隧道工程多种勘察技术方法研究

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【摘要】目的是对隧道穿越段进行岩土工程勘察，查明工作区范围地层岩性、岩层产状、构造及不良地质对隧道通过的影响程度，为隧道穿越工程初步设计提供所需的相关工程地质依据和工程设计所需的岩土工程参数等。

【关键词】岩溶；地质；隧道；岩土工程

1引言

某管道工程隧道位于山西省某县境内，穿越段主要出露奥陶系-套碳酸盐岩，地层稳定，岩性变化较小，岩层具水平层理构造，产状平缓，岩层倾向多往南东及南西方向倾斜，局部因褶曲呈波状微起伏，岩溶较发育，溶蚀形态主要为溶洞、溶沟、溶蚀裂隙及蜂窝状溶孔等，一般为半充填，充填物为粉质粘土及灰岩碎石、块石等，岩溶发育在很大程度上与构造裂隙发育程度有关。

2主要任务及勘察技术手段

为完成隧道勘察任务本项目采用了多种勘察技术手段以探明隧址区工程地质情况。

2.1主要任务

查明隧道通过地段的地层、岩性和褶皱、断裂破碎带、不良与灾害地质（滑坡、崩塌、泥石流等）、特殊地质（如岩溶、采空区等）情况。

2.2岩溶分析

溶洞与构造的初步评价：

2.2.1岩溶与岩性的关系

岩石成分、成层条件和组织结构等直接影响岩溶的发育程度和速度。一般地说，质纯厚的岩层，岩溶发育强烈，且形态齐全，规模较大；含泥质或其他杂质的岩层，岩溶发育较弱。结晶颗粒粗大的岩石岩溶较为发育；结晶颗粒细小的岩石，岩溶发育较弱。隧址区共有七个地层，根据地表调查岩溶发育的地层为灰岩、泥质灰岩及白云质灰岩地层。

2.2.2岩溶与地质构造的关系

溶洞与裂隙的关系：裂隙的发育程度和延伸方向通常决定了岩溶的发育程度和发展方向。在节理的交叉处和密集带，岩溶最易发育，隧道进口岩石节理裂隙发育，岩体较破碎岩溶较发育，岩芯多见蜂窝状溶蚀。与断层的关系：沿断裂带是岩溶显著发育地段，常分布有漏斗、竖井、落水洞及溶洞、暗河等。往往在正断层处岩溶较发育，逆断层处岩溶发育较弱。隧址区发育-断层，因断层破碎带影响，岩溶裂隙发育，岩芯多为碎块状，局部短柱状。

2.2.3岩溶与地形关系

地形陡峻、岩石裸露的斜坡上，岩溶多呈溶沟、溶槽、石芽等地表形态；地形平缓地带，岩溶多以漏斗、竖井、落水洞、塌陷洼地、溶洞等形态为主。现场地表调查可知，在地形陡峻山沟内多见溶沟，有明显水流痕迹，岩石表面有松散溶蚀风化残留物附着于岩体表面。

2.3勘察技术方法

本次岩土工程勘察采用的主要技术方法包括：

2.3.1资料收集、分析整理

收集分析区域地质普查、区域水文地质普查、有关重大工程的地质勘察成果、气象、水文、地震和地区国民经济发展规划等资料，并进行整理、分析。

2.3.2地面工程地质测绘、钻探

对隧道通过地段及其附近地区的地质和水文地质工程地质现象进行调查、测绘机钻探。

2.3.3高频大地电磁探测、声波测试

采用高频大地电磁测深法、选用EH-4型StrataGem电磁仪，主要查明松散层、基岩风化层厚度和褶皱、断层破碎带、节理、裂隙密集带等构造、岩体破碎带深度与厚度，以及矿山采空区的分布深度和高度等。采用单孔法，选用是重庆奔腾数控生产的WSD-2A数字声波测试仪，在钻孔内测定岩体弹性纵波和横波波速，现场测试岩块弹性纵波和横波波速，计算岩体的完整性指数。

3勘察手段应用及地质解译

隧址区地貌属低山丘陵地貌，地形起伏较大，局部为悬崖，地形陡峭，沟谷纵横，切割深，从大的地貌上看隧址区南高北低，海拔高程790～1047m，相对高差257m。拟建隧道进、出洞口位于山脚下沟谷处，地形相对平缓。

3.1钻探及其成果

经钻探揭露及地表地质调查，隧道穿越范围主要出露奥陶系-套碳酸盐岩地层，地表基岩露头发育，现将场地各地层岩土层特征从上至下分述如下：

3.1.1第四系

①残坡积碎石土：黄褐色，碎石约占60%，母岩成分为灰黑色灰岩，角砾及泥质充填，不均匀分布，该层零星分布于沟谷及山坡-带，主要为悬崖顶部坡积灰岩残坡积而成。

3.1.2奥陶系中统上马家沟组

②中风化泥质灰岩：灰色，灰黄色，细晶结构，薄-中厚层状构造，节理裂隙发育，局部含方解石细脉，偶见溶蚀小孔，岩石一般较完整，局部风化破碎，岩石呈水平层理、产状平缓，夹灰岩及白云质灰岩，该层在地表分布于山顶一带，厚度大于40m。

