龚旭亚 ，涂运中

(1.深圳市勘察测绘院有限公司，广东 深圳 518028； 2.中国地质调查局勘探技术研究所，河北 廊坊 065000)

1 工程地质背景

深圳市位于华南褶皱系中的紫金-惠阳凹褶断束的西南部、五华-深圳大断裂带南西段，高要-惠来东西向构造带中段的南缘地带。由于受到多期复杂的构造运动，形成了以北东向莲花山断裂构造及北西向珠江口三水断裂构造为主，兼有东西向高要-惠来深大断裂构造。近几年随着特区一体化建设推进，新规划干线道路多为“穿山”工程，山岭隧道项目逐渐增多。断裂构造对隧道工程的线位比选、工程投资及建设难度有重大的影响，因此，山岭隧道工程勘察重点应该为针对断层的勘察。

马峦山隧道工程是深圳市坪盐通道的主要工段。该工程位于深圳市东部地区，连接坪山新区与盐田区，单洞总长 15.8 km，属城市道路特长隧道，隧道80%线路段埋深超过100 m，最大埋深达 310 m，是目前国内最长的城市隧道。工程区内地质构造复杂，北东向深圳断裂带、北西向清林径-南澳断裂带、暗山-田头山断裂带以及横岗-盐田断裂带是区内的主导构造。受其影响，勘察区自北向南分布断层共13条，编号F1-F13，二级断层8条，编号分别为f2-1、f2-2、f10-1、f6-1、f8-1、f11-1、f13-1、f13-2，如图1所示。

图1马峦山隧道工程区断层分布图

如上所述，本工程具有“线路长、埋深大、断裂复杂”的特点，在方案阶段，建设单位、设计单位主要关注两个方面的问题：

①断层F13对线位的影响。根据区域资料，F13走向平行于线位，其空间分布对隧道线位稳定至关重要。

②其他断层的空间分布、产状要素，及其对工程区岩体完整性的影响、隧道围岩分级影响以及工程投资影响。

本工程勘察难点主要有：①马峦山山势陡峭，地表勘察作业难度大，勘察人员及设备到位、搬迁极其困难；②勘察区林木茂盛，绿化覆盖严实，对地质测绘造成困难；③隧道埋深大，钻探取心难度大。

2 断层勘察方法的选择

针对本工程重点及勘察难点，笔者提出了由表及里、逐步深入的综合勘察方法，采取了工程地质调绘、物探、岩心钻探及孔内成像技术等勘察技术。其基本思路是首先通过工程地质测绘确定断层的宏观定位，再利用高密度电法等物探方法初步验证断层位置，然后根据物探成果进行钻孔取心定点验证，对岩性、岩体风化程度、断层位置及影响范围进行准确直观判断，然后采用孔内成像、超声波成像测井技术，对断裂产状、规模、性状、岩体结构进行精确测量、验证。最后，综合各种勘察方法的成果，进行互相比对、验证，取长补短，提高勘探质量，查清断层空间分布及对工程的影响。

(1)工程地质测绘

根据现状地形图、航拍图及区域地质图，在道路中心线两侧各 500 m，总宽度 1 000 m的带状范围，测绘目的为查明道路沿线场地的地形、地貌、地层岩性、地质构造、不良地质现象、地表水及地下水等。采用路线穿插，点、线、面结合的方法进行测绘，测绘时尽可能利用天然的和已有的人工露头，追索重要的地质界线。

(2)工程物探

考虑到本隧道埋深较大的特点，物探手段采用了高密度电法和大地电磁法，主要查明断层破碎带位置、产状等。高密度电法兼具电测深法和电剖面法等传统电阻率法的优点，弥补了传统方法测点相对稀少和解释依据单一的不足。根据实测的视电阻率剖面进行计算、处理、分析，便可获得地层中的电阻率分布情况，从而解决相应的工程地质问题。F5电法成果与PY1-SD-10钻探成果比对，如图2所示。

图2 F5电法成果与PY1-SD-10钻探成果比对

大地电磁测深法以天然的电磁波为场源，通过在地表观测相互正交的电磁场分量来获取地下地电构造信息。由于天然场中含有从高频到低频丰富的频率成分，根据电磁波的传播和介质的吸收作用，不同频率成分的电磁波具有不同的穿透深度，因而大地电磁法能达到测深的目的。大地电磁法采用的仪器是由美国EMI公司和Geometrics公司联合研制出的EH4系统。本次勘察主要在隧道埋深超过 150 m的区域纵向布置一条测线，点距为 20 m。

(3)钻探

钻探是综合勘察中对地质测绘推断和物探解释成果正确性最直接的检验手段，也是采集地质、水文地质参数的重要方法，通过钻探取心能准确探明各地层的埋深、厚度及其分布情况以及各地层岩性特征。本隧道埋深主要在 100.0 m～300.0 m之间，为了提高岩心采取率，勘察采用了XY-3型绳索取芯工程钻机进行钻探。

