趙　松

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300143)

The Application Comprehensive Investigations in the Yanshan High-risk and Super Long Tunnel

ZHAO Song

燕山高風(fēng)險(xiǎn)特長(zhǎng)隧道綜合勘察技術(shù)應(yīng)用

趙松

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300143)

The Application Comprehensive Investigations in the Yanshan High-risk and Super Long Tunnel

ZHAO Song

摘要燕山隧道位于燕山山脈西段，其間發(fā)育一處較完整的火山噴發(fā)-侵入旋回，導(dǎo)致其地質(zhì)條件復(fù)雜。應(yīng)用綜合勘察技術(shù)基本查明了該隧道的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況。針對(duì)隧道復(fù)雜的地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)闡述各種勘察方法的使用原則、應(yīng)用范圍、工作程序和應(yīng)用成果。綜合勘察結(jié)果表明，隧址區(qū)整體地質(zhì)條件較好，局部發(fā)育巖性接觸帶和構(gòu)造破碎帶，需采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施。施工揭露與勘察結(jié)果基本相符，表明綜合勘察應(yīng)用效果較好。該隧道的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，以航測(cè)遙感分析判譯及區(qū)域大面積地質(zhì)調(diào)繪為基礎(chǔ)，結(jié)合物探測(cè)試和鉆探驗(yàn)證的綜合勘察技術(shù)是地質(zhì)條件復(fù)雜的高風(fēng)險(xiǎn)長(zhǎng)大隧道勘察工作的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞綜合勘察燕山隧道遙感綜合物探鉆探

燕山隧道設(shè)計(jì)為雙洞單線，左線長(zhǎng)約21.09 km，右線長(zhǎng)約21.11 km，是新建張家口至唐山鐵路中最長(zhǎng)的越嶺隧道，也是張?zhí)凭€的Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。該隧道位于燕山山脈西段中低山區(qū)及趙川盆地、龍關(guān)盆地三大地貌單元中，穿越龍關(guān)穹褶束Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元的華北地臺(tái)燕山臺(tái)褶帶北緣西段，區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造形跡以斷裂構(gòu)造和褶皺構(gòu)造為主，在隧道西段發(fā)育一處較完整的火山噴發(fā)-侵入旋回。

隧址區(qū)地層主要為太古界斜長(zhǎng)角閃巖、角閃斜長(zhǎng)片麻巖、黑云斜長(zhǎng)變粒巖夾少量淺粒巖、磁鐵石英巖，長(zhǎng)城系石英砂巖、粉砂巖、白云巖，侏羅系流紋質(zhì)角礫凝灰?guī)r、流紋質(zhì)凝灰?guī)r、流紋巖夾粗安巖及安山巖，以及燕山期二長(zhǎng)花崗巖、正長(zhǎng)斑巖、石英正長(zhǎng)斑巖。此外，在進(jìn)、出口穿過少量第四系土層。隧址區(qū)主要地質(zhì)問題包括隧道突水、圍巖失穩(wěn)、塌方掉塊、高地應(yīng)力和地下水流失等?？辈爝^程中運(yùn)用綜合勘察技術(shù)，采用遙感判釋、大面積地質(zhì)調(diào)繪、綜合物探、鉆探、孔內(nèi)測(cè)試及室內(nèi)試驗(yàn)等勘察方法，查明了隧址區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，為設(shè)計(jì)和施工提供了準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。綜合勘察工作流程見圖1。

圖1　綜合勘察工作程序

1遙感判釋過程及結(jié)果

采用多種技術(shù)方法對(duì)1∶8 000航空照片進(jìn)行圖像處理并解譯。搜集既有地質(zhì)資料，將其與勘察區(qū)具有代表性的地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)照分析，通過對(duì)比建立特定地質(zhì)現(xiàn)象的判釋標(biāo)準(zhǔn)。為了進(jìn)一步研究分析隧址區(qū)地形地貌及其巖土特征和地質(zhì)構(gòu)造及不良地質(zhì)等可能對(duì)隧道工程產(chǎn)生的影響，對(duì)航片進(jìn)行系統(tǒng)的室內(nèi)判釋和外業(yè)核對(duì)，最終完成航片判釋范圍約126.5 km2，并編制出遙感工程解譯圖等資料，為后序地質(zhì)調(diào)繪奠定了較好的基礎(chǔ)。

2地質(zhì)調(diào)繪過程及結(jié)果

2.1　工程地質(zhì)調(diào)繪過程及結(jié)果

在遙感判釋的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，通過典型地質(zhì)剖斷面的測(cè)繪，查明隧址區(qū)地層層序及其主要地質(zhì)特征。在此基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)隧址區(qū)開展大面積工程地質(zhì)調(diào)繪。

