花崗巖隧道物探異常區(qū)巖體特性研究

張曉宇

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司 地質(zhì)路基處，陜西 西安 710043)

花崗巖隧道物探異常區(qū)巖體特性研究

張曉宇

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司 地質(zhì)路基處，陜西 西安 710043)

在長大隧道工程勘察中，物探異常區(qū)往往是關(guān)注的重點。本文以八坊花崗巖隧道為例，首先應(yīng)用高密度電法開展地球物理勘察，然后在隧道洞身低阻異常區(qū)布置勘探孔，并在孔內(nèi)進行了綜合測井及抽水試驗。結(jié)果顯示:物探異常區(qū)花崗巖電阻率低，巖石聲波波速低，滲透系數(shù)大，巖體成砂土狀，為全風(fēng)化花崗巖。在勘察成果的基礎(chǔ)上，預(yù)測了隧道可能發(fā)生的工程地質(zhì)災(zāi)害類型及段落，以減少隧道施工的風(fēng)險。

隧道工程 物探異常區(qū) 電阻率 花崗巖

地球物理勘探是以地殼表部巖、土的物理性質(zhì)的差異為基礎(chǔ)，用儀器探測地下天然的物理場變化。被測巖體與周邊圍巖的電阻率、波速、溫度、自然電位等存在明顯差異處稱為物探異常區(qū)，異常區(qū)通常存在于斷層帶、巖性接觸帶、巖溶區(qū)、基巖面、風(fēng)化層、裂隙及地下水發(fā)育區(qū)。在隧道工程地質(zhì)勘察中物探異常區(qū)往往是關(guān)注的重點。

姜賢斌等［1］在杭寧鐵路某隧道中應(yīng)用高密度電法發(fā)現(xiàn)視電阻率呈不連續(xù)現(xiàn)象，存在低阻異常，并推測該異常區(qū)為斷裂構(gòu)造與巖性接觸帶。李志華等［2］在石太客運專線太行山特長隧道勘察中，應(yīng)用綜合物探查出各類異常73處，為確定不良地質(zhì)體、富水區(qū)及鉆探的位置提供了依據(jù)。劉劍飛［3］應(yīng)用高密度電法、大地電磁法對西南某長大深埋隧道進行了大范圍勘察，先根據(jù)低阻異常區(qū)推測了隧道區(qū)斷層影響帶，然后采用電測深確定了斷層面寬度、產(chǎn)狀，并通過鉆探得到了驗證。張舉賢［4］認(rèn)為物探是一種間接的勘探手段，是通過地質(zhì)體的物理特性反應(yīng)地質(zhì)體的工程特性，數(shù)據(jù)采集受地形、地質(zhì)、物性不均等多種自然因素的影響，因此物探成果做出的地質(zhì)推斷需要其它直接手段如地質(zhì)調(diào)繪、鉆探等驗證，以了解其真實的地質(zhì)內(nèi)涵。譚遠發(fā)等［5］在長大隧道勘察中應(yīng)用高密度電法，根據(jù)獲得的地下介質(zhì)電阻率的分布情況，了解隧道圍巖的性質(zhì)和分布范圍，推測了斷層構(gòu)造和巖溶構(gòu)造的空間分布及其發(fā)育特征等。

從以上研究中不難發(fā)現(xiàn)，物探異常區(qū)一般為斷層帶、巖性接觸帶、富水帶等，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，在重要的異常地段進行鉆探驗證及孔內(nèi)測試，對獲取隧道工程的圍巖性質(zhì)意義重大。本文以廣西資興高速公路越嶺八坊隧道為例，通過野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)隧道洞身的花崗巖差異風(fēng)化嚴(yán)重，采用高密度電法開展物探工作，在低阻異常區(qū)布置適當(dāng)鉆探，同時在孔內(nèi)進行了綜合測井及抽水試驗工作，以獲取圍巖的物理力學(xué)及滲透性參數(shù)，準(zhǔn)確劃分圍巖級別，合理確定隧道涌水量。

1 八坊隧道地質(zhì)概況

八坊隧道位于廣西省資源縣，為資(資源)興(興安)高速公路控制性工程，長2 370 m。該隧道位于桂北低山地區(qū)，地形起伏大，植被茂密，海拔高程520～820 m，相對高差約300 m，隧道最大埋深約280 m。加里東期花崗巖分布于整個隧道地區(qū)，花崗巖為灰黃色、肉紅色，粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，差異風(fēng)化嚴(yán)重，巖體性質(zhì)差別極大，局部全風(fēng)化花崗巖厚度達25～45 m，除表層分布有全風(fēng)化層外，局部深埋地段亦分布有花崗巖風(fēng)化層。

隧道區(qū)年平均降雨量大，地表水發(fā)育。地下水主要賦存花崗巖風(fēng)化帶孔隙裂隙中，由于隧道區(qū)花崗巖差異風(fēng)化嚴(yán)重，局部風(fēng)化層呈砂土狀、碎塊狀，孔隙裂隙發(fā)育，滲透性好，為地下水形成了良好的儲水空間，隧道在局部地段形成富水區(qū)。

