段圣龍

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

0 引言

向莆鐵路全線(xiàn)有隧道116座，總長(zhǎng)290.08 km，占線(xiàn)路全長(zhǎng)的52.4%，其中：6km20 km的特長(zhǎng)隧道有3座，合計(jì)長(zhǎng)70.823 km，工程十分艱巨。有14 km以上長(zhǎng)大隧道6座，合計(jì)長(zhǎng)116 km。這些隧道在勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)階段均會(huì)遇到一系列施工難題，諸如巖溶、涌水、涌泥等不良地質(zhì)災(zāi)害突發(fā)事件，均會(huì)對(duì)隧道施工及運(yùn)營(yíng)帶來(lái)安全隱患，嚴(yán)重威脅施工人員及國(guó)家財(cái)產(chǎn)安全。因此長(zhǎng)大深埋隧道的圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)在隧道設(shè)計(jì)、施工中起著至關(guān)重要的作用，針對(duì)該類(lèi)隧道進(jìn)行準(zhǔn)確地質(zhì)宏觀(guān)預(yù)測(cè)是目前工程界亟待解決的研究課題。目前在隧道勘察設(shè)計(jì)階段，長(zhǎng)大深埋隧道的圍巖質(zhì)量主要采用地質(zhì)調(diào)查法、鉆探測(cè)試法、地球物理方法進(jìn)行定綜合性判識(shí)[1-2]，地球物理方法(地震折射波勘探法)，通過(guò)獲取近地表基巖彈性波速度，建立彈性波速度與巖體完整性的關(guān)系，從而推斷隧道的圍巖完整性。但由于地震折射波勘探法基于地下巖石均一分布假設(shè)，且很難獲得實(shí)際洞深處圍巖彈性波速度，當(dāng)?shù)叵麓嬖诙鄬拥貙踊虻叵碌貙釉诖瓜蛏献兓^大的情況下，該方法不能準(zhǔn)確反映隧道洞身附近巖體質(zhì)量，因此該方法局限適用于巖性單一的淺埋隧道。

近年來(lái)高頻大地電磁法在深埋隧道勘察中被廣泛應(yīng)用，該方法通過(guò)觀(guān)測(cè)1 Hz～100 kHz頻帶內(nèi)電磁場(chǎng)信號(hào)，計(jì)算獲得不同深度地下介質(zhì)電阻率，有效獲得地下1 000 m以?xún)?nèi)地下介質(zhì)的電性參數(shù)，通過(guò)分析電阻率等值線(xiàn)的分布形態(tài)，可以有效推斷地質(zhì)構(gòu)造、劃分地層巖性、推測(cè)巖石節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)及其賦水狀態(tài)[3-6]。化希瑞等[7-8]通過(guò)分析巖體電性參數(shù)與完整性相關(guān)關(guān)系，提出了一種新的表征巖體完整性的參數(shù)-巖體完整性系數(shù)Kr，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了利用Kr系數(shù)劃分隧道圍巖級(jí)別的有效性，并與地震折射波勘探法進(jìn)行對(duì)比，表明了Kr系數(shù)對(duì)長(zhǎng)大深埋隧道的圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)的可行性，同時(shí)獲得了更符合實(shí)際的圍巖分級(jí)效果。

1 向莆鐵路深埋隧道概況

戴云山隧道穿越尤溪和永泰兩縣交界的戴云山山脈，為雙洞單線(xiàn)隧道，隧道設(shè)計(jì)范圍：DK422+799～DK438+446，全長(zhǎng)為15 647 m。隧道洞身距離地表最大埋深為638 m。

1.1 地形地貌特征

戴云山隧道穿越區(qū)地形起伏大、植被茂密、進(jìn)出口交通不便，該隧道橫穿戴云山山脈，隧道穿越區(qū)內(nèi)以構(gòu)造剝蝕中低山為主，地形切割厲害，溝深谷幽。覆蓋植被十分茂盛。