①地層巖性及特殊巖土的特征、分布、時(shí)代成因(組、段)及其相互接觸關(guān)系。

②地質(zhì)構(gòu)造和不良地質(zhì)的產(chǎn)狀、性質(zhì)、規(guī)模及其對(duì)隧道的影響。

③節(jié)理裂隙的發(fā)育程度及其特征等。

最終完成兩種比例的地質(zhì)調(diào)繪，即，1∶10 000工程地質(zhì)調(diào)繪和1∶2 000帶狀工程地質(zhì)調(diào)繪，其面積分別為126.5 km2和22 km2。同時(shí)，用GPS定位標(biāo)記1 000多個(gè)重要地質(zhì)點(diǎn)。

根據(jù)大面積地質(zhì)調(diào)繪的結(jié)果，對(duì)該隧道洞身地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造的分布及特征進(jìn)行分析推測(cè)，查明8條主干斷裂以及20多條次級(jí)斷裂的特征、分布，并預(yù)測(cè)其對(duì)隧道可能的影響。

2.2　水文地質(zhì)調(diào)繪過程及結(jié)果

燕山隧道穿過趙川盆地和龍關(guān)盆地的地下水系統(tǒng)，兩大盆地以象山-轎頂山為分水嶺。針對(duì)地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件和可能的突水位置及其規(guī)模，以分析和預(yù)測(cè)隧道分段涌水量為目標(biāo)，進(jìn)行大面積水文地質(zhì)調(diào)繪。在水文地質(zhì)調(diào)繪的基礎(chǔ)上，進(jìn)行水文地質(zhì)鉆探和試驗(yàn)，并結(jié)合物探手段，基本查明隧址區(qū)的水文地質(zhì)條件。對(duì)隧址區(qū)的水文地質(zhì)單元及泉域邊界進(jìn)行系統(tǒng)劃分，進(jìn)而對(duì)隧道分段涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。在調(diào)繪過程中，共發(fā)現(xiàn)井、泉11處，并結(jié)合地下水賦存、流動(dòng)特征，分別評(píng)價(jià)隧道施工對(duì)其影響。結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系指出該隧道左、右線共30段突水突泥極高風(fēng)險(xiǎn)段落和8段突水突泥高風(fēng)險(xiǎn)段落，并提出合理的工程措施建議。

在熱風(fēng)干燥能耗方面，雙層模式平均能耗最低。物料出油率在21.1%～24.6%，其中三層模式中，當(dāng)毛葉山桐子最終含水量約為8%時(shí)，其平均出油率最高達(dá)到24.6%，并同時(shí)滿足安全貯藏含水率的要求。

3綜合物探過程及結(jié)果

為了降低物探多解性對(duì)勘探效果的影響，燕山隧道定測(cè)時(shí)采用可控源音頻大地電磁和高頻大地電磁兩種方法進(jìn)行貫通測(cè)試，以使兩種方法的測(cè)試結(jié)果相互驗(yàn)證。同時(shí)，利用電測(cè)深、地震折射、聲波測(cè)井、物探綜合測(cè)井和孔內(nèi)全景式數(shù)字?jǐn)z影等方法作為必要的補(bǔ)充，對(duì)關(guān)鍵不良地質(zhì)點(diǎn)和段落進(jìn)行多種方法的驗(yàn)證，基本完成對(duì)斷層、富水段落等不良地質(zhì)和巖土分界的探測(cè)。

3.1　大地電磁測(cè)試

沿隧道左線布置測(cè)線，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距25 m。為了查明異常地質(zhì)體的走向和范圍，在相應(yīng)地點(diǎn)和段落布置旁測(cè)線和橫測(cè)線，共完成測(cè)點(diǎn)880個(gè)，檢查點(diǎn)50個(gè)。通過室內(nèi)資料整理，繪制出各測(cè)線的反演視電阻率剖面圖，制作了視電阻率云圖，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地質(zhì)體物性特征的清晰反應(yīng)。

