曹俊秀，鄭 貝

（中鐵四局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院，安徽合肥230023）

隨著山區(qū)路網(wǎng)的跨越式發(fā)展，越嶺隧道勘探的難度日益增大，一些適用于淺埋隧道的探測方法和技術(shù)難以適應(yīng)深埋長大隧道的勘察。因獅子山隧道洞身段范圍內(nèi)巖體種類多、風(fēng)化不均，并伴有斷層構(gòu)造，使得深部地質(zhì)情況具有不可預(yù)見性、多變性和模糊性等特點(diǎn)，增加了隧道勘察難度。所以，尋求準(zhǔn)確、快速、有效的勘察手段，查明隧道洞身段范圍內(nèi)的巖石破碎帶、斷層、富水帶，對隧道洞身段進(jìn)行合理的圍巖分級成為了勘察重點(diǎn)[1-2]。

EH4法是近年來發(fā)展較為快速的一種地質(zhì)勘探方法，具有效率高、不受地形限制、操作簡單等特點(diǎn)。它憑借儀器觀測地球電場、磁場的變化，查明地下地質(zhì)的電阻率異常，而非直接測量研究巖石強(qiáng)度、完整性和地質(zhì)構(gòu)造，降低了勘察工作量[5-6]。

本文闡述了EH4法在韶關(guān)至新豐高速公路獅子山隧道勘察工作中圍巖分級的應(yīng)用，利用不同地質(zhì)體電阻率值差異的特點(diǎn)，查明了獅子山隧道洞身段斷層破碎帶、巖石破碎帶及富水帶分布，結(jié)合地層巖性和區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造對獅子山隧道洞身段進(jìn)行了合理的圍巖分級。利用鉆孔驗(yàn)證計(jì)算，說明了EH4法在深大隧道勘察中的可行性，并在韶新高速其他隧道中得到了推廣應(yīng)用。

1 隧址區(qū)地形地貌及地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

項(xiàng)目地處粵北山字型構(gòu)造東翼前弧，為構(gòu)造剝蝕低山丘陵地貌。地形起伏較大，山高溝深。山坡陡緩相間，山頂成駝峰、馬鞍狀地形，植被發(fā)育，隧道附近最高標(biāo)高約491.60m，最低點(diǎn)為隧道出口側(cè)的河谷底，標(biāo)高約114m，相對高差約378m。

獅子山隧道位于韶關(guān)市翁源縣翁城鎮(zhèn)和官渡鎮(zhèn)交界處。隧道進(jìn)口位于翁城鎮(zhèn)星光村，出口位于官渡鎮(zhèn)官渡村。隧址起止樁號：右線K18+840～K21+687，左線ZK18+838～ZK21+662。全長2847m，最大埋深約281m。

1.2 地質(zhì)概況

隧址區(qū)路經(jīng)滃江復(fù)式向斜。由于受貴東巖體影響，在寶峰山背斜兩側(cè)形成次一級的北西或近于南北向的向斜。隧址距離滃江復(fù)式向斜的中部寶峰山背斜約1.8km。隧址區(qū)距離區(qū)域性大斷層獅子山斷層約500m，為西傾逆斷層，與隧道在出口附近小角度相交。隧道經(jīng)過獅子山斷層次一級的F1、F2、F3斷層。F1斷層隧道在進(jìn)口附近,F2斷層位于洞身段，F(xiàn)3斷層在隧道出口附近。在地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，常見巖層發(fā)生擠壓、扭曲、倒轉(zhuǎn)等皺褶構(gòu)造，產(chǎn)狀多變，說明了隧址區(qū)巖層受多次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動影響，次一級的褶皺等小構(gòu)造較發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。