3.1.3奥陶系中统下马家沟组

③中风化灰岩：深灰色，薄～中厚层状构造，细晶结构，岩芯呈短柱及长柱状，少部分岩芯呈碎块状，RQD值为极差-较好，层状裂隙较发育，局部受构造影响溶蚀发育，溶蚀空间被灰岩碎屑及泥质充填，该地层见于隧道进洞口及中部钻孔。该层在地表分布于山体北东坡及隧道进口处山坡、沟谷一带，厚度约60~80m。④中风化白云质灰岩：深灰；薄-厚层状构造，细晶结构，岩芯呈短柱及长柱状，少部分岩芯呈碎块状，RQD值极差-差，层状裂隙较发育，溶蚀发育。地质钻探及高频大地电磁探测在该层内发现有-岩溶裂隙发育带，岩溶发育带内溶蚀裂隙发育，岩芯破碎成碎块状，局部短柱状，岩芯溶蚀现象明显，块状、柱状岩芯上有较多溶蚀孔洞，半充填或无充填，岩芯采取率较低，RQD值极差-差。该层见于中部钻孔号孔。地表直径2～4cm的溶孔较发育。该层地表主要分布于山体北东坡-带，厚度60~100m。⑤中风化泥质灰岩：灰色、灰黄色，中风化薄～中厚层状构造，细-微晶结构，节理裂隙发育，该层分布山体北东坡及沟谷一带，厚度10~20m。

3.2高频大地电磁测深处理与解释

EH-4野外采集的时间序列的数据进行预处理后，在现场进行FFT变换，获得电场和磁场虚实分量和相位数据，对每一个测点进行编辑，舍掉畸变的频点，保留高质量的频点数据。然后进行一维BOSTICK反演和地形校正，在一维反演的基础上，再进行带地形二维反演成像。最后使用surfer软件绘制电阻率等值线图。高频大地电磁测深法勘探以地下介质的电性差异为基础。由于地下岩石成因环境不同，同时受构造运动的影响，从而在纵向和横向上产生电阻率的变化；此外岩石的电阻率值还与地层结构、成份、岩石颗粒的大小、密度以及地下水含量等因素有关。从而可根据反演断面图电性特征的分布情况，推断解释地下目标体的埋深、形态及分布规律等。在断面上，电阻率等值线密集带或横向斜率突变带，说明在该处两侧存在不同地质体，往往是不同电性地质层的分界处或断裂带。推断断裂时，低电阻显示区范围广，视电阻率值过低，很可能为断裂破碎严重区。在资料解释时，判别异常区主要是根据电阻率值变化及电阻率等值线的形态等综合因素考虑的。根据隧道左线、中线和右线高频大地电磁测深二维反演，可以看出电阻率异常形态较为复杂，发现断层1条，并且几乎都位于反演资料上相对应的位置处，说明异常沿走向是连续的，而且向深部也有一定程度的延伸。发现1条岩溶发育带，电阻率很低，基本在100Ω•m以下，该隧道工程地质条件较差。在中部内有一明显低阻异常带，并向深部延伸约350m，电阻率值在50～350Ω•m，推断为一断层，倾角约60°。在断层附近，岩溶裂隙较为发育，施工时应引起注意。

3.3声波测井资料解释成果

3.3.1进洞口测井资料解释

从声波测井及电阻率测井资料来看，测井波速背景值在2875～4050m/s之间，电阻率背景值在4370～6050Ω•m之间，总体岩石声波与电阻率变化有-定幅度。在深度5.3～5.9m，声波测井出现低速值，约为2600m/s左右，电阻率测井出现低阻值，约为3250Ω•m，推测为裂隙或溶蚀带；在深度8.1～10.7m内声波测井出现低速值，约为2700m/s左右，电阻率测井出现低阻值，约为3870Ω•m，推测为裂隙或溶蚀带；在深度14.0～15.1m内声波测井出现低速值，约为3320m/s左右，电阻率测井出现低阻值，约为4100Ω•m，推测为裂隙或溶蚀带；在深度18.0m以下内声波测井及电阻率测井出现值往下的趋势，声波速度约为3700m/s左右，电阻率约为5350Ω•m，推测为裂隙或溶蚀带。

3.3.2出洞口测井资料解释

从声波测井及电阻率测井曲线图来看，测井波速背景值在3250～4200m/s之间，电阻率背景值在5850～6250Ω•m之间，总体岩石声波与电阻率变化不大，岩石较完整。在深度4.4～5.2m，声波测井出现相对低速值，约为3050m/s左右，电阻率测井出现低阻值，约为4200Ω•m，推测为裂隙或溶蚀带。根据对物探数据分析，结合地质调绘、钻探成果，地面以下物理层大致可分为三层：第一层纵波波速为2125～2378m/s，结合地表调查及钻探揭露，综合解释该层为第四系残坡积碎石土层；第二层纵波波速为3030～4545m/s，结合已知结果，解释为中风化层，岩性主要灰岩等；第三层纵波波速为3257～4426m/s，结合已知结果，解释为微风化层，岩性主要为灰岩。通过本次高频大地电磁探测及声波测井成果显示：（1）通过本次物探勘查，基本查明了指定剖面段地表下450m左右深度范围内的断裂构造及风化带（或物性界面）的起伏变化情况，总体结果较可靠。（2）在根据声波及电阻率测井资料，进口区域岩溶裂隙较发育。（3）通过高频大地电磁探测，在中部范围内有一明显低阻异常带，并向深部延伸约350m，电阻率值在50～350Ω•m，推断为-断层，倾角约60°。另在中部范围（断层周围）发现1条岩溶发育带，电阻率很低，基本在100Ω•m以下，受断层影响，岩溶裂隙较为发育，该段隧道工程地质条件较差。

4结语

由于岩土的特性以及勘察目标的不同，采用的勘探方式也应不相同。尤其岩溶地区地质构造复杂采用多种勘察手段方法进行综合勘探，各勘探手段之间可以相互依靠、补充，比单一钻探和地质调查等更为全面和精确、便捷、经济；钻探虽然使用最为广泛，但在进行岩石勘察时，应从经济性出发，避免盲目化和随意化。

作者：梁金武 单位：湖南省轻工纺织设计院