綜合測(cè)井、地應(yīng)力測(cè)試等在隧道勘察中的應(yīng)用

李 巖

（核工業(yè)華南工程勘察院，福建 龍巖 364000）

1 概述

隧道工程地質(zhì)勘察多采用地質(zhì)調(diào)查、鉆探和物探等手段，對(duì)于特長(zhǎng)深埋隧道為查明巖爆、洞室放射性劑量、溫度等，尚需進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試和綜合測(cè)井等，各種勘察方法的選擇要根據(jù)隧道所處地形、地貌和地質(zhì)條件確定，對(duì)于放射性強(qiáng)度值等離散性較大的參數(shù)需針對(duì)不同地質(zhì)情況綜合分析，以確定是鈾礦化形成還是非鈾礦化異常值，本文以文筆山隧道為工程實(shí)例介紹綜合測(cè)井、地應(yīng)力測(cè)試、物探音頻大地電磁法（AMT)在隧道勘察中的應(yīng)用。

文筆山隧道地處福建中部，為越嶺隧道，長(zhǎng)4675m，最大埋深640m。設(shè)計(jì)為雙向六車道，路面寬度約33.5m，進(jìn)、出口洞門形式為臺(tái)階式、削竹式、端墻式。完成鉆孔2057.2/14，地質(zhì)調(diào)繪2.60km2，隧道埋深較大，沿洞身及軸線二側(cè)高壓線分布，故選擇測(cè)深較大的物探音頻大地電磁法（AMT)，布設(shè)長(zhǎng)度4675m，淺層地震折射法668m/8條；綜合測(cè)井使用上海地學(xué)儀器研究所生產(chǎn)的JHQ-2D/DX綜合數(shù)控測(cè)井系統(tǒng)；地應(yīng)力測(cè)試采用水壓至裂法。

2 自然地理概況

2.1 地形地貌

該隧址范圍內(nèi)屬中低山地貌，地面高程600～1320m，地表為第四系殘積土層覆蓋。隧道進(jìn)、出口處僅有鄉(xiāng)村道路相通附近，交通條件差。

2.2 氣象

測(cè)區(qū)地處沿海腹地山區(qū)，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫19.4℃，年平均降雨量1460～1580mm。

3 地層巖性

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和鉆探揭露，隧址區(qū)地表分布花崗巖類殘積（Qel）砂質(zhì)粘性土，厚約3.0～5.0m，洞身段下伏基巖為侏羅系長(zhǎng)林組（J3c）砂巖、粉砂巖夾泥質(zhì)砂巖、燕山晚期侵入花崗斑巖[γπ53(1)d]、加里東期侵入（γm3）混合花崗巖，其中混合花崗巖為洞身主要巖性，約占55%以上。地層巖性變化較大，地質(zhì)條件極為復(fù)雜。

4 地質(zhì)構(gòu)造及地震

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，隧區(qū)范圍內(nèi)發(fā)育一條F1斷層構(gòu)造，為一正斷層，具張性斷層性質(zhì)，斷層傾向158°，傾角約74°。與線路相交于K222+682處，交角約38°。斷層附近視電阻率呈凹型分布，主要表現(xiàn)為斷層帶內(nèi)巖體破碎，構(gòu)造裂隙水發(fā)育，洞身在斷層通過(guò)地段出現(xiàn)了物探低阻帶。

5 水文地質(zhì)條件

5.1 地表水

隧道范圍內(nèi)的地表水主要為洞身上部沖溝中溪水，受大氣降水補(bǔ)給，雨季降水集中，補(bǔ)給強(qiáng)度大，以地表徑流、下滲補(bǔ)給基巖裂隙水及蒸發(fā)的形式排泄。

5.2 地下水

地下水主要為基巖裂隙水及第四系孔隙潛水，第四系孔隙潛水水量貧乏，地下水主要以基巖裂隙水為主，主要賦存強(qiáng)風(fēng)化及裂隙破碎帶中，較完整中、微風(fēng)化巖地下水弱發(fā)育；隧道洞身大部分處于中、微風(fēng)化混合花崗巖層中；總體來(lái)看，隧區(qū)地下水弱發(fā)育；據(jù)綜合測(cè)井及外業(yè)調(diào)查，在局部不同巖相接觸帶處或局部低阻帶處巖性相對(duì)較為破碎，富水條件較好。

5.3 隧道涌水量估算

采用大氣降水入滲法和地下水動(dòng)力學(xué)法對(duì)隧道涌水量進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)，以往此類計(jì)算均采用鉆孔水文試驗(yàn)獲得的入滲系數(shù)和巖土層滲透系數(shù)，對(duì)特長(zhǎng)隧道鉆孔數(shù)量有限，所取得的參數(shù)僅代表試驗(yàn)鉆孔，其它大部份地段無(wú)參數(shù)，利用綜合物探手段，對(duì)試驗(yàn)鉆孔巖土層進(jìn)行對(duì)比分析，依據(jù)視電阻率和波速細(xì)化出不同巖土層的水文地質(zhì)參數(shù)，使隧道涌水量計(jì)算準(zhǔn)確度大大提高。