(1)地層巖性的物性特征

隧道西段(改DK52+990～改DK60+800)視電阻率特征整體偏高，巖性主要為侏羅系安山巖及燕山期二長(zhǎng)花崗巖、正長(zhǎng)斑巖和石英正長(zhǎng)斑巖，表層及進(jìn)口出現(xiàn)低阻，為第四系地層的反應(yīng)，該段巖體整體較完整。隧道中段(改DK60+800～改DK71+600)視電阻率特征相對(duì)偏低，巖性以太古界片麻巖和花崗片麻巖為主，局部段落斷層構(gòu)造發(fā)育，巖體整體較完整，局部較破碎。隧道東段(改DK71+600～改DK74+075)視電阻率特征整體偏高，巖性以太古界片麻巖，長(zhǎng)城系粉砂巖、石英砂巖、頁巖和白云巖為主，巖體整體較完整，但在改DK71+750～改DK73+100段發(fā)育3處斷層，巖體破碎，導(dǎo)致該段落視電阻率偏低(如圖2)。

(2)斷層構(gòu)造的物性特征

視電阻率等值線多閉合，局部扭曲，疏密不均，多具方向性。當(dāng)斷層與表層第四系地層連通，斷層低阻區(qū)與表層第四系低阻區(qū)也會(huì)連通，斷層段落閉合等值線現(xiàn)象隨之消失。

斷層發(fā)育段落往往也是明顯的低阻異常段落。

(3)地下水的物性特征

地下水一般在斷層、巖性接觸帶及節(jié)理裂隙密集帶等巖體破碎有儲(chǔ)水空間的段落較發(fā)育，該段落常常表現(xiàn)為明顯的低阻區(qū)，并伴以低阻閉合圈。

通過對(duì)典型地質(zhì)體物性和電性特征的總結(jié)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行物探解譯，在一定程度上抵消了物探測(cè)試的多解性，提高了物探解譯的準(zhǔn)確性。

圖2　改DK63+850～改DK65+175大地電磁異常

3.2　綜合測(cè)井

與地質(zhì)鉆探和地面物探相比，綜合測(cè)井有著其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠取得其他方法無法得到的電性和物性參數(shù)，是綜合勘察過程中必不可少的物探方法之一。對(duì)每一個(gè)具備試驗(yàn)條件的深孔設(shè)計(jì)了綜合測(cè)井，主要測(cè)試內(nèi)容包括視電阻率測(cè)井、聲波波速測(cè)量、高精度井溫測(cè)量、井斜測(cè)量、自然電位測(cè)井及孔內(nèi)全景式數(shù)字?jǐn)z影等，實(shí)現(xiàn)對(duì)孔內(nèi)巖體完整性、節(jié)理和地下水發(fā)育情況以及構(gòu)造破碎帶的發(fā)育程度等的有效揭露。

燕山隧道綜合物探共揭露低阻異常36處，通過對(duì)其中重要的異常位置進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，判定綜合物探準(zhǔn)確率達(dá)到85%以上。多種物探方法的相互驗(yàn)證和典型地質(zhì)體物性和電性特征的總結(jié)，一定程度上抵消了物探測(cè)試多解性對(duì)物探效果的影響，提高了物探測(cè)試的準(zhǔn)確率。通過實(shí)施綜合物探，為隧道工程地質(zhì)和水文地質(zhì)以及圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了重要依據(jù)。

4鉆探及試驗(yàn)

4.1　鉆探目標(biāo)和結(jié)果

綜合遙感判釋、詳細(xì)地質(zhì)調(diào)繪和綜合物探的勘探成果，找出重要地質(zhì)點(diǎn)和異常段落，并對(duì)其進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。鉆探目標(biāo)如下：

①對(duì)地層巖性進(jìn)行分類定名，對(duì)巖體進(jìn)行完整性評(píng)價(jià)，對(duì)隧道圍巖進(jìn)行地質(zhì)分級(jí)。②探明巖性接觸帶、斷層和巖溶等不良地質(zhì)體的分布及其性質(zhì)。③給出地下水水位及富水段落的分布，確定巖石滲透系數(shù)等參數(shù)，預(yù)測(cè)涌水量，評(píng)價(jià)突水突泥的發(fā)生概率。④驗(yàn)證重大的物探異常的性質(zhì)及其分布特征。⑤進(jìn)行孔內(nèi)水文地質(zhì)試驗(yàn)、物探綜合測(cè)井和地應(yīng)力量測(cè)等綜合試驗(yàn)。

隧道鉆探進(jìn)場(chǎng)困難，鉆探難度大，為了提高鉆探的有效性和利用率，對(duì)深孔鉆探進(jìn)行了認(rèn)真研究和精心策劃，制定了“一孔多用，統(tǒng)籌兼顧，重點(diǎn)突出”的鉆探原則。針對(duì)該隧道的地質(zhì)特征，在地質(zhì)調(diào)繪和物探測(cè)試的基礎(chǔ)上，分別布置目的明確的鉆探任務(wù)，其中，圍巖分級(jí)控制孔7孔，巖性接觸帶等不良地質(zhì)體探測(cè)孔3孔，斷層構(gòu)造帶探測(cè)孔4孔，物探異常驗(yàn)證孔3孔，最終完成正線鉆探17孔3 257.41 m。

