燕山高风险特长隧道综合勘察技术应用

2015-03-17赵松

铁道勘察 2015年1期

关键词：调绘燕山物探

赵　松

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300143)

The Application Comprehensive Investigations in the Yanshan High-risk and Super Long Tunnel

ZHAO Song

燕山高风险特长隧道综合勘察技术应用

赵松

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300143)

The Application Comprehensive Investigations in the Yanshan High-risk and Super Long Tunnel

ZHAO Song

摘要燕山隧道位于燕山山脉西段，其间发育一处较完整的火山喷发-侵入旋回，导致其地质条件复杂。应用综合勘察技术基本查明了该隧道的工程地质和水文地质情况。针对隧道复杂的地质条件和设计要求，系统阐述各种勘察方法的使用原则、应用范围、工作程序和应用成果。综合勘察结果表明，隧址区整体地质条件较好，局部发育岩性接触带和构造破碎带，需采取风险控制措施。施工揭露与勘察结果基本相符，表明综合勘察应用效果较好。该隧道的实践经验证明，以航测遥感分析判译及区域大面积地质调绘为基础，结合物探测试和钻探验证的综合勘察技术是地质条件复杂的高风险长大隧道勘察工作的关键。

关键词综合勘察燕山隧道遥感综合物探钻探

燕山隧道设计为双洞单线，左线长约21.09 km，右线长约21.11 km，是新建张家口至唐山铁路中最长的越岭隧道，也是张唐线的Ⅰ级风险隧道。该隧道位于燕山山脉西段中低山区及赵川盆地、龙关盆地三大地貌单元中，穿越龙关穹褶束Ⅳ级构造单元的华北地台燕山台褶带北缘西段，区内构造复杂，构造形迹以断裂构造和褶皱构造为主，在隧道西段发育一处较完整的火山喷发-侵入旋回。

隧址区地层主要为太古界斜长角闪岩、角闪斜长片麻岩、黑云斜长变粒岩夹少量浅粒岩、磁铁石英岩，长城系石英砂岩、粉砂岩、白云岩，侏罗系流纹质角砾凝灰岩、流纹质凝灰岩、流纹岩夹粗安岩及安山岩，以及燕山期二长花岗岩、正长斑岩、石英正长斑岩。此外，在进、出口穿过少量第四系土层。隧址区主要地质问题包括隧道突水、围岩失稳、塌方掉块、高地应力和地下水流失等。勘察过程中运用综合勘察技术，采用遥感判释、大面积地质调绘、综合物探、钻探、孔内测试及室内试验等勘察方法，查明了隧址区工程地质和水文地质条件，为设计和施工提供了准确的地质资料。综合勘察工作流程见图1。

图1　综合勘察工作程序

1遥感判释过程及结果

采用多种技术方法对1∶8 000航空照片进行图像处理并解译。搜集既有地质资料，将其与勘察区具有代表性的地质现象进行对照分析，通过对比建立特定地质现象的判释标准。为了进一步研究分析隧址区地形地貌及其岩土特征和地质构造及不良地质等可能对隧道工程产生的影响，对航片进行系统的室内判释和外业核对，最终完成航片判释范围约126.5 km2，并编制出遥感工程解译图等资料，为后序地质调绘奠定了较好的基础。

2地质调绘过程及结果

2.1　工程地质调绘过程及结果

在遥感判释的基础上，结合区域地质资料，通过典型地质剖断面的测绘，查明隧址区地层层序及其主要地质特征。在此基础上，对整个隧址区开展大面积工程地质调绘。

①地层岩性及特殊岩土的特征、分布、时代成因(组、段)及其相互接触关系。

②地质构造和不良地质的产状、性质、规模及其对隧道的影响。

③节理裂隙的发育程度及其特征等。

最终完成两种比例的地质调绘，即，1∶10 000工程地质调绘和1∶2 000带状工程地质调绘，其面积分别为126.5 km2和22 km2。同时，用GPS定位标记1 000多个重要地质点。