(4)光学孔内成像法

光学孔内成像法具有结果直观、真实的特点，不但可以直接读出断裂产状要素，还可肉眼直观观察原状断裂特征，但由于其采用光学成像技术，要求孔内无水或孔内水清澈，所以要求钻探完成后进行充分洗井工作，确保孔内水质能见度高或者无水，测试深度有限(一般小于 200 m)。本项目中使用的TS-C0601型光学钻孔内成像分析仪，能够对钻孔进行全孔壁成像，孔内录像，关键部位抓拍图片，从成像平面图上量测地层或各种构造的厚度、宽度、走向、倾向和倾角，观测断层裂隙产状及发育情况。TS-C0601孔内成像仪现场测试及孔内影像俯视图如图3所示。

图3 TS-C0601孔内成像仪现场测试及孔内影像俯视图

(5)超声波成像技术

声学井下成像是提供井壁质量图像的设备。本项目中采用英国RG公司的井中声学成像系统HRAT，应用范围包括裂隙识别和定向、地层学研究、局部应力场研究、岩心定向。探头应用固定的声波发生器和旋转声波发射镜并以聚焦的超声射线对井壁进行扫描。从井壁发射回来的声波信号振幅和反射时间被同时记录下来。裂隙等特征会降低反射幅度并在测井结果中显示为暗色的正弦轨迹。旅行时测井相当于高精度的一臂井径测井，并可显示开放裂隙和破裂内的直径变化。超声波成像测井系统及现场测试如图4所示。

超声波井下成像技术的特点是必须要有介质，但不受浑浊水的限制，最大优势为测试深度不受限制，有效弥补了光学孔内成像法的不足。

图4 超声波成像测井系统及现场测试

3 综合勘察方法的应用实例

以断层F13及其伴生断层f13-1和f13-2的勘察为例进行说明。

(1)工程地质测绘方面，对断层F13分布范围(影响区段)内进行了地表地质调绘，分别在盐田采石场及盐三路与隧道位置山沟找到了F13断层地表露头及F13伴生的二级小断裂f13-1及f13-2地表露头。f13-1和F13地表露头如图5所示。

图5 f13-1和F13地表露头

工程地质调绘中共统计北东向NE裂隙38条，倾角67°～85°，平均70.9°。通过地质调绘结果发现，断裂F13、f13-1、f13-2走向基本一致，确认f13-1、f13-2属于F13二级小断裂，f13-2与F13产状完全一致。f13-1倾向西北，与F13及f13-2倾向相反。在详勘阶段针对F13布置钻孔PY2-SD-21、43、45对其空间状态进一步验证，结论与初勘一致。节理裂隙走向玫瑰花图及节理裂隙极点图如图6所示。

图6 节理裂隙走向玫瑰花图及节理裂隙极点图(共78组数据)

(2)在物探方面，根据F13在原区域地质资料显示位置，布置了8条与隧道轴线垂直的高密度电法测线，如图7所示。从高密度电法测线视电阻率成像图分析，F13断层在DH1～DH6测线上都有较明显反映，但在DH7、DH8测线上则没反映或不明显，推测F13断层在DH5～DH6之间尖灭，如图8、图9所示。

图9 DH4高密度电法F13成像图

(3)钻探根据F13物探成果，针对性布置了三个钻孔(PY1-SD-29、30、31)进行验证，采取的岩芯分别如图10～12所示。

图10 PY1-SD-29岩芯揭示F13破碎带

图11 PY1-SD-30岩芯揭示F13破碎带

图12 PY1-SD-31岩芯揭示F13破碎带

根据钻探取芯结果可知，断层位置附近岩层主要是碎裂岩和糜棱岩。其中，碎裂岩为灰白、灰绿色，局部褐黄色，受断裂构造影响岩石裂隙极发育，强烈破碎，呈角砾状，见有硅化、绿泥石化现象，局部可见石英岩脉、少量断层泥，强度相当于中等风化岩。糜棱岩为灰绿、褐红色、褐黄色，受断裂构造影响，构造裂隙发育，岩心呈糜棱岩化砂状，局部岩心表现为断层泥，强度相当于强风化岩，局部夹中等风化岩块。钻探取心结果直接验证了断层构造的存在。

(4)孔内成像。为了进一步验证F13产状，在PY1-SD-31进行孔内电视成像，并根据采集到的断层破碎带构造裂隙对F13断层产状进行查证，见图13断层孔内电视成像岩芯3D柱状图和图14孔内电视成像岩芯展开描述图。