隧址區(qū)上覆第四系全新統(tǒng)殘坡積粉土粘土層及碎石層（Q4el+dl），厚度0.5～2m，下伏侏羅系下統(tǒng)藍(lán)塘群（J1Ln）頁巖、砂巖及灰?guī)r。由于巖石種類較多、富水性不均，巖層又相互交錯，導(dǎo)致巖石差異風(fēng)化。頁巖強(qiáng)風(fēng)化厚度20～50m，砂巖及灰?guī)r強(qiáng)風(fēng)化厚度2～10m；頁巖中風(fēng)化厚度50～150m，砂巖及灰?guī)r中風(fēng)化厚度20～50m，加上斷層構(gòu)造和巖溶發(fā)育等因素的影響，地質(zhì)條件復(fù)雜，給隧道洞身段圍巖分級帶來了很大的困難。

1.3 地球物理特征

工程物探組自2016年11月20日進(jìn)場開始外業(yè)工作。在外業(yè)工作期間，首先進(jìn)行了綜合工程物探方法有效性試驗(yàn)和天然剖面及露頭的參數(shù)測試工作，確定適合該勘察區(qū)段的野外工作裝置及方式參數(shù)，建立適合該勘察區(qū)段各物探方法的數(shù)據(jù)處理方法及物探定量解釋模式，建立了該區(qū)各巖土層與電阻率的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)特征，并借鑒附近青云山隧道物探電阻率二維反演結(jié)果，得出的各介質(zhì)電阻率值表（表1）。

由表1可知，不同完整程度、不同強(qiáng)度的巖體、富水帶、不良地質(zhì)作用及地質(zhì)構(gòu)造帶之間存在一定的電阻率差異，說明了可以利用電阻率分區(qū)進(jìn)行地質(zhì)勘察工作。

表1 隧址區(qū)地質(zhì)體物探參數(shù)表

2 EH4法的工作原理

EH4法是目前國內(nèi)比較先進(jìn)的一種物探方法。它以天然場作為主要場源，輔助以人工磁偶極子產(chǎn)生的高頻電磁場來觀測正交的2個電場分量（Ex、Ey）和2個磁場分量（Hx、Hy）,進(jìn)而求得x、y電場、得到x、y磁場2個方向上的視電阻率和阻抗相位及視電阻率隨著深度變化的ρS-H變化曲線。然后，通過迭代逼近的Born近似法反演，取得勘察點(diǎn)電性結(jié)果。

根據(jù)卡尼亞的定義，視電阻率可以表示為[6]：

此時的E和H，應(yīng)理解為一次場和感應(yīng)場的空間張量疊加后的綜合場。在電磁理論中，把電磁場（E、H）在大地傳播時，其振幅衰減到初始值時的深度，定義為鄒膚深度δ。

由上式可知，趨膚深度（δ）將隨電阻率（ρ）和頻率（f）變化，測量是在和地下研究深度相對應(yīng)的頻帶上進(jìn)行的。一般來說，頻率較高的數(shù)據(jù)反映淺部的電性特征，頻率較低的數(shù)據(jù)反映較深的地層特征。因此，在一個寬頻帶上觀測電場和磁場信息，并由此計(jì)算出視電阻率和相位值,可確定出大地的地電特征和地下構(gòu)造。這就是EH4觀測系統(tǒng)基本原理。

3 物探成果解譯及圍巖分級

3.1 物探成果解譯

根據(jù)各巖土層與電阻率的對應(yīng)關(guān)系，電阻率反演斷面圖中的電阻率值大小、電阻率值變化梯度值和電阻率低阻異常圖形狀等不同的特點(diǎn)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)調(diào)查等資料，確定物探成果圖解譯原則如下：

（1）電阻率呈等值線梯度變化解譯為巖體正常風(fēng)化，不同的等值線密度解譯為巖性差異，等值線梯度最大變化位置判譯為巖層界線。

（2）電阻率呈條帶狀或珠串狀低阻異常，并往深處延伸，可判譯為斷層破碎帶。

（3）根據(jù)電性差異和區(qū)域巖石的力學(xué)特征，把電阻率反演斷面圖做如下分區(qū)：把電阻率小于60Ω·m的區(qū)域部分劃分為物探Ⅵ類異常，對應(yīng)極破碎、極軟弱帶和富水帶；把電阻率值為60～150Ω·m的區(qū)域部分劃分為物探Ⅴ類異常，對應(yīng)破碎、軟弱帶和弱富水帶；把電阻率值為150～350Ω·m的區(qū)域部分劃分為物探Ⅳ類異常，對應(yīng)較破碎地質(zhì)帶或斷層破碎帶；把電阻率值為350～2000Ω·m的區(qū)域部分劃分為物探Ⅲ類異常，對應(yīng)較完整、較堅(jiān)硬地質(zhì)帶。