根据大面积地质调绘的结果，对该隧道洞身地层岩性和地质构造的分布及特征进行分析推测，查明8条主干断裂以及20多条次级断裂的特征、分布，并预测其对隧道可能的影响。

2.2　水文地质调绘过程及结果

燕山隧道穿过赵川盆地和龙关盆地的地下水系统，两大盆地以象山-轿顶山为分水岭。针对地下水的补给、径流和排泄条件和可能的突水位置及其规模，以分析和预测隧道分段涌水量为目标，进行大面积水文地质调绘。在水文地质调绘的基础上，进行水文地质钻探和试验，并结合物探手段，基本查明隧址区的水文地质条件。对隧址区的水文地质单元及泉域边界进行系统划分，进而对隧道分段涌水量进行预测。在调绘过程中，共发现井、泉11处，并结合地下水赋存、流动特征，分别评价隧道施工对其影响。结合风险评估体系指出该隧道左、右线共30段突水突泥极高风险段落和8段突水突泥高风险段落，并提出合理的工程措施建议。

在热风干燥能耗方面，双层模式平均能耗最低。物料出油率在21.1%～24.6%，其中三层模式中，当毛叶山桐子最终含水量约为8%时，其平均出油率最高达到24.6%，并同时满足安全贮藏含水率的要求。

3综合物探过程及结果

为了降低物探多解性对勘探效果的影响，燕山隧道定测时采用可控源音频大地电磁和高频大地电磁两种方法进行贯通测试，以使两种方法的测试结果相互验证。同时，利用电测深、地震折射、声波测井、物探综合测井和孔内全景式数字摄影等方法作为必要的补充，对关键不良地质点和段落进行多种方法的验证，基本完成对断层、富水段落等不良地质和岩土分界的探测。

3.1　大地电磁测试

沿隧道左线布置测线，测点点距25 m。为了查明异常地质体的走向和范围，在相应地点和段落布置旁测线和横测线，共完成测点880个，检查点50个。通过室内资料整理，绘制出各测线的反演视电阻率剖面图，制作了视电阻率云图，实现了对地质体物性特征的清晰反应。

(1)地层岩性的物性特征

隧道西段(改DK52+990～改DK60+800)视电阻率特征整体偏高，岩性主要为侏罗系安山岩及燕山期二长花岗岩、正长斑岩和石英正长斑岩，表层及进口出现低阻，为第四系地层的反应，该段岩体整体较完整。隧道中段(改DK60+800～改DK71+600)视电阻率特征相对偏低，岩性以太古界片麻岩和花岗片麻岩为主，局部段落断层构造发育，岩体整体较完整，局部较破碎。隧道东段(改DK71+600～改DK74+075)视电阻率特征整体偏高，岩性以太古界片麻岩，长城系粉砂岩、石英砂岩、页岩和白云岩为主，岩体整体较完整，但在改DK71+750～改DK73+100段发育3处断层，岩体破碎，导致该段落视电阻率偏低(如图2)。

(2)断层构造的物性特征

视电阻率等值线多闭合，局部扭曲，疏密不均，多具方向性。当断层与表层第四系地层连通，断层低阻区与表层第四系低阻区也会连通，断层段落闭合等值线现象随之消失。

断层发育段落往往也是明显的低阻异常段落。

(3)地下水的物性特征

地下水一般在断层、岩性接触带及节理裂隙密集带等岩体破碎有储水空间的段落较发育，该段落常常表现为明显的低阻区，并伴以低阻闭合圈。

通过对典型地质体物性和电性特征的总结，在此基础上进行物探解译，在一定程度上抵消了物探测试的多解性，提高了物探解译的准确性。

图2　改DK63+850～改DK65+175大地电磁异常

3.2　综合测井

与地质钻探和地面物探相比，综合测井有着其独特优势，能够取得其他方法无法得到的电性和物性参数，是综合勘察过程中必不可少的物探方法之一。对每一个具备试验条件的深孔设计了综合测井，主要测试内容包括视电阻率测井、声波波速测量、高精度井温测量、井斜测量、自然电位测井及孔内全景式数字摄影等，实现对孔内岩体完整性、节理和地下水发育情况以及构造破碎带的发育程度等的有效揭露。

