隧道工程多種勘察技術(shù)方法研究論文
【摘要】目的是對隧道穿越段進(jìn)行巖土工程勘察，查明工作區范圍地層巖性、巖層產(chǎn)狀、構造及不良地質(zhì)對隧道通過(guò)的影響程度，為隧道穿越工程初步設計提供所需的相關(guān)工程地質(zhì)依據和工程設計所需的巖土工程參數等。
【關(guān)鍵詞】巖溶；地質(zhì)；隧道；巖土工程
1引言
某管道工程隧道位于山西省某縣境內，穿越段主要出露奧陶系-套碳酸鹽巖，地層穩定，巖性變化較小，巖層具水平層理構造，產(chǎn)狀平緩，巖層傾向多往南東及南西方向傾斜，局部因褶曲呈波狀微起伏，巖溶較發(fā)育，溶蝕形態(tài)主要為溶洞、溶溝、溶蝕裂隙及蜂窩狀溶孔等，一般為半充填，充填物為粉質(zhì)粘土及灰巖碎石、塊石等，巖溶發(fā)育在很大程度上與構造裂隙發(fā)育程度有關(guān)。
2主要任務(wù)及勘察技術(shù)手段
為完成隧道勘察任務(wù)本項目采用了多種勘察技術(shù)手段以探明隧址區工程地質(zhì)情況。
2.1主要任務(wù)
查明隧道通過(guò)地段的地層、巖性和褶皺、斷裂破碎帶、不良與災害地質(zhì)（滑坡、崩塌、泥石流等）、特殊地質(zhì)（如巖溶、采空區等）情況。
2.2巖溶分析
溶洞與構造的初步評價(jià)：
2.2.1巖溶與巖性的關(guān)系
巖石成分、成層條件和組織結構等直接影響巖溶的發(fā)育程度和速度。一般地說(shuō)，質(zhì)純厚的巖層，巖溶發(fā)育強烈，且形態(tài)齊全，規模較大；含泥質(zhì)或其他雜質(zhì)的巖層，巖溶發(fā)育較弱。結晶顆粒粗大的巖石巖溶較為發(fā)育；結晶顆粒細小的巖石，巖溶發(fā)育較弱。隧址區共有七個(gè)地層，根據地表調查巖溶發(fā)育的地層為灰巖、泥質(zhì)灰巖及白云質(zhì)灰巖地層。
2.2.2巖溶與地質(zhì)構造的關(guān)系
溶洞與裂隙的關(guān)系：裂隙的發(fā)育程度和延伸方向通常決定了巖溶的發(fā)育程度和發(fā)展方向。在節理的交叉處和密集帶，巖溶最易發(fā)育，隧道進(jìn)口巖石節理裂隙發(fā)育，巖體較破碎巖溶較發(fā)育，巖芯多見(jiàn)蜂窩狀溶蝕。與斷層的關(guān)系：沿斷裂帶是巖溶顯著(zhù)發(fā)育地段，常分布有漏斗、豎井、落水洞及溶洞、暗河等。往往在正斷層處巖溶較發(fā)育，逆斷層處巖溶發(fā)育較弱。隧址區發(fā)育-斷層，因斷層破碎帶影響，巖溶裂隙發(fā)育，巖芯多為碎塊狀，局部短柱狀。
2.2.3巖溶與地形關(guān)系
地形陡峻、巖石裸露的斜坡上，巖溶多呈溶溝、溶槽、石芽等地表形態(tài)；地形平緩地帶，巖溶多以漏斗、豎井、落水洞、塌陷洼地、溶洞等形態(tài)為主�，F場(chǎng)地表調查可知，在地形陡峻山溝內多見(jiàn)溶溝，有明顯水流痕跡，巖石表面有松散溶蝕風(fēng)化殘留物附著(zhù)于巖體表面。
2.3勘察技術(shù)方法
本次巖土工程勘察采用的主要技術(shù)方法包括：
2.3.1資料收集、分析整理
收集分析區域地質(zhì)普查、區域水文地質(zhì)普查、有關(guān)重大工程的地質(zhì)勘察成果、氣象、水文、地震和地區國民經(jīng)濟發(fā)展規劃等資料，并進(jìn)行整理、分析。
2.3.2地面工程地質(zhì)測繪、鉆探
對隧道通過(guò)地段及其附近地區的地質(zhì)和水文地質(zhì)工程地質(zhì)現象進(jìn)行調查、測繪機鉆探。
2.3.3高頻大地電磁探測、聲波測試
采用高頻大地電磁測深法、選用EH-4型StrataGem電磁儀，主要查明松散層、基巖風(fēng)化層厚度和褶皺、斷層破碎帶、節理、裂隙密集帶等構造、巖體破碎帶深度與厚度，以及礦山采空區的分布深度和高度等。采用單孔法，選用是重慶奔騰數控生產(chǎn)的WSD-2A數字聲波測試儀，在鉆孔內測定巖體彈性縱波和橫波波速，現場(chǎng)測試巖塊彈性縱波和橫波波速，計算巖體的完整性指數。