5.3.1 降水入滲法

估算公式：

式中：Q——隧道正常涌水量，（m3/d）；

α——降水入滲系數(shù)，本隧道取0.2；

W——年降雨量（mm），三明地區(qū)年平均降雨量為1580mm；

A——地表集水面積，km2，根據(jù)分水嶺取8.15 km2。

采用降水入滲法估算得：平常期期涌水量Q=7100m3/d；最大涌水量為Qmax=10650m3/d。

5.3.2 地下水動(dòng)力學(xué)法（柯斯嘉科夫）

計(jì)算公式：

式中：Q——隧道平常期涌水量，m3/d；

K——含水層滲透系數(shù)，m/d；

H1——靜止水位至隧道洞底之間的垂直距離，m；

H——含水層厚度，m；

R——影響半徑，m；

r——隧洞寬度的一半；

B——隧道通過(guò)含水層長(zhǎng)度，m。

根據(jù)隧道洞身地質(zhì)條件分為15段，各段水文地質(zhì)參數(shù)根據(jù)抽水試驗(yàn)、物探成果和經(jīng)驗(yàn)綜合取值，經(jīng)計(jì)算平水期涌水量Q為21357m3/d，最大涌水量32036m3/d。

綜合上述計(jì)算，建議單洞平常期涌水量取21357m3/d，雨季涌水量建議取值為32036m3/d；若考慮到雙線同時(shí)掘進(jìn)，則單洞涌水量為計(jì)算值的一半，即平常期涌水量建議取值為10678.5m3/d，雨季涌水量建議取值為16018m3/d。

上述隧道涌水量計(jì)算是基于含水巖層為均質(zhì)體及地下水穩(wěn)定流這一概念，但實(shí)際上裂隙含水層并非均質(zhì)體，且隧道可能局部裂隙發(fā)育，施工中時(shí)常會(huì)出現(xiàn)洞內(nèi)局部較大突發(fā)涌水。

6 不良地質(zhì)與特殊巖土

6.1 花崗巖類殘積土與風(fēng)化層

花崗巖類常因節(jié)理發(fā)育、差異風(fēng)化形成球狀風(fēng)化體（或孤石），對(duì)工程有一定影響；其殘積層及風(fēng)化層松散偏砂，在雨水作用下邊坡易發(fā)生溜坍破壞，易產(chǎn)生水土流失等環(huán)境問(wèn)題。

6.2 花崗巖類放射性

隧道選擇洞身深孔進(jìn)行孔內(nèi)放射性測(cè)試，根據(jù)臨近隧道放射性測(cè)試成果，隧址區(qū)花崗巖類地層自然放射性強(qiáng)度為29.8～78γ。根據(jù)《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》(Tb10027-2012)，環(huán)境γ輻射照射對(duì)公眾產(chǎn)生的有效劑量當(dāng)量He，可用下式計(jì)算：He=Dr×K×t；其中實(shí)測(cè)環(huán)境地表γ輻射空氣吸收劑量率Dγ=8.73×10-9Sv∕h，K=0.7Sv/Gy；

（1）工作時(shí)間按每年250工作日，每工作日8h，計(jì)2000h，則年效劑量為:He=8.73×10-9×78×0.7×2000=0.949（mSv）。

（2）工作時(shí)間按每年365工作日，每工作日8h，計(jì)2920h，則年效劑量為:He=8.73×10-9×78×0.7×2920=1.39（mSv）。

（3）工作時(shí)間按每年365工作日，每工作日24h，計(jì)8760h，則年效劑量為:He=8.73×10-9×78×0.7×8760=3.64（mSv）。

根據(jù)《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》(Tb10027-2012)，He<5mSv屬非限制區(qū)。隧道上部58.60～59.60m輻射強(qiáng)度達(dá)325.6γ，超過(guò)背景值10倍以上，該地段巖性為長(zhǎng)石石英砂巖，按層理產(chǎn)狀與隧道相交于洞身K219+970處，據(jù)福建鈾礦成礦規(guī)律，我省已發(fā)現(xiàn)的鈾礦化均在火成巖或侵入巖中，58.60～59.60m為灰白色長(zhǎng)石石英砂巖，主要礦物成份中的長(zhǎng)石也未見(jiàn)紅化等鈾礦化特征，故此判斷，該地段為非鈾礦化異常，本隧道可不做放射性防護(hù)，隧道棄渣一般可按正常情況進(jìn)行堆放即可。

