李志華 張 吉

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 概述

在隧道地質(zhì)勘察過程中，經(jīng)常會遇到多種不良地質(zhì)問題，如滑坡、崩塌、巖溶、采空區(qū)等，如不及早查明并采取有效措施，可能會導(dǎo)致施工人員傷亡、工期延誤等嚴(yán)重后果[1]。因此，在隧道勘察設(shè)計(jì)階段，如何采用準(zhǔn)確、有效的探測方法進(jìn)行快速宏觀預(yù)測，一直是該領(lǐng)域中亟待解決的技術(shù)難題[2-3]。以張集線舊堡隧道為例，就“在隧道復(fù)雜地質(zhì)條件下，如何取得理想的勘察效果、合理解譯物探異常、科學(xué)布置鉆孔”等問題進(jìn)行探討，并對施工開挖后涌水、塌方、變形發(fā)生的位置與大地電磁法解譯結(jié)果進(jìn)行對比分析[4]。

2 工程概況

2.1 工程地質(zhì)概況

張集線是京蘭鐵路的重要組成部分，線路東起張家口市，西至集寧市，全長約178 km。其中，舊堡隧道位于萬全縣舊堡鄉(xiāng)與尚義縣土夭村之間，地處洋河斷陷盆地西緣之冀北低中山區(qū)，高程為950～1 550 m。地勢總體西北高，東南低，溝谷切割強(qiáng)烈。隧道進(jìn)口端靠近洗馬林河，出口端靠近東洋河，隧道全長9.585 km，最大埋深為493 m。

測區(qū)主要地層：表層為第四系上更新統(tǒng)坡洪積黃土，局部夾砂礫石，洞身為太古界馬市口組麻粒巖、下白窯組變粒巖，局部為輝綠巖脈及酸性花崗偉晶巖脈侵入。隧道位于陰山東西復(fù)雜構(gòu)造帶南部，構(gòu)造形跡以斷裂為主，褶皺相對較弱，巖漿活動較強(qiáng)烈。其中，北北東向逆沖斷裂(F3)為隧道區(qū)較大斷裂帶，破碎帶寬約300 m，此外還有多條小斷裂發(fā)育。

2.2 物探勘探的目的和要求

為查明隱伏斷層和破碎帶的位置、規(guī)模及展布方向，地下水，基巖起伏形態(tài)等，采用了大地電磁法(EH4)、淺層地震折射法、綜合測井等地球物理勘察方法。

3 綜合物探技術(shù)原理

3.1 天然源(EH4)探測原理

大地電磁法(EH4)是一套輕便、快速、頻率域與時間域相結(jié)合的電磁測量儀器，其原理如下：①對測點(diǎn)電磁場正交分量進(jìn)行觀測，得到相互正交的時域電場分量(Ex、Ey)和磁場分量(Hx、Hy)。②通過傅立葉變換、功率譜計(jì)算，求得地質(zhì)體視電阻率值。③通過處理，得到深度-電阻率的二維等值曲線。其有效勘探深度為2～1 500 m，在1 000 m以內(nèi)具有較高的分辨率，為探測與區(qū)分電阻率差異較小的地質(zhì)體提供了可能[5-7]。

3.2 綜合測井原理及實(shí)例

綜合測井采用儀器觀測鉆孔及井間巖土物性差異所引起的天然或人工物理場變化規(guī)律，以研究孔壁和孔間空間的地質(zhì)構(gòu)造，測定巖土自然狀態(tài)下物理力學(xué)性質(zhì)和水文地質(zhì)參數(shù)。

因深孔鉆探費(fèi)用巨大，其勘探信息就顯得十分珍貴。綜合測井可最大程度地獲取深孔地層的信息，其成果可以提供：①軟弱層、風(fēng)化程度及厚度；②斷裂帶、巖溶位置；③巖層中富水程度、滲水點(diǎn)位置；④巖土體物理力學(xué)參數(shù)等。常用的物探測井方法有：自然電位測井、聲波測井、井溫測井、井斜測井、井中電視(見圖1)、視電阻率測井(見圖2)等[8]。

圖3 大地電磁(EH4)成果

圖1 井中電視顯現(xiàn)鉆孔涌水

圖2 視電阻率測井揭示含水軟弱夾層

其中，圖1為涌水圖像，可明顯觀察到出水的情景。圖2為視電阻率曲線，視電阻率明顯異常區(qū)多為巖體破碎或相對軟弱的基巖夾層，視電阻率成果彌補(bǔ)了鉆探資料的不足，可指導(dǎo)圍巖分級。

綜合測井成果可連續(xù)揭示鉆孔的巖性狀況，彌補(bǔ)和完善巖芯鑒定可能存在的疏漏，可得到鉆探難以獲取的隧道滲、出水空間位置[9-11]，避免了深孔水文試驗(yàn)的局限性，消除了施工隱患。

4 成果解譯和施工驗(yàn)證效果

4.1 區(qū)域大斷層及承壓水

如圖3所示，DK28+675～DK29+650段大地電磁成果中段表現(xiàn)為傾向東產(chǎn)狀近似直立的帶狀低阻異常，鉆探揭示DK29+413處巖芯呈土柱狀(見圖4)，破碎帶垂向厚度達(dá)227.8 m。

