本特征。

高密度電阻率法的勘探深度有限,不能探測(cè)隧道深部的地質(zhì)情況(正常情況下高密度電阻率法的有效探測(cè)深度在150～180 m左右),對(duì)于陡峻地段的探測(cè)也受地形限制或影響；EH4音頻大地電磁法,探測(cè)深度較大(有效探測(cè)深度可以達(dá)到800 m),但分辨率稍差一些,易受外界電磁場(chǎng)的干擾影響。EH4音頻大地電磁法與高密度電阻率法的有效結(jié)合,相互印證、相互補(bǔ)充與完善,達(dá)到了預(yù)期的目的,基本探明了測(cè)區(qū)巖性分布形態(tài)、巖性分界位置、斷層及破碎帶的位置與分布形態(tài),指導(dǎo)了隧道深孔鉆探的布設(shè)。

2.4 鉆探

淺孔鉆探主要是為了查明隧道洞口位置和淺埋段的地層情況,根據(jù)這些鉆孔反映的情況,基本摸清了隧道洞口段覆蓋層的厚度,了解了洞口段和淺埋段巖層的風(fēng)化程度、破碎程度。

深孔鉆探是為了驗(yàn)證地質(zhì)調(diào)查、物探所推測(cè)斷層的情況,同時(shí)也為后續(xù)水文試驗(yàn)、綜合測(cè)井等提供條件。深孔的位置受地形和進(jìn)場(chǎng)條件限制比較大,整個(gè)隧道段共完成10個(gè)。根據(jù)深孔鉆探巖芯比對(duì),部分地段麻粒巖裂隙發(fā)育程度較高,且麻粒巖地層中存在與混合花崗巖、輝綠巖的接觸破碎帶。

2.5 水文地質(zhì)試驗(yàn)與隧道涌水量預(yù)測(cè)

為了獲得較為準(zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù),在已完成的隧道深孔內(nèi)進(jìn)行了水文地質(zhì)試驗(yàn)。深孔處地下水位較高,選用抽水試驗(yàn)方案。試驗(yàn)過(guò)程按照《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB10049—2004)的相關(guān)要求進(jìn)行。分析抽水試驗(yàn)曲線為承壓水,采用承壓水完整井公式計(jì)算。利用所得到的麻粒巖地層的滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果,采用地下水動(dòng)力學(xué)法非穩(wěn)定流進(jìn)行隧道涌水量預(yù)測(cè),所預(yù)測(cè)計(jì)算的涌水量包括可能正常涌水量和可能最大涌水量。表1為大尖山隧道DJSZ-2號(hào)孔內(nèi)穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)三個(gè)降深的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果,式(1)為佐藤邦明非穩(wěn)定流計(jì)算公式。

表1 DJSZ-2號(hào)孔抽水試驗(yàn)計(jì)算

(2)

qs=q0-7.475·K·r0

式中qo——隧道通過(guò)含水體地段的單位長(zhǎng)度最大涌水量/(m3/d·m)；

qs——隧道通過(guò)含水體地段的單位長(zhǎng)度正常涌水量/(m3/d·m)；

m——換算系數(shù),一般取0.86；

K——含水體滲透系數(shù)/(m/d)；

h2——靜止水位至洞身橫斷面等價(jià)圓中心的距離/m；

ro——洞身橫斷面等價(jià)圓半徑/m；

hc——含水體厚度/m。

該計(jì)算結(jié)果與大氣降水法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)照,大氣降水入滲法采用公式為

Q=2.74·α·W·A

式中α——降水入滲系數(shù),取值0.10；

W——年降水量/mm；

A——隧道通過(guò)含水體地段的集水面積。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,隧道段多為中等富水區(qū),部分沖溝所在段落為強(qiáng)富水區(qū),隧道進(jìn)出口段為貧富水區(qū)。

2.6 綜合測(cè)井

在已完成深孔內(nèi)進(jìn)行了綜合測(cè)井,主要測(cè)量項(xiàng)目為孔徑、傾斜度、地溫、波速、井液電阻率、自然伽瑪、人工伽瑪、孔內(nèi)電視攝像。根據(jù)測(cè)井資料,深孔范圍內(nèi)地溫正常,放射性在洞身范圍內(nèi)小于50γ,年有效劑量當(dāng)量He<5 mSv,屬于非限制區(qū),對(duì)人身體無(wú)害。通過(guò)波速測(cè)試對(duì)圍巖級(jí)別進(jìn)行了劃分,同時(shí)將自然伽瑪、人工伽瑪曲線解譯結(jié)果，與鉆探巖芯、孔內(nèi)攝像分析結(jié)果進(jìn)行了比對(duì),裂隙發(fā)育、破碎段的劃分結(jié)果基本吻合。

3 綜合分析及結(jié)論

在以上工作完成后,對(duì)所得到信息進(jìn)行了歸總分析：地質(zhì)調(diào)查共發(fā)現(xiàn)有7條破碎帶,物探解譯共有10條破碎帶,其中有5條破碎帶與地質(zhì)調(diào)繪發(fā)現(xiàn)的斷層破碎帶位置基本吻合。按照里程進(jìn)行圍巖劃分,隧道圍巖分級(jí)共分三級(jí),其中Ⅴ級(jí)圍巖3 913.72 m,占37.3%,Ⅳ級(jí)圍巖4 329 m,占41.3%,Ⅲ級(jí)圍巖2 239 m,占21.4%。按照水文條件進(jìn)行劃分,給出了地下水量較為豐富、施工時(shí)易產(chǎn)生涌水突泥的段落。

在此隧道的勘察工作中,運(yùn)用了多種方法,最后綜合分析得出了勘察結(jié)論。對(duì)于長(zhǎng)大隧道工程,地質(zhì)條件復(fù)雜,單一的勘察手段往往局限性很大,得到的信息很有限。例如,采用深孔鉆探揭露的地層較為直觀,但存在進(jìn)場(chǎng)困難、工期長(zhǎng)、對(duì)于埋深較大地段難以達(dá)到洞身深度等問(wèn)題；物探野外操作相對(duì)簡(jiǎn)便,但在缺乏地質(zhì)資料的情況下存在多解譯性。采用多種方法互為輔助,綜合其成果進(jìn)行分析,結(jié)果之間進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,能夠保證勘察質(zhì)量,得到具有較高可信度的結(jié)果。

[1]鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,1999

[2]TB10012—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[3]TB10049—2004 鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程[S]

[4]TB10003—2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

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[6]孫英勛.EH4電磁成像系統(tǒng)在高速公路長(zhǎng)大深埋隧道勘察中的應(yīng)用研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2005,13(4):546-550