1.2 地層巖性特征

戴云山隧道地形起伏大、穿越地層多，巖性十分復(fù)雜，其中沉積巖主要有二疊系下統(tǒng)童子巖組下段和上段(P1t1、P1t3)粉砂巖夾泥巖和煤層，屬于煤系地層，上統(tǒng)翠屏山組(P2cp)巖屑石英砂巖、粉砂巖夾薄層粉砂質(zhì)泥巖，侏羅系上統(tǒng)長(zhǎng)林組(J3c)以砂巖、含礫砂巖為主，夾粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，南園組第二段(J3n2)和第三段(J3n3)火山巖及火山碎屑巖；變質(zhì)巖主要為震旦系稻香組上段(Zdx2)變質(zhì)粉砂巖、千枚巖，局部夾大理巖；洞身局部地段有侵入巖分布，規(guī)模較大的主要有早白堊世上坂巖體(K1K)、早白堊世龍塔巖體(K1L)花崗巖，除此之外，還有少量晚侏羅世(潛)流紋斑巖脈(λJ3)零星分布。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造特征

根據(jù)前期區(qū)域地質(zhì)資料，該隧道處于閩東火山斷坳帶中的福安-平和北東向火山噴發(fā)帶中段。地質(zhì)單元從中元古代至今，經(jīng)多期次的構(gòu)造變動(dòng)、巖漿活動(dòng)及變質(zhì)作用，形成了北東、北西及南北向?yàn)橹鞯幕緲?gòu)造格局。測(cè)區(qū)內(nèi)主要斷裂構(gòu)造分布方向?yàn)楸睎|、北北東、北西，少數(shù)近南北向分布。隧道洞身共穿過(guò)17條斷裂構(gòu)造、8處巖性接觸帶、3條節(jié)理密集帶、1處背斜，部分?jǐn)鄬有〗嵌扰c隧道斜交，對(duì)隧道施工造成較大的影響。

1.4 水文地質(zhì)條件

戴云山隧道地表水系屬于閩江流域。該流域水系縱坡降大，水流湍急，排水通暢。河流量受季節(jié)性氣候影響明顯，旱季河流量小，雨季流量明顯增大。地下水類(lèi)型主要包括巖層間裂隙水、孔隙水、構(gòu)造裂隙水等，補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣自然降水。地下水補(bǔ)給強(qiáng)度受降水強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、匯水面積和地表節(jié)理裂隙的發(fā)育程度共同控制。由于隧道所處地區(qū)高山峻嶺，山坡和沖溝坡度均較陡，多處可見(jiàn)巖石出露地表，地表的殘坡積層較薄，不利于大氣降水的滲入補(bǔ)給。

2 基于電性參數(shù)劃分深埋隧道圍巖級(jí)別的理論基礎(chǔ)

如圖1所示，假設(shè)實(shí)際巖體是由完整巖石和軟弱巖石交錯(cuò)相疊加膠結(jié)而成的六面體，其中完整巖石的電阻率為ρr，厚度為Δh1；軟弱夾層的電阻率為ρw，厚度為Δh2。

圖1 層狀巖體模型Fig.1 Layered rock mass model

設(shè)六面體巖體的底面積為1 m2，高度為H。垂直巖體層理方向的電阻率設(shè)為ρn，沿層理方向的電阻率設(shè)為ρt，實(shí)測(cè)的視電阻率則為巖體的平均電阻率ρmass，ρr為完整水飽和巖樣的電阻率，ρw是完整水飽和巖樣受壓至破壞后的巖石電阻率，計(jì)算公式為式(1)[7]。

(1)

由式(1)可以推導(dǎo)出式(2)。

(2)

根據(jù)式(2)可以推導(dǎo)出式(3)。

(3)

于是有：

(4)

根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]，計(jì)算完整巖石在單位巖體中所占的比例可以用巖體完整性系數(shù)Kr來(lái)表達(dá)：

(5)

由式(4)和(5)可以推導(dǎo)出巖體完整性系數(shù)Kr與各電阻率之間的關(guān)系式：

(6)