圖4 斷層巖芯

圖5 鉆孔承壓水涌出地面

區(qū)域地質(zhì)資料顯示F3為中生代逆沖推覆斷層，規(guī)模較大，麻粒巖巖體破碎，構(gòu)造節(jié)理極發(fā)育，呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)。麻粒巖內(nèi)含有侵入花崗偉晶巖及輝綠巖脈，使得斷層破碎帶成為隔水帶[12]。在小里程一側(cè)的DK28+969.15處有承壓水存在，承壓水高出地表16.5 m(見圖5)，證實(shí)了貧水地區(qū)隔水?dāng)鄬痈浇嬖诔袎旱叵滤?/p>

施工過程中，在靠近斷層大里程一側(cè)進(jìn)口方向K29+389～406段發(fā)生變形塌方事故，以后陸續(xù)發(fā)生6次大規(guī)模突泥突水、溜塌。說明最靠近隔水?dāng)鄬悠扑閹У臄鄬佑绊憥閲鷰r最軟弱部位，隧道施工可使之形成松動區(qū)或塑性區(qū)，塑性區(qū)和地下水相互影響，使得圍巖穩(wěn)定性變差，最終導(dǎo)致變形塌方等事故。

4.2 推覆構(gòu)造及承壓水

DK27+480～DK29+000段，從大里程向小里程方向，上部有一層由高到低呈連續(xù)狀分布的低阻帶，并在小里程一側(cè)(洞身同一低阻層)被明顯的高阻阻斷。高程較高的一側(cè)低阻區(qū)域厚度較大，上部覆蓋層薄；高程較低的一側(cè)低阻區(qū)域厚度變薄，上部覆蓋層較厚，低阻層上部覆蓋層電阻率呈高低阻交錯狀，呈現(xiàn)明顯推覆狀構(gòu)造(見圖6)。另存在連續(xù)狀的低阻層位，推斷為巖性破碎含水，小里程一側(cè)被明顯的高阻阻斷，洞身附近同一低阻層應(yīng)為承壓或含水層。依據(jù)物探確定的鉆孔DK27+858揭示了承壓水的存在，承壓水頭高出地面39.0 m。結(jié)合綜合測井，較準(zhǔn)確地確定了含水層的空間位置。

圖6 推覆構(gòu)造、承壓水、隧道塌方變形和大地電磁成果關(guān)系成果

DK30+700～DK31+800段處于山勢較低處，物探顯示：兩側(cè)的凸?fàn)钬Q向高阻為麻粒巖隔水層，隔水層邊界處呈現(xiàn)電性變化幅度較大的異常，應(yīng)為含水層與完整基巖的反映。中間巖體呈現(xiàn)中低阻，可能為儲水結(jié)構(gòu)，物探確定的鉆孔(DK31+000)揭示了承壓水的存在(見圖7)。

圖7 承壓水成果

5 隧道塌方變形和大地電磁成果規(guī)律

5.1 DK26+600～27+100段

發(fā)生變形或塌方的位置為DK26+765、DK26+803、DK26+855三處(見圖8)，與同一巖層電阻率異常變化反應(yīng)相對應(yīng)，上部有一層高程由高到低呈連續(xù)狀的低阻層位，高程較高的一側(cè)低阻區(qū)域厚度較大，上部覆蓋層較薄；高程較低的一側(cè)低阻區(qū)域厚度變薄，上部覆蓋層較厚；小里程一側(cè)被明顯的高阻阻斷(即電阻率梯度變化較大)，洞身附近同一低阻層變?yōu)槊黠@薄層。該低阻層推斷為巖性破碎并含水。隧道施工方向是從小里程到大里程，恰恰在這個段落發(fā)生變形或塌方，表現(xiàn)為巖體破碎、節(jié)理密集發(fā)育及巖漿巖體侵入。在普遍發(fā)育的具有承壓性的地下水作用下，結(jié)構(gòu)面充填物極易軟化流失，加之隧道開挖，造成應(yīng)力重新分布，圍巖發(fā)生變形，地下水匯集，使圍巖穩(wěn)定性不斷變差，誘發(fā)圍巖變形失穩(wěn)。如果調(diào)整施工方向，地下水將得到有效釋放，其危害可大幅降低。

圖8 隧道塌方變形和大地電磁成果關(guān)系(一)

5.2 DK28+100～+500段

該段發(fā)生變形或塌方的位置為DK28+260、DK28+396.5二處，顯示為同一種電阻率異常反應(yīng)，自小里程到大里程，電阻率變化為從高阻到低阻。而隧道施工方向也是從小里程到大里程，電阻率呈現(xiàn)出數(shù)值梯度變化及斜率變化較大(見圖9)。

圖9 隧道塌方變形和大地電磁成果關(guān)系(二)

圖10 隧道塌方變形和大地電磁成果關(guān)系(三)

5.3 DK33+100～+800段

在DK33+276處，隧道施工方向?yàn)閺拇罄锍痰叫±锍?，相?yīng)電阻率數(shù)值梯度變化較大，在此位置出現(xiàn)了變形或塌方。

DK33+705兩側(cè)低阻范圍豎向上厚度較大。而此處附近低阻厚度明顯變小，在豎向上形成了電阻率梯度變化較大處，相應(yīng)在此位置出現(xiàn)了變形或塌方(見圖10)。

6 結(jié)束語

隧道勘察中，復(fù)雜的地質(zhì)條件給解決工程問題造成了很大的困難，基于舊堡隧道實(shí)例，論證了綜合物探技術(shù)的優(yōu)勢：①可準(zhǔn)確地揭示山勢陡險隧道深部地層與淺部地層的地質(zhì)變化和差異；②可較好地揭示復(fù)雜斷層構(gòu)造、承壓水；③可大幅度縮短勘察周期，科學(xué)地指導(dǎo)鉆孔布置。

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