2 高密度電法勘察

2.1 測線布置

高密度電法是綜合物探的有效方法之一，是以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)的一種物探方法，其原理與普

通電阻率法相同，具有點距小、數(shù)據(jù)采集密度大、能較直觀地反映基巖界線、地質(zhì)構(gòu)造、以及圍巖中異常體的發(fā)育情況等。八坊隧道高密度電法使用儀器為E60BN直流電法儀，采用10 m電極距，溫納裝置采集，整個隧道布置了1個高密度電法縱斷面，起止里程K57+370—K59+960，2個補充剖面 AA'，BB'，其中AA'剖面與線路平行，BB'剖面與線路垂直，總計完成3條測線，長5 480 m。八坊隧道物探測線平面布置見圖1。

2.2 勘察結(jié)果與分析

圖2為八坊隧道越嶺地段K58+200—K59+400電阻率縱斷面圖。從圖中可見，隧道洞身K58+200—K58+610電阻率為5 000～15 000 Ω·m，為高阻花崗巖，巖體完整;K58+610—K59+048電阻率為500～2 000 Ω·m，為低阻花崗巖，巖體極破碎;K59+048—K59+400電阻率為5 000～10 000 Ω·m，為高阻花崗巖，巖體較完整。一般來說，電阻率值越低，節(jié)理裂隙越發(fā)育，巖體越破碎。

圖1 八坊隧道物探測線平面布置

圖2 八坊隧道K58+200—K59+400電阻率縱斷面(單位:Ω·m)

為了進一步確定八坊隧道嶺南地區(qū)低阻區(qū)的范圍，在K58+800—K59+240左側(cè)50 m，布置了一條平行于隧道洞身的剖面AA'(圖3(a))以及在K58+970附近布置了垂直隧道洞身的剖面BB'(圖3(b))。從圖3(a)可以發(fā)現(xiàn)，測點240～310之間為低阻區(qū)，電阻率為500～2 000 Ω·m，對應(yīng)的里程為K58+920—K59 +040，整個斷面的電阻率大多小于5 000 Ω·m，屬于中～低阻花崗巖，與圖2電阻率縱斷面圖一致。從圖3(b)可以發(fā)現(xiàn)，測點120～320之間電祖率為 500～2 000 Ω·m，為低阻花崗巖，對應(yīng)的里程為K58+940—K59+020。

通過以上分析可推測，八坊隧道嶺南地區(qū)K58+ 610—K59+040段埋深為80～260 m，該段花崗巖為低阻花崗巖，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體極破碎，局部可能存在全風(fēng)化花崗巖，地下水富集，有突涌水、涌沙的可能。

圖3 八坊隧道AA'，BB'剖面電阻率(單位:Ω·m)

3 勘探及孔內(nèi)試驗成果

工程地質(zhì)鉆探是最直接的勘察方法，一方面可以準(zhǔn)確提供設(shè)計所需的各項巖土物理力學(xué)指標(biāo)，另一方面也可驗證物探和工程地質(zhì)調(diào)繪結(jié)果［5］，同時也可為后續(xù)綜合測井、水文試驗提供條件。

八坊隧道在物探異常區(qū)K58+954.5左20 m及K59+081右23 m布置2個勘探孔。GXDZ-880孔深130 m，0～13 m為全風(fēng)化花崗巖;13～34 m為強風(fēng)化花崗巖;34.0～100.3 m為中風(fēng)化花崗巖;100～108 m為砂土狀全風(fēng)化花崗巖;108～130 m為中風(fēng)化花崗巖，該孔在隧道洞身處存在風(fēng)化層。GXDZ-881孔深85 m，0～6.5 m為全風(fēng)化花崗巖，6.5～8.0 m為強風(fēng)化花崗巖，8.0～85 m為中風(fēng)化花崗巖。該孔在隧道洞身處巖體較完整。

通過對GXDZ-880鉆孔綜合測井成果分析，該孔地層巖性可劃分為5個巖性段:

1)66.0～76.2 m花崗巖電阻率較高，平均為3 703 Ω·m，巖石聲波縱波速度高，平均為4.84 km/s，巖體完整。

2)76.2～90.8 m花崗巖電阻率較低，平均為3 385 Ω·m，巖石聲波縱波速度較高，平均4.55 km/s，起伏變化較大，該段巖石裂隙比較發(fā)育，巖體較為完整。

3)90.8～100 m花崗巖電阻率較低，平均1 650 Ω·m，巖石聲波縱波速度略高，平均為4.25 km/s，該段巖石裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。

4)100～108 m為花崗巖風(fēng)化體，本段巖石電阻率低，平均為277 Ω·m，巖石聲波縱波速度較低，平均為2.38 km/s，巖體極破碎。

5)108～130 m花崗巖電阻率較低，平均360 Ω·m，巖石裂隙較發(fā)育，巖體破碎。

GXDZ-880孔內(nèi)綜合測井成果表明該鉆孔在80.0～81.5 m，85.4～86.4 m，100～108 m自然電位、電阻率和井溫均出現(xiàn)較為明顯的異常，顯示為含水段落。