其中:ρmass可以通過(guò)電阻率測(cè)井或地面電法勘探獲取，通過(guò)在地表進(jìn)行高頻大地電磁法觀(guān)測(cè)獲??；ρr、ρw可以通過(guò)室內(nèi)巖樣電阻率測(cè)試獲取。根據(jù)式(6)可知，Kr值越大表示巖體越完整。

在實(shí)際隧道工程項(xiàng)目實(shí)施中，為了對(duì)圍巖進(jìn)行分級(jí)，首先針對(duì)實(shí)測(cè)高頻大地電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理(噪聲壓制、時(shí)間序列篩選、有效頻率抽取、靜態(tài)校正、地形校正、數(shù)據(jù)反演)，得到視電阻率和阻抗相位，然后結(jié)合實(shí)測(cè)地表電阻率或測(cè)井電阻率等輔助資料計(jì)算相位遞推電阻率[9]，相位遞推視電阻率ρφ公式為式(7)。

(7)

其中:i=1、2、3、…、n；fi+1

圖2 應(yīng)用高頻大地電磁法進(jìn)行隧道圍巖 完整性分級(jí)流程圖Fig.2 The flow chart of the rockmass classification with high frequency magnetotelluric method

由于巖體完整系系數(shù)(Kr)只是評(píng)價(jià)巖體完整性的單一指標(biāo)，直接采用其劃分隧道圍巖級(jí)別是不完善的，圍巖分級(jí)的兩個(gè)主要指標(biāo)是圍巖強(qiáng)度(堅(jiān)硬程度)和圍巖完整性，圍巖的軟硬程度還與圍巖的種類(lèi)有關(guān)系。巖體完整系系數(shù)(Kr)與巖體質(zhì)量關(guān)系如表1所示。

表1 巖體完整性系數(shù)(Kr)分級(jí)表Tab.1 The parameters of the rockmass integrality

3 實(shí)例分析

戴云山隧道DK427+000～DK429+000段地形起伏大，最大埋深約500 m，下伏基巖主要為南園組第二段(J3n2)和第三段(J3n3)火山巖及火山碎屑巖，同時(shí)采用高頻大地電磁法和淺層地震折射勘探法進(jìn)行勘察，其中高頻大地電磁法點(diǎn)距為25 m，地震折射勘探點(diǎn)距為5 m。采用電測(cè)深方法獲得淺地表30 m內(nèi)平均電阻率，供電極距(AB/2)的極距為10 m、14 m、20 m、28 m、40 m、55 m、75 m、100 m，點(diǎn)距為100 m。

圖3為戴云山隧道DK427+000～DK429+000段淺地表平均電阻率曲線(xiàn)，將該曲線(xiàn)以25 m間距離散，離散后的電阻率作為相應(yīng)點(diǎn)位處相位遞推電阻率的初值ρφ(fN)，根據(jù)公式(7)可以計(jì)算得到相位遞推電阻率曲線(xiàn)。為了獲得完整巖石電阻率，通過(guò)深孔收集該隧道洞深附近完整巖樣7塊，巖樣巖性為凝灰熔巖，室內(nèi)測(cè)得完整水飽和巖樣的平均電阻率為2 100 Ω·m，完整水飽和巖樣受壓至破壞后的巖石電阻率約260 Ω·m，以巖樣平均電阻率作為完整巖石電阻率，即完整巖石的ρr取2 100 Ω·m，軟弱夾層的ρw取260 Ω·m。

圖4為戴云山隧道DK427+000～DK429+000段高頻大地電磁法相位遞推視電阻率斷面圖，依據(jù)電阻率等值線(xiàn)分布趨勢(shì)推斷主要有兩處斷裂構(gòu)造。根據(jù)圖4顯示DK427+000～DK429+000段圍巖電阻率在300 Ω·m～2 000 Ω·m范圍內(nèi)，結(jié)合地震折射勘探資料顯示該段圍巖彈性波速度在2.5 km/s～4.5 km/s范圍內(nèi)。

圖3 戴云山隧道近地表30 m內(nèi)平均電阻率曲線(xiàn)圖Fig.3 Average resistivity carve of 30 meters near- surface along Dai-Yunshan tannel