7 工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

7.1 隧道進(jìn)出口工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

隧道進(jìn)口自然斜坡坡度5°～15°，斜坡自然穩(wěn)定性良好。進(jìn)口仰坡體主要由殘積層與全—強(qiáng)風(fēng)化層構(gòu)成，工程性質(zhì)較差，仰坡穩(wěn)定性較差，易溜坍、垮塌。建議加強(qiáng)邊坡支護(hù)措施，并加截排水措施。

隧道出口自然斜坡坡度30°～42°，斜坡自然穩(wěn)定性良好。進(jìn)口仰坡體主要由殘積層與全—強(qiáng)風(fēng)化層構(gòu)成，工程性質(zhì)較差，仰坡穩(wěn)定性較差，易溜坍、垮塌。在雨水作用下表層土體易發(fā)生溜坍破壞。建議加強(qiáng)邊坡支護(hù)措施，并加截排水措施。

7.2 隧道洞身工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

該隧道屬深埋特長(zhǎng)隧道，地質(zhì)條件復(fù)雜，僅靠鉆探難以查明隧道洞身圍巖地質(zhì)情況及隧道施工過(guò)程的地質(zhì)病害，根據(jù)隧道具體情況，沿軸線布設(shè)物探音頻大地電磁法（AMT)測(cè)線一條，并在最大埋深段鉆孔進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試和物探綜合測(cè)井，依據(jù)物探資料，隧道縱斷面視電阻率等值線剖面見(jiàn)圖1。

洞身工程地質(zhì)評(píng)價(jià)：隧道洞身為侵入巖與沉積巖。根據(jù)本隧道埋深大、地層巖性復(fù)雜的特點(diǎn)，選用AMT、物探綜合測(cè)井、地應(yīng)力測(cè)試等綜合勘察手段，對(duì)隧道洞身圍巖級(jí)別進(jìn)行定量計(jì)算，計(jì)算過(guò)程對(duì)參數(shù)的選擇進(jìn)行了詳細(xì)的研究，洞身圍巖的巖石抗壓強(qiáng)度可由試驗(yàn)取得，埋深也比較直觀，但BQ值計(jì)算中K1、K2、K3取值十分復(fù)雜，本文中對(duì)各種物探手段所取得的數(shù)據(jù)綜合分析，給出了類似特長(zhǎng)深埋隧道BQ計(jì)算過(guò)程參數(shù)取值的經(jīng)驗(yàn)。

K1的取值，洞身每段地下水的涌水量在缺少鉆孔的地段，以往僅憑經(jīng)驗(yàn)取值，隧道施工深孔較小且多為非專項(xiàng)水文試驗(yàn)孔，地下水水位、滲透系數(shù)的測(cè)試受工藝及工期影響與實(shí)際誤差較大，據(jù)我院以往長(zhǎng)期放射性測(cè)井成果和國(guó)內(nèi)放射性找水成功經(jīng)驗(yàn)，基巖裂隙水涌水量與放射性氣體含量為正相關(guān)，這是因?yàn)殡笔氢櫟乃プ冏芋w，易溶于水，在地下水豐富的破碎帶富集、運(yùn)移，故在綜合測(cè)井過(guò)程，地下水涌出段表現(xiàn)為伽馬強(qiáng)度較大，本次測(cè)井孔深122.35～245.90mKV值0.15～0.34段放射性強(qiáng)度平均值30.50γ，KV大于0.55段平均值25.00γ。依據(jù)放射性找水經(jīng)驗(yàn)，可推測(cè)KV值較小而放射性γ值大于較完整基巖平均值40%～50%時(shí)，地下水多呈涌流狀出水，KV值大于0.55，放射性γ值近平均值時(shí)為淋雨?duì)畛鏊?，K1值除參考以上所述，還應(yīng)結(jié)合水文地質(zhì)條件綜合確定。

K2的取值對(duì)層理清晰的沉積巖地層較為容易，但對(duì)侵入巖較為復(fù)雜，侵入巖的裂隙產(chǎn)狀變化大，主要的節(jié)理裂隙產(chǎn)狀除了依據(jù)地表工程地質(zhì)調(diào)查，也必須結(jié)合KV和綜合測(cè)井成果進(jìn)行分析，裂隙密集帶產(chǎn)狀均由區(qū)域地質(zhì)作用控制，根據(jù)區(qū)內(nèi)主應(yīng)力方向和地形地貌及AMT、綜合測(cè)井成果分析確定，本隧道統(tǒng)計(jì)出代表性節(jié)理產(chǎn)狀分別為：240°∠73°、90°∠50°、220°∠60°、145°∠90°、325°∠37°，根據(jù)節(jié)理所代表的區(qū)間，K2取值分別為0.20和0.40。