GXDZ-880，GXDZ-881抽水試驗結(jié)果表明，花崗巖體的滲透性與其風(fēng)化程度密切相關(guān)。鉆孔GXDZ-880由于存在多處含水段，且100～108 m段為全風(fēng)化花崗巖，地下水主要為花崗巖風(fēng)化裂隙水，巖體滲透系數(shù)達到了1.8 m/d。鉆孔GXDZ-881主要為中風(fēng)化花崗巖，地下水類型為基巖裂隙水，滲透系數(shù)僅為0.026 m/d。

4 成果應(yīng)用

4.1 花崗巖風(fēng)化特征

勘探結(jié)果表明，該隧道物探異常區(qū)的花崗巖存在明顯的電阻率低、縱波波速低、滲透性好的特點，花崗巖差異風(fēng)化不僅存在于表層，在巖體深部亦存在砂土狀全風(fēng)化花崗巖。

4.2 圍巖級別劃分及水量預(yù)測

綜合物探異常形態(tài)、視電阻率及其梯度值大小，可

以對低阻異常進行分類，并確定相應(yīng)的圍巖級別。八坊隧道綜合勘察獲取了不同地段花崗巖體的力學(xué)參數(shù)，結(jié)合物探電阻率成果，對圍巖進行了劃分?；◢弾r體電阻率 ＞2 000 Ω·m，圍巖為Ⅲ級;電阻率 500～2 000 Ω·m，圍巖以Ⅳ級為主;電阻率為100～500 Ω·m，圍巖為Ⅴ級。主要分段情況見表1。

表1 八坊隧道K58+200—K59+400圍巖劃分及水量預(yù)測

根據(jù)八坊隧道水文地質(zhì)條件、勘探獲取的花崗巖體滲透系數(shù)及圍巖級別，應(yīng)用降雨入滲系數(shù)法和地下水動力學(xué)法對該段隧道涌水量進行了預(yù)測。預(yù)測結(jié)果見表1，其中K58+610—K59+048洞身花崗巖地層電阻率低、巖體破碎，為全風(fēng)化花崗巖，滲透性好，為強富水段落，施工中存在突水、突泥及涌砂的可能。是該隧道工程高風(fēng)險地段。

5 結(jié)論

1)八坊隧道巖性以花崗巖為主，高密度電法物探結(jié)果顯示隧道在K58+610—K59+048電阻率為500～2 000 Ω·m，為低阻花崗巖，物探異常區(qū)結(jié)果表明K58+610—K59+048隧道洞身附近(埋深100～108 m)為砂土狀全風(fēng)化花崗巖。GXDZ-880孔內(nèi)綜合測試表明在埋深100～108 m處巖體電阻率低，平均277 Ω·m，巖石聲波縱波速度低，平均2.38 km/s，巖體極破碎，呈全風(fēng)化狀。GXDZ-880抽水試驗涌水量大，全風(fēng)化巖體滲透系數(shù)為1.8 m/d。各種勘探方法相互驗證，取得了良好效果。

2)八坊隧道勘探成果表明，花崗巖差異風(fēng)化不僅僅存在于地表巖體，受多種因素影響，在巖體深部亦有可能存在花崗巖球狀風(fēng)化，其風(fēng)化程度與礦物成分有密切關(guān)系，而這種風(fēng)化體對隧道工程的影響極大，不僅巖體破碎，圍巖級別低，而且富水。

3)八坊隧道綜合勘探工作，確定了不同地段花崗巖巖體物理力學(xué)性質(zhì)，明確了花崗巖體物探異常地段的風(fēng)化特征，獲取了不同風(fēng)化特征花崗巖體的滲透系數(shù)，很好地指導(dǎo)了圍巖級別劃分及水量預(yù)測，預(yù)測了該隧道可能發(fā)生的工程地質(zhì)災(zāi)害，從而減少了隧道施工風(fēng)險。

［1］姜賢斌，都彤宇.淺層地震折射波法與高密度電法在隧道工程勘察中的應(yīng)用［J］.中國水運，2008，12(8):209-211.

［2］李志華，趙建峰.石太客運專線特長太行山隧道綜合物探研究［J］.鐵道工程學(xué)報，2011，10(10):78-83.

［3］劉劍飛.西南地區(qū)長大深埋隧道綜合物探的應(yīng)用研究［J］.鐵道建筑技術(shù)，2011(增):125-129.

［4］張舉賢.淺談長大深埋隧道工程地質(zhì)勘察中地質(zhì)對物探的配合［J］.鐵道工程學(xué)報，2006，3(3):17-20.

［5］譚遠發(fā).長大深埋隧道工程地質(zhì)綜合勘察技術(shù)應(yīng)用研究［J］.鐵道工程學(xué)報，2012，4(4):24-31.

(責(zé)任審編 葛全紅)

U456

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.21

2015-04-10;

:2015-07-20

張曉宇(1982— )，男，陜西大荔人，高級工程師，工學(xué)碩士。

1003-1995(2015)09-0070-04