燕山隧道综合物探共揭露低阻异常36处，通过对其中重要的异常位置进行钻探验证，判定综合物探准确率达到85%以上。多种物探方法的相互验证和典型地质体物性和电性特征的总结，一定程度上抵消了物探测试多解性对物探效果的影响，提高了物探测试的准确率。通过实施综合物探，为隧道工程地质和水文地质以及围岩稳定性评价和风险评估提供了重要依据。

4钻探及试验

4.1　钻探目标和结果

综合遥感判释、详细地质调绘和综合物探的勘探成果，找出重要地质点和异常段落，并对其进行钻探验证。钻探目标如下：

①对地层岩性进行分类定名，对岩体进行完整性评价，对隧道围岩进行地质分级。②探明岩性接触带、断层和岩溶等不良地质体的分布及其性质。③给出地下水水位及富水段落的分布，确定岩石渗透系数等参数，预测涌水量，评价突水突泥的发生概率。④验证重大的物探异常的性质及其分布特征。⑤进行孔内水文地质试验、物探综合测井和地应力量测等综合试验。

隧道钻探进场困难，钻探难度大，为了提高钻探的有效性和利用率，对深孔钻探进行了认真研究和精心策划，制定了“一孔多用，统筹兼顾，重点突出”的钻探原则。针对该隧道的地质特征，在地质调绘和物探测试的基础上，分别布置目的明确的钻探任务，其中，围岩分级控制孔7孔，岩性接触带等不良地质体探测孔3孔，断层构造带探测孔4孔，物探异常验证孔3孔，最终完成正线钻探17孔3 257.41 m。

4.2　试验设计和试验内容

在物探综合测井的基础上，根据钻孔的设计目的，设计了以下测试及试验。

(1)岩土物理力学试验：共取原状土样63组，岩样94组，扰动土样4组，设计了密度、强度、吸水率、耐冻系数等物理力学试验。

(2)水文地质试验：根据隧址区水系特征和水文地质条件，在7个钻孔内进行了水文地质试验。为了确定测试地层的渗透系数以及隧道涌水量，根据每个钻孔钻探揭露的水量大小和水位埋深，分别设计压水、提水和注水试验。同时，提取相应地下水水样，进行侵蚀性分析。

(3)地应力测试：为了评价硬质岩岩爆的可能性，选择隧道深埋段落的3个钻孔进行地应力测试。

(4)重要水文点长期观测：通过观测水位和水量的变化，分析隧道施工对区域地下水水系和环境水文地质条件的影响。

5结论

燕山隧道隧址区山势陡峻，地形复杂，综合勘察地质工作克服艰难险阻，工作时间近1年，基本查明了隧址区地层岩性、构造破碎带及突水突泥等重大地质问题的特征。在深入分析研究的基础上，完成了围岩分级和分段涌水量预测，编制了勘察报告，并对该隧道相关地质灾害进行风险评估，确定该隧道为Ⅰ级风险隧道，同时制定了相应的风险控制措施。

燕山隧道综合勘察过程中，坚持遥感判释和地质调绘先行，充分发挥其在区域地质研究和地质选线中的宏观指导作用，在此基础上安排布置综合物探工作，发挥物探测试的先进性和高效性，利用其连续的地质剖面和丰富的地质体物性特征数据指导后期的钻探工作。针对重大物探异常点和地质调绘特征点进行钻探验证，并充分利用钻孔进行孔内试验，合理设计室内试验，各种勘察方法紧密衔接，互相验证和完善，最后综合分析得到的大量数据信息，融会贯通，形成勘察报告和风险评估报告，为设计工作和工程施工提供了相对准确的地质资料。

根据勘察结果，燕山隧道发育一处较完整的火山喷发-侵入旋回构造，洞身范围内以片麻岩、花岗岩、石英砂岩等硬质岩石为主，受火山构造旋回影响，构造破碎带较为发育。根据风险评估结论，该隧道主要地质灾害为突水突泥、岩爆和塌方等灾害，通过采取风险控制措施，可将各地质灾害风险指数控制在中、低度范围内。该隧道高低温、有害气体和放射性等危害不发育。燕山隧道已于2014年9月贯通，施工揭露与勘察结果基本相符，表明在高风险长大隧道中应用综合勘察技术效果较好。

参考文献

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中图分类号：U452.1

文献标识码：B