圖4 戴云山隧道高頻大地電磁法綜合電阻率斷面圖Fig.4 The profile of high frequency magnetotelluric method at Dai-Yunshan tunnel

根據(jù)高頻大地電磁法觀(guān)測(cè)結(jié)果剖面資料，選取在隧道洞身(圖4中的黑線(xiàn))上下25 m的巖石電阻率值作為平均電阻率 (圖4中紅框范圍，圖中“+”表示有效數(shù)據(jù)點(diǎn))。最后，根據(jù)式(6)計(jì)算出巖體完整性系數(shù)Kr，按照表1對(duì)圍巖進(jìn)行級(jí)別劃分，劃分結(jié)果如表2所示。

由表2分析可知，依據(jù)地震折射波勘探資料該段在DK427+675～+775、DK427+950～Dk428+075段地震波速小于2.8 km/s，推測(cè)為斷裂破碎帶，實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中，DK427+675～+775段無(wú)明顯斷裂構(gòu)造跡象，但節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體呈較破碎狀態(tài)，基于高頻大地電磁法的Kr系數(shù)的分級(jí)結(jié)果為IV級(jí)圍巖，與實(shí)際情況基本相符。DK427+950～Dk428+075段破碎帶寬約120 m，縱波速度分級(jí)與Kr分級(jí)均為V級(jí)，與實(shí)際開(kāi)挖對(duì)應(yīng)良好。DK428+275～+500段實(shí)際開(kāi)挖顯示該段圍巖局部夾薄層泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖。節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水為基巖裂隙水，較富水，彈性波速度圍巖分級(jí)顯示該段整體為II級(jí)圍巖，與實(shí)際情況不符合，表明通過(guò)地震折射方法獲得的縱波速度為近地表基巖速度，不能反映隧道實(shí)際洞深處的圍巖完整情況，特別是在隧道深埋大或地下介質(zhì)具有多層地層的情況下，而高頻大地電磁法則獲取隧道洞深附近實(shí)際電性參數(shù)，因此在深埋段高頻大地電磁法成果進(jìn)行圍巖分級(jí)效果較好。該實(shí)例表明，在隧道深埋大或地下介質(zhì)具有多層地層的情況下，相對(duì)于彈性波圍巖分級(jí)結(jié)果，基于高頻大地電磁法的Kr系數(shù)分級(jí)結(jié)果與施工圍巖級(jí)別吻合度較高，更接近于實(shí)際情況。

4 結(jié)論

綜合分析戴云山隧道前期勘探資料和后期開(kāi)挖資料，對(duì)比該隧道巖體電性參數(shù)Kr、彈性波速度圍巖分級(jí)結(jié)果與施工圍巖分級(jí)，可得出如下結(jié)論：

1)在隧道深埋段(埋深大于100 m)，電性參數(shù)圍巖分級(jí)要優(yōu)于彈性波圍巖分級(jí)結(jié)果，主原因在于彈性波速度主要通過(guò)地震折射方法獲得的近地表基巖面速度，該速度不能等價(jià)為實(shí)際洞深處的圍巖速度，因此埋深越大，誤差也可能越大，特別是地下介質(zhì)具有多層地層情況下，不能反映實(shí)際隧道洞身附近巖體質(zhì)量(如DK428+125-DK428+500段)。而高頻大地電磁法可獲得與實(shí)際電性參數(shù)符合較好的隧道洞深標(biāo)高附近電性參數(shù)，因此能較真實(shí)地反映宏觀(guān)巖體完整性。

表2 戴云山隧道大地電磁分級(jí)結(jié)果與施工圍巖級(jí)別對(duì)比表Tab.2 Comparison of the rockmass classification results with two kinds of approaches

2)計(jì)算巖體完整性系數(shù)Kr的參數(shù)均為實(shí)際隧道洞深附近巖體電性參數(shù)，該指標(biāo)盡管是通過(guò)一個(gè)宏觀(guān)的間接性公式得到, 雖然不能與巖石強(qiáng)度直接相關(guān), 但能夠宏觀(guān)反映巖體的完整程度, 可作為對(duì)隧道圍巖分級(jí)的輔助方法。

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