（4）參照隧道圍巖等級分類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查成果，對隧道圍巖級別進(jìn)行宏觀劃分：把斷層構(gòu)造帶和Ⅴ類異常區(qū)域劃分為Ⅴ級圍巖；把皺褶構(gòu)造擠壓帶和地質(zhì)Ⅳ類異常區(qū)域劃分為Ⅳ級圍巖；把地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)、無不良地質(zhì)帶和Ⅲ類異常區(qū)域劃分為Ⅲ級圍巖[3-4,6]。獅子山隧道洞身段EH4法電阻率反演斷面圖見圖1。

3.2 物探成果圍巖分級

隧道洞身所在位置地質(zhì)條件復(fù)雜，各級異常均有表現(xiàn)。隧道電性特征總體上表現(xiàn)為兩級分化。中—微風(fēng)化完整頁巖電阻率值高，強(qiáng)風(fēng)化砂巖、頁巖、富水帶、破碎帶電阻率值明顯偏低，巖性界面明顯。

（1）K19+450～K19+660洞身附近地表出露為頁巖夾粉砂巖，電阻率等值線圖呈低阻不規(guī)則片狀和團(tuán)狀分布，電阻率值140～250Ω·m，推測巖體差異風(fēng)化較為嚴(yán)重，巖石接觸帶富水，巖石較破碎，隧道洞身位于Ⅳ級圍巖區(qū)。

（2）K20+000～K19+220洞身附近地表出露為頁巖，電阻率等值線圖呈低阻珠串狀、帶狀分布，電阻率值0～180Ω·m，中間有小部分片狀和團(tuán)狀分布，往深部延伸，兩側(cè)等值線梯度變化較大，推測為斷層破碎帶及影響帶。

（3）K20+000～K19+220洞身附近地表出露為頁巖夾粉砂巖，電阻率值450～800Ω·m，電阻率等值線圖呈等值線形態(tài)，梯度變化不大，物探推測巖性較完整。

（4）K20+700～K20+800洞身附近地表出露為頁巖夾粉砂巖，電阻率值150～350Ω·m，電阻率等值線圖呈低阻帶狀分布，有少量高低阻穿插，左側(cè)等值線從左往右畸變，梯度變化大；但右側(cè)等值線畸變小，梯度變化小，且并未發(fā)現(xiàn)小部分片狀和團(tuán)狀分布，物探推測為巖層接觸帶、富水帶及影響帶。

（5）K20+800～K21+200洞身附近地表出露為灰?guī)r，電阻率值20～140Ω·m，電阻率等值線圖呈低阻片狀分布，范圍較大，且高低阻雜亂穿插，巖體較破碎、軟弱，巖溶發(fā)育。

本次圍巖分級根據(jù)EH4法二維反演斷面圖中電阻率的大小、低阻異常的形態(tài)、梯度變化，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、區(qū)域巖性、地質(zhì)調(diào)查成果等因素綜合分級。獅子山隧道電阻率綜合解釋斷圖見圖2。

4 鉆孔驗(yàn)證

4.1 隧道洞身段聲波測試成果

本次勘察在Z2-獅子山隧道-3、Z2-獅子山隧道-4、Z2-獅子山隧道-5鉆孔進(jìn)行了孔內(nèi)彈性縱波聲波測試，利用實(shí)測巖體波速和新鮮巖塊彈性縱波波速值計(jì)算出巖石完整性指標(biāo)，并確定了巖體的完整性，波速測試成果見表2。

