綜合地質(zhì)勘察方法在黃土梁峁區(qū)隧道工程中的應(yīng)用

張志亮

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司, 陜西西安 710043)

黃土梁峁區(qū)廣泛分布于我國(guó)西北甘肅、寧夏等地,區(qū)內(nèi)黃土溝壑縱橫,梁峁起伏(圖1)。下伏基巖往往與地形的起伏相吻合,且地質(zhì)條件復(fù)雜。由于地表覆蓋數(shù)十米甚至上百米的風(fēng)積黃土,基巖及構(gòu)造在地表出露較少,給工程地質(zhì)勘察工作造成一定的難度。

圖1 黃土梁峁區(qū)

針對(duì)黃土梁峁區(qū)的地形地質(zhì)特點(diǎn),結(jié)合某鐵路隧道工程,有針對(duì)性的采用一套行之有效的綜合地質(zhì)勘察方法,基本查明了該隧道的地質(zhì)情況,為工程設(shè)計(jì)和施工提供了較為準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程概況

寶雞至蘭州客運(yùn)專線長(zhǎng)約400 km,設(shè)計(jì)時(shí)速350 km。該隧道工程位于甘肅省定西市,起訖里程為DK853+986～DK856+595,全長(zhǎng)2 609 m,為雙線隧道,隧道洞身最大埋深165 m。

1.2 地形地貌

隧道地貌屬黃土梁峁區(qū),區(qū)內(nèi)黃土溝壑縱橫,梁峁起伏,沖溝發(fā)育,溝深坡陡。地面高程1 710～1 890 m,自然坡度在20°～30°之間。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

隧道地處隴西系內(nèi)旋褶帶,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為差異性整體抬升運(yùn)動(dòng),山地?cái)鄩K強(qiáng)烈隆升,盆地相對(duì)下沉,形成現(xiàn)今的地貌態(tài)和格局。

1.4 地層概況及水文地質(zhì)特征

該隧道地層由新至老包括了第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、上第三系泥巖、二疊系上統(tǒng)砂巖夾板巖、下元古界片麻巖等地層。

隧道工程影響范圍內(nèi)無(wú)地下水發(fā)育,溝谷內(nèi)僅在雨季有少量地表水徑流。

2 綜合地質(zhì)勘察方法及過(guò)程

主要采用航片判釋、地面地質(zhì)調(diào)查、物探和鉆探等方法進(jìn)行勘察工作。

2.1 航片判釋

根據(jù)航片判釋,隧道基本被全新統(tǒng)上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土所覆蓋,基巖僅在隧道進(jìn)口山坡坡腳及隧道中部深切溝谷底部有出露。出露巖性推測(cè)為片麻巖和砂巖,需進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證。

2.2 地面地質(zhì)調(diào)查

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料和航片判釋成果,地面地質(zhì)調(diào)查采用沿線路調(diào)查和區(qū)域重點(diǎn)地質(zhì)調(diào)查結(jié)合的方式進(jìn)行。主要查明地層巖性特征,基巖出露處巖層產(chǎn)狀、風(fēng)化程度等情況。

隧道進(jìn)口坡腳出露下元古界片麻巖,青灰、灰白色,強(qiáng)風(fēng)化為主,節(jié)理發(fā)育,巖層產(chǎn)狀為NS/80°W；隧道中部DK855+600溝谷底部出露上第三系泥巖及二疊系上統(tǒng)砂巖夾板巖。泥巖具水平層理，砂巖夾板巖產(chǎn)狀為N40°E/60°N。

2.3 物探

地球物理勘探(簡(jiǎn)稱物探)是以地殼表部巖、土的物理性質(zhì)(如電、磁、聲、光、熱、密度、彈性、放射等)的差異為理論基礎(chǔ),用物探儀器探測(cè)地下天然的或人工的物理場(chǎng)變化,借以查明地層、構(gòu)造,測(cè)定巖、土的物理力學(xué)性質(zhì)及水文地質(zhì)參數(shù)的一種勘探方法。物探具有工效高、成本低、應(yīng)用廣、透視性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但也存在有條件性、多解性等局限性。

物探方法包括電法勘探、彈性波勘探、磁法勘探、放射性勘探、核磁共振法等,各有其應(yīng)用范圍和使用條件。針對(duì)該隧道工程特點(diǎn),物探工作采用高密度電法沿中線貫通隧道,并在進(jìn)出口部位用地震折射法驗(yàn)證。高密度電法使用儀器為GEOPEN公司的E60BN電法儀,電極距10 m,96根電極；地震折射層析法使用儀器為瑞典RAS-24數(shù)字地震儀,道間距10 m,完成504個(gè)炮檢點(diǎn)。

表1 各種巖土電阻率及縱波波速

依據(jù)巖土物探參數(shù)(見表1)綜合分析,劃分地層,繪制物探地質(zhì)縱斷面：

(1)表層覆蓋層波速范圍為300～800 m/s,電阻率ρ=50～200 Ω·m,深淺不一,在5～100 m間,主要為黃土。

(2)表層下有一波速范圍為1 100～2 300 m/s的層,電阻率ρ<30 Ω·m,結(jié)合地質(zhì)資料,推斷為第三系泥巖,最大厚度可達(dá)60 m。