4.2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)內(nèi)容

在物探綜合測(cè)井的基礎(chǔ)上，根據(jù)鉆孔的設(shè)計(jì)目的，設(shè)計(jì)了以下測(cè)試及試驗(yàn)。

(1)巖土物理力學(xué)試驗(yàn)：共取原狀土樣63組，巖樣94組，擾動(dòng)土樣4組，設(shè)計(jì)了密度、強(qiáng)度、吸水率、耐凍系數(shù)等物理力學(xué)試驗(yàn)。

(2)水文地質(zhì)試驗(yàn)：根據(jù)隧址區(qū)水系特征和水文地質(zhì)條件，在7個(gè)鉆孔內(nèi)進(jìn)行了水文地質(zhì)試驗(yàn)。為了確定測(cè)試地層的滲透系數(shù)以及隧道涌水量，根據(jù)每個(gè)鉆孔鉆探揭露的水量大小和水位埋深，分別設(shè)計(jì)壓水、提水和注水試驗(yàn)。同時(shí)，提取相應(yīng)地下水水樣，進(jìn)行侵蝕性分析。

(3)地應(yīng)力測(cè)試：為了評(píng)價(jià)硬質(zhì)巖巖爆的可能性，選擇隧道深埋段落的3個(gè)鉆孔進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試。

(4)重要水文點(diǎn)長(zhǎng)期觀測(cè)：通過觀測(cè)水位和水量的變化，分析隧道施工對(duì)區(qū)域地下水水系和環(huán)境水文地質(zhì)條件的影響。

5結(jié)論

燕山隧道隧址區(qū)山勢(shì)陡峻，地形復(fù)雜，綜合勘察地質(zhì)工作克服艱難險(xiǎn)阻，工作時(shí)間近1年，基本查明了隧址區(qū)地層巖性、構(gòu)造破碎帶及突水突泥等重大地質(zhì)問題的特征。在深入分析研究的基礎(chǔ)上，完成了圍巖分級(jí)和分段涌水量預(yù)測(cè)，編制了勘察報(bào)告，并對(duì)該隧道相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確定該隧道為Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道，同時(shí)制定了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

燕山隧道綜合勘察過程中，堅(jiān)持遙感判釋和地質(zhì)調(diào)繪先行，充分發(fā)揮其在區(qū)域地質(zhì)研究和地質(zhì)選線中的宏觀指導(dǎo)作用，在此基礎(chǔ)上安排布置綜合物探工作，發(fā)揮物探測(cè)試的先進(jìn)性和高效性，利用其連續(xù)的地質(zhì)剖面和豐富的地質(zhì)體物性特征數(shù)據(jù)指導(dǎo)后期的鉆探工作。針對(duì)重大物探異常點(diǎn)和地質(zhì)調(diào)繪特征點(diǎn)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，并充分利用鉆孔進(jìn)行孔內(nèi)試驗(yàn)，合理設(shè)計(jì)室內(nèi)試驗(yàn)，各種勘察方法緊密銜接，互相驗(yàn)證和完善，最后綜合分析得到的大量數(shù)據(jù)信息，融會(huì)貫通，形成勘察報(bào)告和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告，為設(shè)計(jì)工作和工程施工提供了相對(duì)準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。

根據(jù)勘察結(jié)果，燕山隧道發(fā)育一處較完整的火山噴發(fā)-侵入旋回構(gòu)造，洞身范圍內(nèi)以片麻巖、花崗巖、石英砂巖等硬質(zhì)巖石為主，受火山構(gòu)造旋回影響，構(gòu)造破碎帶較為發(fā)育。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)論，該隧道主要地質(zhì)災(zāi)害為突水突泥、巖爆和塌方等災(zāi)害，通過采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施，可將各地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)控制在中、低度范圍內(nèi)。該隧道高低溫、有害氣體和放射性等危害不發(fā)育。燕山隧道已于2014年9月貫通，施工揭露與勘察結(jié)果基本相符，表明在高風(fēng)險(xiǎn)長(zhǎng)大隧道中應(yīng)用綜合勘察技術(shù)效果較好。

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中圖分類號(hào)：U452.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-7479(2015)01-0043-03

作者簡(jiǎn)介：趙松(1985—)，男，2013年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)巖土工程專業(yè)，助理工程師。

收稿日期：2014-12-23