4.2 圍巖分級計(jì)算

根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20-2011），隧道圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)公式如下：

BQ=90+3Rc+250Kv

圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)修正值公式如下：

[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3）

式中：Rc——巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度：中風(fēng)化頁巖、灰?guī)r值取實(shí)測值11.1MPa、27.2MPa；微風(fēng)化砂巖、頁巖值取實(shí)測值31.1 MPa、30.1MPa；

Kv——巖體完整程度定量指標(biāo)，按《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)表3.6.2-4，微風(fēng)化帶取0.83，中風(fēng)化帶取0.69。

中風(fēng)化頁巖計(jì)算值：Q=90+3Rc+250Kv=295.8

微風(fēng)化砂巖計(jì)算值：Q=90+3Rc+250Kv=390.8

中風(fēng)化灰?guī)r計(jì)算值：Q=90+3Rc+250Kv=344.1

微風(fēng)化頁巖計(jì)算值：Q=90+3Rc+250Kv=392.8

根據(jù)按《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)表A.0.2-1，A.0.2-2，A.0.2-3，頁巖、砂巖地區(qū)地下水影響修正系數(shù)K1取0.2，灰?guī)r地區(qū)地下水影響修正系數(shù)K1值取0.3，隧址區(qū)主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)K2值取0.2；隧址區(qū)初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)K3值取0(隧道區(qū)不為高地應(yīng)力區(qū))。

中風(fēng)化頁巖修正值：[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3）=255.8

微風(fēng)化砂巖帶修正值：[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3）=350.8

中風(fēng)化灰?guī)r帶修正值：[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3）=294.1

微風(fēng)化頁巖修正值：[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3）=352.8

計(jì)算結(jié)論：微風(fēng)化頁巖、砂巖帶圍巖等級為Ⅲ級；中風(fēng)化灰?guī)r、頁巖帶圍巖等級為Ⅳ級；巖石破碎帶、巖溶發(fā)育帶、斷層破碎帶為Ⅴ級。隧道圍巖分級見表3。

表2 彈性縱波波速測試成果統(tǒng)計(jì)表

表3 隧道圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)結(jié)果表

4.3 物探成果與鉆孔成果比較

經(jīng)過地質(zhì)調(diào)查及鉆孔驗(yàn)證，獅子山隧道鉆探成果縱斷面圖比較準(zhǔn)確地反映了實(shí)際地質(zhì)情況和圍巖分級結(jié)果。物探宏觀圍巖分級與鉆孔計(jì)算成果見表4。EH4法圍巖分級長度稍大，結(jié)果偏于保守，利于安全，可以作為隧道的設(shè)計(jì)、施工方面的初步依據(jù)。

5 結(jié)論

（1）本文通過對EH4法的成果解譯，利用電阻率在斷層帶、巖石破碎帶、風(fēng)化帶、接觸帶及富水帶等不良地質(zhì)體中呈低阻的特征進(jìn)行圍巖分級；并利用鉆孔驗(yàn)證計(jì)算比較，得出EH4法圍巖分級與利用鉆探成果圍巖分級具有一定的契合性，說明了EH4法在隧道圍巖分級中的可行性。

（2）在復(fù)雜的地質(zhì)條件下，EH4法二維反演圖中高低阻帶相互穿插，或呈片狀、條帶狀、團(tuán)狀等不規(guī)則特征時，按照電阻率背景值進(jìn)行圍巖分級時會把斷層破碎帶高阻區(qū)誤判為高等級圍巖，灰?guī)r低阻地區(qū)誤判為低等級圍巖。這種情況下，EH4法應(yīng)結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)調(diào)查成果綜合判譯。

表4 2種方法圍巖分級比較

（3）在地質(zhì)選線階段和復(fù)雜的山區(qū)，鉆機(jī)不具備進(jìn)場條件時，EH4法作為一種宏觀的勘察手段對隧道圍巖進(jìn)行分級，可以減少鉆孔工作量布置，并可指導(dǎo)隧道安全施工。