(3)最下面為二疊系砂巖夾板巖和元古界片麻巖。二疊系砂巖夾板巖的電阻率ρ=50～300 Ω·m,波速范圍為2 800～3 500 m/s；元古界片麻巖的電阻率ρ=50～300 Ω·m,波速范圍為5 000～6 000 m/s。DK855+100處推測(cè)為片麻巖與砂巖夾板巖接觸帶。

在高密度電法反演圖中發(fā)現(xiàn),DK855+900附近洞身位置電阻率明顯降低(見圖2),推測(cè)可能為隱伏的斷層接觸帶,巖石相對(duì)破碎。

圖2 電阻率法成果

2.4 鉆探

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查和物探成果,有針對(duì)性的布置鉆孔的位置。在隧道進(jìn)出口布置兩個(gè)鉆孔,淺埋段布置兩個(gè)鉆孔,地形變化處布置兩個(gè)鉆孔,并在物探推測(cè)斷層位置DK855+900處布置一個(gè)鉆孔,在物探推測(cè)片麻巖與砂巖接觸帶處布置一個(gè)鉆孔。共完成鉆探10孔,鉆探深度904.6 m。各孔均取巖、土樣進(jìn)行土工試驗(yàn),其中取原狀土樣共計(jì)36組,巖樣共計(jì)6組。各孔均進(jìn)行原位試驗(yàn),其中標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)共計(jì)93次,動(dòng)力觸探試驗(yàn)23次。

通過(guò)巖芯鑒定、室內(nèi)試驗(yàn)和原位試驗(yàn),對(duì)隧道洞身巖層的巖性有了更加直觀和準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。地層巖性特征如下。

砂質(zhì)黃土(Q3eol3)：淺黃色,主要分布于隧道進(jìn)出口及洞身頂部,厚度10～120 m,成分以粉粒為主,手搓有砂感,具孔隙,土質(zhì)均勻,稍濕—潮濕,稍密—中密,Ⅱ級(jí)普通土,σ0=150 kPa,具有Ⅲ級(jí)自重濕陷性,濕陷土層厚度10～16 m。

泥巖(N1Ms)：棕紅色,成分以黏土礦物為主,泥質(zhì)膠結(jié),泥質(zhì)結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造,成巖作用差,強(qiáng)風(fēng)化,Ⅲ級(jí)硬土,σ0=300 kPa,弱風(fēng)化,Ⅳ級(jí)軟石,σ0=400 kPa。

砂巖(P2Ss)：青灰—紫紅色,層狀構(gòu)造,中—細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu),泥—鐵質(zhì)膠結(jié),含鈣質(zhì)泥質(zhì)砂團(tuán)塊,節(jié)理較發(fā)育。強(qiáng)風(fēng)化,Ⅴ級(jí)次堅(jiān)石,σ0=600 kPa；弱風(fēng)化,Ⅴ級(jí)次堅(jiān)石,σ0=800 kPa。

板巖(P2sl)：淺灰—灰黑色,成分為長(zhǎng)石、石英為主,片狀結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造,錘擊聲脆,不易破碎,強(qiáng)風(fēng)化,Ⅴ級(jí)次堅(jiān)石,σ0=600 kPa；弱風(fēng)化,Ⅴ級(jí)次堅(jiān)石,σ0=800 kPa。

片麻巖(Pt1Gn)：青灰—灰白色,局部肉紅色,主要成分為石英、長(zhǎng)石及黑云母,變晶結(jié)構(gòu),片麻狀構(gòu)造,節(jié)理發(fā)育,Ⅴ級(jí)次堅(jiān)石,σ0=600 kPa；弱風(fēng)化,Ⅴ級(jí)次堅(jiān)石,σ0=800 kPa。

3 勘察成果

根據(jù)鉆探成果對(duì)地層的劃分進(jìn)行進(jìn)一步的修正,繪制隧道洞身地質(zhì)縱斷面(圖3)。可以看到,對(duì)于物探推測(cè)的DK855+900處的隱伏斷層在鉆孔中也有揭示,并根據(jù)巖芯擦痕判斷為逆斷層；元古界片麻巖與二疊系砂巖的接觸帶與物探推測(cè)也基本一致。

圖3 隧道洞身地質(zhì)縱斷面

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果,結(jié)合地層的縱波波速,可以對(duì)隧道圍巖等級(jí)進(jìn)行劃分(見表2)。

表2 隧道洞身圍巖等級(jí)

4 結(jié)論

黃土梁峁區(qū)一般被厚層風(fēng)積黃土覆蓋,地質(zhì)情況往往不能在表面發(fā)現(xiàn)。隧道工程作為地下工程,受地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造的影響很大。黃土梁峁區(qū)隧道工程的地質(zhì)勘察,應(yīng)當(dāng)采用綜合地質(zhì)勘察方法。

特別是物探方法的使用,起到了事半功倍的作用。不僅用于了解地層分布,發(fā)現(xiàn)隱伏的地質(zhì)構(gòu)造,而且可以結(jié)合巖層物理參數(shù),為劃分隧道圍巖等級(jí)和巖土施工工程等級(jí)提供依據(jù)。在物探的基礎(chǔ)上進(jìn)行鉆探工作,并對(duì)物探成果進(jìn)行驗(yàn)證甚至再分析,從而使其在工程勘察中發(fā)揮最大的作用。

[1]鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,1999

[2]TB10012—2001 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[3]GB 50021-2001 巖土工程勘察規(guī)范[S]

[4]GB50025—2004 濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S]

[5]趙文星.綜合勘探在隧道工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用[J].鐵道勘察,2007(3)：92-94

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