3勘察手段應用及地質(zhì)解譯
隧址區地貌屬低山丘陵地貌，地形起伏較大，局部為懸崖，地形陡峭，溝谷縱橫，切割深，從大的地貌上看隧址區南高北低，海拔高程790～1047m，相對高差257m。擬建隧道進(jìn)、出洞口位于山腳下溝谷處，地形相對平緩。
3.1鉆探及其成果
經(jīng)鉆探揭露及地表地質(zhì)調查，隧道穿越范圍主要出露奧陶系-套碳酸鹽巖地層，地表基巖露頭發(fā)育，現將場(chǎng)地各地層巖土層特征從上至下分述如下：
3.1.1第四系
�、贇埰路e碎石土：黃褐色，碎石約占60%，母巖成分為灰黑色灰巖，角礫及泥質(zhì)充填，不均勻分布，該層零星分布于溝谷及山坡-帶，主要為懸崖頂部坡積灰巖殘坡積而成。
3.1.2奧陶系中統上馬家溝組
�、谥酗L(fēng)化泥質(zhì)灰巖：灰色，灰黃色，細晶結構，薄-中厚層狀構造，節理裂隙發(fā)育，局部含方解石細脈，偶見(jiàn)溶蝕小孔，巖石一般較完整，局部風(fēng)化破碎，巖石呈水平層理、產(chǎn)狀平緩，夾灰巖及白云質(zhì)灰巖，該層在地表分布于山頂一帶，厚度大于40m。
3.1.3奧陶系中統下馬家溝組
�、壑酗L(fēng)化灰巖：深灰色，薄～中厚層狀構造，細晶結構，巖芯呈短柱及長(cháng)柱狀，少部分巖芯呈碎塊狀，RQD值為極差-較好，層狀裂隙較發(fā)育，局部受構造影響溶蝕發(fā)育，溶蝕空間被灰巖碎屑及泥質(zhì)充填，該地層見(jiàn)于隧道進(jìn)洞口及中部鉆孔。該層在地表分布于山體北東坡及隧道進(jìn)口處山坡、溝谷一帶，厚度約60~80m。④中風(fēng)化白云質(zhì)灰巖：深灰；薄-厚層狀構造，細晶結構，巖芯呈短柱及長(cháng)柱狀，少部分巖芯呈碎塊狀，RQD值極差-差，層狀裂隙較發(fā)育，溶蝕發(fā)育。地質(zhì)鉆探及高頻大地電磁探測在該層內發(fā)現有-巖溶裂隙發(fā)育帶，巖溶發(fā)育帶內溶蝕裂隙發(fā)育，巖芯破碎成碎塊狀，局部短柱狀，巖芯溶蝕現象明顯，塊狀、柱狀巖芯上有較多溶蝕孔洞，半充填或無(wú)充填，巖芯采取率較低，RQD值極差-差。該層見(jiàn)于中部鉆孔號孔。地表直徑2～4cm的溶孔較發(fā)育。該層地表主要分布于山體北東坡-帶，厚度60~100m。⑤中風(fēng)化泥質(zhì)灰巖：灰色、灰黃色，中風(fēng)化薄～中厚層狀構造，細-微晶結構，節理裂隙發(fā)育，該層分布山體北東坡及溝谷一帶，厚度10~20m。
3.2高頻大地電磁測深處理與解釋
EH-4野外采集的時(shí)間序列的'數據進(jìn)行預處理后，在現場(chǎng)進(jìn)行FFT變換，獲得電場(chǎng)和磁場(chǎng)虛實(shí)分量和相位數據，對每一個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行編輯，舍掉畸變的頻點(diǎn)，保留高質(zhì)量的頻點(diǎn)數據。然后進(jìn)行一維BOSTICK反演和地形校正，在一維反演的基礎上，再進(jìn)行帶地形二維反演成像。最后使用surfer軟件繪制電阻率等值線(xiàn)圖。高頻大地電磁測深法勘探以地下介質(zhì)的電性差異為基礎。由于地下巖石成因環(huán)境不同，同時(shí)受構造運動(dòng)的影響，從而在縱向和橫向上產(chǎn)生電阻率的變化；此外巖石的電阻率值還與地層結構、成份、巖石顆粒的大小、密度以及地下水含量等因素有關(guān)。從而可根據反演斷面圖電性特征的分布情況，推斷解釋地下目標體的埋深、形態(tài)及分布規律等。在斷面上，電阻率等值線(xiàn)密集帶或橫向斜率突變帶，說(shuō)明在該處兩側存在不同地質(zhì)體，往往是不同電性地質(zhì)層的分界處或斷裂帶。