(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)
五指山隧道全長12 207 m,為南廣鐵路第二長隧道。該隧道位于云開山脈東北段,屬中低山區(qū),地形起伏變化較大,谷底與分水嶺相對高差80~200 m,最大埋深407 m,地表植被茂密。
該隧道采用了航片判釋、地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、原位測試、EH-4大地音頻電磁法、孔內(nèi)攝像、綜合測井、水文測井、深孔抽水試驗、放射性測試、巖土及水質(zhì)分析室內(nèi)試驗等綜合勘察手段,查明了隧道工程地質(zhì)、水文地質(zhì)特征。
通過1∶2 000工程地質(zhì)與水文地質(zhì)調(diào)繪,查明了區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性與層序,對部分巖性分界及構(gòu)造行跡進行了追索。重點查明區(qū)內(nèi)地表水的分布及性質(zhì),以及地下水的補給、徑流、排泄條件等。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查情況及區(qū)域地質(zhì)資料,布設(shè)了一條大地音頻電磁(EH-4)剖面,重點查明地層性質(zhì)、風(fēng)化層厚度,查明地下水的分布及富水情況。根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪及物探成果布置鉆孔,在物探異常區(qū)及其他巖性接觸帶等需核實的位置布置了深孔6孔,在隧道進出口及洞身淺埋地段布置淺孔7孔,淺孔孔內(nèi)進行了原位測試,采取巖土樣及水樣。各種試樣分別進行了土工試驗、巖石強度試驗及水質(zhì)侵蝕性分析試驗;深孔進行了孔內(nèi)綜合測井、水文測井,同時每個孔都做了抽水試驗及孔內(nèi)攝像。對加里東期花崗巖取樣做了放射性測試。通過對以上資料的綜合分析和判定,基本查明了隧址區(qū)的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件,為準確劃分隧道圍巖級別提供依據(jù)。
隧道穿越的地層主要為加里東期(地槽)廣西運動扶南序列侵入巖,侵入時代為早志留系S1W(塢泥單元)及S1G(高圍單元),侵入巖性為中—粗粒黑云母斑狀花崗巖,以巖基侵入為主,其次為巖株式。K361+301之后為寒武系高灘組及水石組地層,地層巖性主要為千枚巖及石英砂巖。侵入接觸面走向一般為北東向,傾向東南,傾角30°~40°?;◢弾r地層與寒武系地層呈侵入接觸關(guān)系,接觸產(chǎn)狀變化較大。
隧址區(qū)位于北東向高要大斷裂的西側(cè),花崗巖受動力變質(zhì)作用影響強烈而廣泛,延伸方向為北東向,與區(qū)域斷裂構(gòu)造方向一致。由于各巖體受動力變質(zhì)強度不一,因而產(chǎn)生的動力變質(zhì)巖性不同,動力變質(zhì)作用輕微處產(chǎn)生輕微壓碎花崗巖,較強烈處產(chǎn)生碎裂花崗巖,最強烈處產(chǎn)生花崗糜棱巖和超糜棱巖。隧址在花崗巖區(qū)無斷裂穿過,但受強烈的構(gòu)造作用影響,片理非常發(fā)育,片理走向一般為北東向,傾向東南,傾角一般為30°~40°,對隧道圍巖影響較大。花崗巖與寒武系千枚巖、石英砂巖(∈)呈侵入接觸關(guān)系,侵入接觸面產(chǎn)狀100°∠70°。
在里程為K361+750附近有一條斷層,經(jīng)查閱1∶5萬區(qū)域地質(zhì)圖,證實為沙帽崗斷層,該斷層走向為北東向,產(chǎn)狀為300°∠50°,延伸長度約1 km,斷層破碎帶寬約50 m,為正斷層。在洞身段,分布有2處小型滑坡,但距離洞身較遠,對隧道安全影響較小。
本區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū),全年高溫多雨,地表植被茂密、草木叢生,山體自然坡度較大,地質(zhì)調(diào)繪難度較大。針對本工程特點,現(xiàn)場制定了一套切實可行的調(diào)繪方案,即工程地質(zhì)調(diào)繪在依托區(qū)域地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上,現(xiàn)場追溯地質(zhì)界線、地質(zhì)點,發(fā)現(xiàn)新的地質(zhì)體后再反饋到地質(zhì)圖上,簡而言之即核對、補充;水文地質(zhì)調(diào)繪工作,主要沿溝谷展開,找尋出水點,量測涌水量,查清地下水儲存、補給、滲流條件等,并取樣做水質(zhì)分析試驗。
通過調(diào)繪完成觀測點84個,其中地貌、地層及構(gòu)造觀測點74個,水文觀測點10個。查明了地層層序和地質(zhì)界線,不良地質(zhì)體、地質(zhì)構(gòu)造的性質(zhì)及分布情況,查明了地表水、地下水分布范圍、流量、儲存、補給條件和水質(zhì)等情況(如表1所示)。
表1 水文觀測點一覽
根據(jù)隧道工程設(shè)置特點,布設(shè)了一條長度為12 400 m的大地音頻電磁剖線,通過探測,在隧道洞身共發(fā)現(xiàn)6處低阻異常帶,經(jīng)推斷和分析,該6處低阻異常帶對隧道圍巖影響較大,設(shè)計和施工時應(yīng)充分考慮(如表2所示)。
表2 物探低阻異常帶一覽