K3取值，利用ZK3鉆孔地應(yīng)力測(cè)試成果見(jiàn)表1，對(duì)最大水平主應(yīng)力SH、最小水平主應(yīng)力Sh進(jìn)行回歸分析，建立基于測(cè)試數(shù)據(jù)的應(yīng)力—深度回歸方程式。在本次回歸分析中，選擇線性回歸作為擬合函數(shù)，由此可得回歸方程式如下：

表1 ZK3鉆孔地應(yīng)力測(cè)試成果

最大水平主應(yīng)力：

最小水平主應(yīng)力：

應(yīng)力—深度回歸分析見(jiàn)圖2。

圖2 應(yīng)力—深度回歸分析圖

根據(jù)上述主應(yīng)力與深度回歸方程可得到文筆山隧道洞身段最大主應(yīng)力分布圖（見(jiàn)圖3）。

圖3 隧道洞身主應(yīng)力分布曲線

巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度取85MPa，因此可得到洞身段巖石強(qiáng)度應(yīng)力比分布圖（見(jiàn)圖4）。

圖4 隧道洞身內(nèi)強(qiáng)度應(yīng)力比分布曲線

經(jīng)計(jì)算，隧道K220+055～K222+315強(qiáng)度應(yīng)力比為4.34～7，屬高應(yīng)力區(qū)，依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）判別，輕微巖爆（Ⅰ級(jí)）。K3取值為0.5，其余段強(qiáng)度應(yīng)力比均大于7，不屬于高應(yīng)力區(qū)，施工中不會(huì)發(fā)生巖爆，K3取零。

7.3 地溫

根據(jù)鉆孔ZK3綜合測(cè)井成果，地溫梯度為1.13℃/100m，屬于正常地溫梯度（不大于3℃/100m）。

根據(jù)以下地溫公式進(jìn)行隧道洞身地溫估算：

計(jì)算公式：

式中：T——H深度處隧道原巖溫度，℃；

H——隧道埋藏深度，m；

h——恒溫層距地面的深度，m；

gr——地溫梯度，℃/100m；

t——恒溫層溫度，℃。

本地區(qū)恒溫層距地面深度取20m，恒溫層溫度取年平均氣溫19.4℃，地溫梯度采用實(shí)測(cè)值1.13℃/100m，計(jì)算可得隧道洞身溫度最高值為26.5℃。根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（J TG F60-2009），隧道內(nèi)溫度不宜高于28℃，隧道洞身地溫滿足規(guī)范要求，不存在地?zé)岬挠绊憽?/p>

7.4 隧道圍巖分級(jí)

依據(jù)以上分析，確定BQ值計(jì)算所需各項(xiàng)參數(shù)據(jù)后，根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20-2011）與《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70-2004），采用定性劃分與定量相結(jié)合的方法對(duì)隧道洞身進(jìn)行圍巖分級(jí)，經(jīng)開挖驗(yàn)證，隧道涌水量、洞身圍巖等級(jí)劃分與計(jì)算成果基本一致，放射性劑量小于He<5mSv，洞身溫度最高值小于26.5℃。

8 結(jié)論

本文通過(guò)以上工程實(shí)例，詳細(xì)論證了地應(yīng)力測(cè)試、綜合測(cè)井及物探音頻大地電磁法（AMT)等在地質(zhì)條件復(fù)雜的特長(zhǎng)深埋隧道工程地質(zhì)勘察過(guò)程中的應(yīng)用，總結(jié)出如下經(jīng)驗(yàn)，供類以工程借鑒：

（1）由于物探資料僅反映巖土層的視電阻率特征且具有多解性，必須結(jié)合鉆孔揭示的巖性和孔內(nèi)抽(注)水試驗(yàn)成果加以比對(duì)分析，找出不同巖土層對(duì)應(yīng)的視電阻率才能準(zhǔn)確繪制隧道縱斷面圖；

（2）特長(zhǎng)深埋隧道不同應(yīng)力等級(jí)埋深深度受巖體飽和抗壓強(qiáng)度參數(shù)影響較大，同時(shí)分布有侵入巖和沉積巖的隧道，巖體較完整的花崗巖類地段應(yīng)力賦存遠(yuǎn)高于同深度粉砂巖夾泥質(zhì)砂巖，其變形破壞模式也有所不同，在隧道施工圖設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以區(qū)別；

（3）物探綜合測(cè)井所取得的洞身溫度、放射性強(qiáng)度應(yīng)結(jié)合場(chǎng)地區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、礦床分布、成礦規(guī)律具體分析，做出正確判斷。

（4）根據(jù)放射性強(qiáng)度變化、巖石破碎程度，可基本判斷隧道主要含水層位置及涌水狀態(tài)。