推斷斷裂時(shí)，低電阻顯示區范圍廣，視電阻率值過(guò)低，很可能為斷裂破碎嚴重區。在資料解釋時(shí)，判別異常區主要是根據電阻率值變化及電阻率等值線(xiàn)的形態(tài)等綜合因素考慮的。根據隧道左線(xiàn)、中線(xiàn)和右線(xiàn)高頻大地電磁測深二維反演，可以看出電阻率異常形態(tài)較為復雜，發(fā)現斷層1條，并且幾乎都位于反演資料上相對應的位置處，說(shuō)明異常沿走向是連續的，而且向深部也有一定程度的延伸。發(fā)現1條巖溶發(fā)育帶，電阻率很低，基本在100Ωm以下，該隧道工程地質(zhì)條件較差。在中部?jì)扔幸幻黠@低阻異常帶，并向深部延伸約350m，電阻率值在50～350Ωm，推斷為一斷層，傾角約60°。在斷層附近，巖溶裂隙較為發(fā)育，施工時(shí)應引起注意。
3.3聲波測井資料解釋成果
3.3.1進(jìn)洞口測井資料解釋
從聲波測井及電阻率測井資料來(lái)看，測井波速背景值在2875～4050m/s之間，電阻率背景值在4370～6050Ωm之間，總體巖石聲波與電阻率變化有-定幅度。在深度5.3～5.9m，聲波測井出現低速值，約為2600m/s左右，電阻率測井出現低阻值，約為3250Ωm，推測為裂隙或溶蝕帶；在深度8.1～10.7m內聲波測井出現低速值，約為2700m/s左右，電阻率測井出現低阻值，約為3870Ωm，推測為裂隙或溶蝕帶；在深度14.0～15.1m內聲波測井出現低速值，約為3320m/s左右，電阻率測井出現低阻值，約為4100Ωm，推測為裂隙或溶蝕帶；在深度18.0m以下內聲波測井及電阻率測井出現值往下的趨勢，聲波速度約為3700m/s左右，電阻率約為5350Ωm，推測為裂隙或溶蝕帶。
3.3.2出洞口測井資料解釋
從聲波測井及電阻率測井曲線(xiàn)圖來(lái)看，測井波速背景值在3250～4200m/s之間，電阻率背景值在5850～6250Ωm之間，總體巖石聲波與電阻率變化不大，巖石較完整。在深度4.4～5.2m，聲波測井出現相對低速值，約為3050m/s左右，電阻率測井出現低阻值，約為4200Ωm，推測為裂隙或溶蝕帶。根據對物探數據分析，結合地質(zhì)調繪、鉆探成果，地面以下物理層大致可分為三層：第一層縱波波速為2125～2378m/s，結合地表調查及鉆探揭露，綜合解釋該層為第四系殘坡積碎石土層；第二層縱波波速為3030～4545m/s，結合已知結果，解釋為中風(fēng)化層，巖性主要灰巖等；第三層縱波波速為3257～4426m/s，結合已知結果，解釋為微風(fēng)化層，巖性主要為灰巖。通過(guò)本次高頻大地電磁探測及聲波測井成果顯示：（1）通過(guò)本次物探勘查，基本查明了指定剖面段地表下450m左右深度范圍內的斷裂構造及風(fēng)化帶（或物性界面）的起伏變化情況，總體結果較可靠。（2）在根據聲波及電阻率測井資料，進(jìn)口區域巖溶裂隙較發(fā)育。（3）通過(guò)高頻大地電磁探測，在中部范圍內有一明顯低阻異常帶，并向深部延伸約350m，電阻率值在50～350Ωm，推斷為-斷層，傾角約60°。另在中部范圍（斷層周?chē)┌l(fā)現1條巖溶發(fā)育帶，電阻率很低，基本在100Ωm以下，受斷層影響，巖溶裂隙較為發(fā)育，該段隧道工程地質(zhì)條件較差。
4結語(yǔ)
由于巖土的特性以及勘察目標的不同，采用的勘探方式也應不相同。尤其巖溶地區地質(zhì)構造復雜采用多種勘察手段方法進(jìn)行綜合勘探，各勘探手段之間可以相互依靠、補充，比單一鉆探和地質(zhì)調查等更為全面和精確、便捷、經(jīng)濟；鉆探雖然使用最為廣泛，但在進(jìn)行巖石勘察時(shí)，應從經(jīng)濟性出發(fā)，避免盲目化和隨意化。
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