图13 断层孔内电视成像岩芯3D柱状图

图14 PY1-SD-31孔内电视成像岩芯展开描述图

由于钻孔PY1-SD-31位置距离F11约 54 m、F13约30 m，所以该钻孔构造裂隙产状同时体现了北西向断层F11及北东向F13特征。由于F11对隧洞工程影响小，所以仅对北东向构造裂隙与F13产状进行统计对比，如表1所示：

PY1-SD-31破碎带构造裂隙与F13产状对比 表1

从表1可看出，钻孔PY1-SD-31断裂带采集北东向裂隙产状与高密度电法得出的F13断层产状一致。

综合工程地质测绘、物探、钻探取心和孔内成像观测的结果可知，F13位于隧洞西侧YK8+640～YK10+485段，与隧洞走向平行，平面距隧洞最小距离约 138 m～223 m，走向NE，倾向及倾角131°∠70°，延伸长度 1.85 km，发育于花岗岩体内，表现为碎裂岩，断裂带同向节理密集发育，地形为沟谷。f13-1、f13-2根据其产状特征、空间位置判断，隶属于F13伴生小断层，其规模、影响范围均小于F13，地质成因、形成时间与F13一致。f13-1位于隧道左线ZK10+220-ZK10+370段平行并紧贴隧道轮廓线，走向NE，倾向及倾角300°∠75°，地表露头长约75 m，宽度约 0.5 m～1.0 m，断层表现为碎裂岩。f13-2与隧道走向平行，平面距隧洞最小距离约100 m～162 m，地质调绘地表露头断裂，走向NE，倾向及倾角130°∠69°，地表露头长约 50 m，宽度约 1.5 m～2.5 m，断层表现为碎裂岩，地形为沟谷。

4 断层对隧道工程的影响评价

对工程区断层采用类似方法进行了综合勘察，结合物探、钻探等成果，根据断层产状、分布位置及与隧洞轴线平面关系，根据勘察结论，断层对马峦山隧道工程的影响分析评价如下：

(1)断裂走向与隧道线位不相交、不平行(不在隧道工程范围内)

F1在黄竹坑采石场西侧通过，与坪盐通道在K2+372(桥梁段)附近相交，走向北东，倾向北西，与隧洞不相交，距离隧道最近距离在 385 m以上，对隧道工程无影响。

(2)断裂走向与隧道轴线成大角度相交

勘察区断层F2～F12、伴生断层f2-1、f2-2、f6-1、f8-1、f10-1、f11-1共计17条断裂均属此类情况，其与隧道线位夹角及倾角如表2所示。

断层倾角与隧道轴线夹角统计 表2

从表2可看出，上述断裂结构面与隧道轴线夹角平均值大于60°，断层倾角70°左右，断层与拟建隧道关系具有“夹角大”、同时断层断裂面具有“倾角陡”的特点。对隧道工程而言，断裂带与隧道轴线夹角越大、断层倾角越大，则在空间上(水平、垂直)断裂带对隧道工程围岩影响范围越小。上述断裂对隧道线位平面影响范围较小，但对断裂与隧洞交叉段隧道围岩级别影响大，结合其他试验成果，建议断裂带隧道围岩内按Ⅳ～Ⅴ级围岩考虑。

(3)断裂走向与隧道轴线平行或成小角度

断裂F13、f13-1、f13-2走向与隧道轴线接近平行。其中，F13倾向及倾角131°∠70°，延伸长度 1.85 km。f13-1倾向及倾角300°∠75°，地表露头长约 100 m。f13-2与隧道走向平行，平面距隧洞最小距离约 100 m～162 m，倾向及倾角130°∠69°。F13主断裂带(包括伴生小断裂f13-2)从隧道结构下(路面标高下大于 100 m)穿过，即对隧道线位稳定影响较小。伴生小断裂f13-1对该区段隧洞围岩级别影响较大，该段隧道围岩级别应适当降低。

5 结论与建议

(1)本次马峦山隧道工程断层的勘察，综合运用了地质调绘、工程物探、钻探及孔内成像技术，查清了与线路相关21条断层空间分布情况，分析了其对拟建隧道工程的影响。通过勘察成果得出了“F13位于隧洞西侧延伸长度 1.85 km，平面距隧洞最小距离约 138 m～223 m，走向NE，倾向及倾角131°∠70°，从隧道结构下(路面标高下大于 100 m)穿过”的勘察结论，取得了很好的效果。

(2)针对实际工程地质条件，合理选用各种勘探手段和方法，并把各种手段方法有机地结合起来，对所取得的各项资料进行综合分析，互相补充，互相验证，提高勘察质量和效率。应用物探成果进行地质分析来确定钻孔位置，提出对钻探的技术要求，再通过钻探成果进行物探资料的再解释，提高物探质量。最后通过孔内成像技术在钻孔内对断层产状进行最后定测，这种针对断层的勘察技术“地质调绘→工程物探→钻探→孔内成像”，在同类工程勘察中有较高推广应用意义。