根據(jù)地形地貌特征,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料及物探探測結(jié)果,有針對性地布設(shè)了6個深孔、7個淺孔,共1 458 m??變?nèi)進行了原位測試,并取巖土試樣進行了室內(nèi)試驗,查清了孔位處地層巖性、不同巖性間的接觸關(guān)系、巖土體界面、巖體風(fēng)化界線、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、斷層破碎帶寬度及破碎帶巖性等情況,通過分析上述情況,可以直觀地掌握隧道通過段地質(zhì)情況。
勘察過程中,選擇3個深孔進行了孔內(nèi)綜合測井,即通過聲測井、核測井、電測井和工程測井,達到劃分地層巖性、判斷構(gòu)造、確定巖體完整性和風(fēng)化程度,確定含水層部位及含水層間補給關(guān)系等目的,同時查明鉆孔傾斜程度和孔底溫度(即隧道洞身開挖時的溫度)。
通過測試,為隧道圍巖級別劃分提供了較為準確的基礎(chǔ)資料,并查明該隧道花崗巖段落自然放射性強度為14.57~38.18γ,自然γ活度為40.8~106.9Bq,為正常背景值,根據(jù)《鐵路工程不良地質(zhì)地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB10027—2001),判定該區(qū)無放射性危害。通過井液電阻率和井溫曲線反映,隧道洞身無明顯地下水活動。花崗巖特征見表3。
表3 花崗巖特征一覽
根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,結(jié)合鉆探資料及區(qū)域資料綜合分析,預(yù)測隧道大部分花崗巖地段在枯水季節(jié)處于干燥或有少量滲水,寒武系砂巖大部分地段在枯水季節(jié)偶有滲水。在豐水季節(jié),地表水量豐富,地下水位升高,隧道涌水量增加。
利用大氣降水入滲法和地下水動力學(xué)法來預(yù)測隧道涌水量。根據(jù)地層巖性結(jié)合地質(zhì)調(diào)繪,本隧道涌水量可分為兩段計算,即K352+047~K361+301和K361+301~K364+255。
(1)大氣降水入滲法
①正常涌水量
依據(jù)公式:Q=2.74×α×W×A
式中α——降水入滲系數(shù);
W——年降水量/mm,取值1 598 mm;
A——隧道通過含水體地段的集水面積/km2。
K352+047~K361+301,α1=0.15,A1=9.254,經(jīng)計算Q1=6 078 m3/d。
K361+301~K364+255,α2=0.2,A2=2.954,經(jīng)計算Q2=2 586 m3/d。
正常涌水量總值Q=Q1+Q2=8 664 m3/d。
②最大涌水量
W取值2 138.8 mm,總值Q=11 596 m3/d。
(2)地下水動力學(xué)法
①正常涌水量
依據(jù)裘布依理論式:Qs=L×K×(H2-h2)/(Ry-r)
式中Qs——隧道正常涌水量/(m3/d);
K——含水體滲透系數(shù)/(m/d);
H——洞底以上潛水含水體厚度/m;
h——洞內(nèi)排水溝假設(shè)水深(一般考慮水躍值)/m;
Ry——隧道涌水地段的引用補給半徑/m;
r——抽水孔出水半徑/m;
L——隧道通過含水體的長度/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,經(jīng)計算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,經(jīng)計算Q0-2=3 079 m3/d。
正常涌水量總值Q0=Q0-1+Q0-2=4 469 m3/d。
②最大涌水量
依據(jù)古德曼經(jīng)驗公式
Q0=L×(2π×K×H)/In(4H/d)
式中Q0——隧道通過含水體地段的最大涌水量/(m3/d);
K——含水體滲透系數(shù)/(m/d);
H——靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離/m;
d——洞身橫斷面等價圓直徑/m;
L——隧道通過含水體的長度/m。
K352+047~K361+301,K=1.72×10-3m/d,H=201.1 m,d=13 m,L=9 253 m,經(jīng)計算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,經(jīng)計算Q0-2=13 779 m3/d。
最大涌水量總值Q0=Q0-1+Q0-2=18 652 m3/d。
綜合以上三種方法,該隧道正常涌水量取8 664 m3/d,最大涌水量取18 652 m3/d。隧道開挖過程中,經(jīng)現(xiàn)場量測,該隧道涌水量為0.11~0.2 m3/s,即為9 504~17 280 m3/d,與設(shè)計預(yù)測值較為接近。
綜合上述各種勘察手段的成果,并考慮地下水影響、隧道結(jié)構(gòu)物的設(shè)置情況等,做出隧道圍巖級別劃分判定,見表4。
表4 隧道正洞圍巖分級一覽
經(jīng)隧道施工開挖驗證,僅有少量圍巖級別跨級調(diào)整,未引起Ⅰ類變更,故本次勘察手段選擇較合理,勘察成果較科學(xué)。
[1]鐵道部第一勘測設(shè)計院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京:中國鐵道出版社,2007
[2]鐵道部第一勘測設(shè)計院.鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2007
[3]樓文虎,舒磊.中國第一座特長越嶺隧道-西康鐵路秦嶺隧道[J].鐵道工程學(xué)報,2005(增刊):185-191