可溶巖區(qū)長隧洞工程地質(zhì)問題研究與分析

季 旭

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧 沈陽 110003)

引 言

在遼寧省某輸水工程4-6隧洞段(樁號176+382～193+498)，其3#主洞下游側(cè)洞段穿越地層巖性為薊縣系霧迷山組燧石條帶白云質(zhì)灰?guī)r、侏羅系髫髻山組砂礫巖，其中白云質(zhì)灰?guī)r屬可溶巖;且自樁號187+488開始溶蝕風化較重，洞室圍巖以紅褐色粘土夾弱風化塊石為主，呈板狀、塊狀，塊徑在0．2～0．8m不等，塊石與粘土分布不均，洞壁呈干燥狀，局部略見少量滴滲水。由于該隧洞段上述復(fù)雜地質(zhì)條件，在隧洞鉆孔爆破法施工過程中，僅采用少量的掏槽孔裝藥。其余采用機械開挖，但超欠挖極難控制，加上開挖過程中時常伴隨著塌方，存在嚴重安全隱患，致使施工進度緩慢。針對上述原因，本文在3#主洞下游樁號187+488～188+430段進行補充勘察的基礎(chǔ)上，深入研究了該段可溶巖地層的主要工程地質(zhì)問題，并分析闡明了其形成原因。

1 基本地質(zhì)條件

本隧洞段為無壓隧洞，斷面為馬蹄形，成洞洞徑6．0m，隧洞采用鉆孔爆破法施工，進、出口同時開挖，并設(shè)有5條支洞。洞室地表為淺U形溝谷，寬約600m，洞室埋深60～106m。溝內(nèi)河道寬約5～15m。洞室穿越巖性為侏羅系髫髻山組(J2t)砂礫巖、霧迷山組(Jxw)燧石條帶白云質(zhì)灰?guī)r等。

根據(jù)1∶20萬區(qū)域地質(zhì)資料表明，該段發(fā)育下平房子 ～羊草溝區(qū)域斷裂 hf87，張扭性，產(chǎn)狀NE21°NW∠50°，斷裂帶寬30～70m，發(fā)育長度＞23km，與洞軸線相交于樁號187+620，呈86°夾角，上部被第四系覆蓋，厚約2～36m。

區(qū)內(nèi)地下水類型主要分為:孔隙潛水、基巖裂隙水、巖溶裂隙水?？辈炱陂g為枯水期，本區(qū)地表水干涸，地下孔隙潛水埋深1．6m左右。根據(jù)已開挖洞室揭露，溶蝕裂隙、溶蝕孔洞中多有粘土充填，充填密實，且膠結(jié)良好，不具備較大量地下水賦存條件。因此，推斷區(qū)內(nèi)巖溶裂隙水不發(fā)育，以基巖裂隙水為主。

2 勘察布置

為進一步查明強烈溶蝕風化帶的分布范圍和區(qū)域斷裂及兩組地層界線在洞室范圍的具體分布位置，以及對洞室圍巖的影響;同時，查明巖性接觸帶部位的水文地質(zhì)地質(zhì)條件，并對洞室可能存在的工程地質(zhì)問題進行合理評價。故在本區(qū)域進行有效的勘查布置。

據(jù)區(qū)域資料表明，該段發(fā)育較大規(guī)模斷裂構(gòu)造，分布可溶巖地層。因此，前期勘察已對該段較為重視，共布置6個鉆孔。其中侏羅系髫髻山組地層布置鉆孔2個、薊縣系霧迷山組地層布置鉆孔4個。由于薊縣系霧迷山組地層兩個鉆孔FBK20、FBK51，鉆孔提示以巨塊石夾泥為主，漏水嚴重鉆探難度大，故未穿越洞室?？紤]前期勘察鉆探實際情況，本次首先采用可控源變頻大地測量EH-4的方法，對該段進行物探測試;結(jié)合前期勘察及本次物探成果，有針對性的布置鉆孔1個;以便復(fù)核物探測試成果的精度，并查明薊縣系霧迷山組與侏羅系髫髻山組的接觸界線。

3 EH-4方法應(yīng)用及成果解析

3.1 應(yīng)用方法與技術(shù)

本次物探采用的可控源變頻大地電磁測量EH-4，又稱StrataGem MT。主要設(shè)備:EH-4大地電磁測深(MT)儀、動態(tài)GPS-RTK(發(fā)射頻率從500Hz～100kHz)，反饋式高靈敏度低噪音磁棒和特制的電極(分別接收X、Y兩個方向的磁場和電場)，18位高分辨率多通道全功能數(shù)據(jù)采集、處理一體機。

在測點距以大地電磁法曲線不失去連續(xù)性原則下，根據(jù)野外實際情況主測線采用10m、20m點距和極距不等，各測點首尾相連張量探測。在地形變化較大段，進行必要的地形改正，電極距采用水平距相等測量，且X、Y兩個方向的磁棒保持水平;同時，磁棒的方向偏差小于5°。

EH-4勘探野外工作布置連結(jié)見圖1。

圖1 EH-4勘探野外工作布置連結(jié)圖

3.2 資料解譯方法

EH-4通過發(fā)射和接收地面電磁波來達到電阻率或電導(dǎo)率的測深。連續(xù)的測深點陣組成地下二維電阻率剖面。

根據(jù)電磁波傳播理論、亥姆霍茲方程:

式中f是頻率，ρ是電阻率，μ是磁導(dǎo)率。上式可用于確定大地的電阻率:

式中ρ的單位是Ω·m，E的單位是mv/km，H的單位是nT。

對于水平分層大地，此表達式不再適用，但用它計算得到的電阻率將隨頻率改變而變化，因為大地的穿透深度或趨膚深度與頻率有關(guān)。

式中δ的單位是m。由此式計算得到的電阻率稱視電阻率。在一個寬頻帶上測量E和H，并由此計算出視電阻率和相位，可確定地下構(gòu)造。

對于一般的不均勻大地，阻抗是空間坐標的函數(shù)，完整的描述應(yīng)當是含有四個元素的張量，每個元素與場的正交分量有關(guān):

要確定四個阻抗元素，需要幾個極化不同的磁場。例如，振幅相位和極化固定不變的單一正弦形式的電場和磁場波列，就不能用于計算這四個未知數(shù)。通常要用四個場分量的自功率譜或互功率譜來計算阻抗，例如，Zxy計算出來的解是:

在上述方程中，Z的解受到磁場極化的很大影響，如果在用于計算功率譜的頻率區(qū)間內(nèi)磁場極化固定不變，那么Hx和Hy的相關(guān)度接近1，Z的解將很不穩(wěn)定。通過計算，確定Zxy和Zyx之中的某個元素反映平行于走向的電場的阻抗，這個角度便能反映地質(zhì)構(gòu)造的走向。

在實時處理的過程中，根據(jù)每個測點給出的視電阻率、相位、相關(guān)度及振幅曲線，進行數(shù)據(jù)質(zhì)量的實時分析。對于一些不可靠的數(shù)據(jù)可以從曲線中剔除，然后繼續(xù)測量，或者整條曲線的數(shù)據(jù)質(zhì)量太差，采取措施后實施重復(fù)測量。在完成整條測線的連續(xù)觀測后，可在現(xiàn)場采用EMAP法(該法可以有效地消除靜態(tài)效應(yīng))給出擬二維反演解譯結(jié)果的灰度圖。后續(xù)數(shù)據(jù)的處理包括兩方面內(nèi)容:(1)在主機上對野外數(shù)據(jù)進行相關(guān)系數(shù)、濾波系數(shù)的調(diào)整或?qū)r序資料(Y或V文件)進行逐個挑選或剔除等重新處理;盡量降低影響因素，突出有用異常，達到實用目的。(2)在上述工作的基礎(chǔ)上，將最終處理后的結(jié)果文件(Z或W)拷貝到PC機上，做進一步解譯及二維反演處理，進行彩色成圖等。此圖可清晰地反映出所測各斷面電性變化，根據(jù)不同巖性的物理特征和它形成的電性分布情況，可直觀、定性定量地劃分出巖層及構(gòu)造等地質(zhì)形態(tài)。

3.3 EH-4測試成果解析

本次187+380～188+430段EH4大地電磁法測試軸線電阻率剖面見圖2。

圖2 軸線電阻率剖面

參考前期資料，本次物探初步推斷樁號187+380～188+430段隧洞巖體大部分破碎，只有少量區(qū)段較完整，具體分析如下:

樁號187+550處呈低阻(ρs＜400Ω·m)異常反映，解譯推斷為hf87構(gòu)造異常帶，沿洞軸線影響范圍約230m(樁號187+478～187+708)。

樁號187+808處呈低阻(ρs=100～400Ω·m)異常反映，解譯推斷為f1構(gòu)造異常帶，沿洞軸線影響范圍約40m(樁號187+790～187+830)。

樁號188+177處呈低阻(ρs＜150Ω·m)異常反映，解譯推斷為f2構(gòu)造異常帶，沿洞軸線影響范圍約80m(樁號188+118～188+198)。

樁號187+950處呈低阻(ρs＜150Ω·m)異常反映，結(jié)合前期勘察資料成果推測，該處為白云質(zhì)灰?guī)r與砂礫巖巖性接觸帶，兩種地層巖性為斷層接觸關(guān)系，因此，該部位呈低阻異常反映。樁號187+922～187+987范圍內(nèi)，電阻率小于100Ω·m，推測分析該段為構(gòu)造影響帶，帶內(nèi)可能含水。

樁號188+402～188+430段、188+118～188+198段，電阻率小于150Ω·m，明顯偏低，推測分析為巖體破碎，破碎帶內(nèi)含水。

4 主要成果及工程地質(zhì)評價

4.1 勘察主要結(jié)論

4.1.1 巖體風化評價

本段洞室開挖揭露的霧迷山組白云質(zhì)灰?guī)r為碳酸鹽，風化特性與侏羅系髫髻山組沉積的砂礫巖不同。按巖性不同風化分為:溶蝕風化、物理風化。

(1)溶蝕風化

本段洞室霧迷山組巖體按溶蝕風化特點可分為兩類:

強烈溶蝕風化:洞室圍巖多由粘土夾塊石組成，塊石多為微風化～新鮮巖，呈板狀、塊狀、巨塊狀，巖塊斷口色澤新鮮，敲擊聲清脆。主要分布洞室樁號為187+488～187+840。

裂隙性溶蝕風化(上帶):洞室圍巖完整性較好，巖石強度較高，局部可見溶蝕裂隙，但發(fā)育寬度有限，僅幾厘米至十幾厘米，裂隙間局部夾粘土。偶見較小溶洞，但多有粘土充填。主要分布洞室樁號為187+840～187+950。

(2)物理風化

洞室穿越侏羅系髫髻山組巖體段埋深多在60m左右，除巖性接觸帶部位，巖體多呈弱風化，巖石表面或裂隙大部分變色，斷口色澤較新鮮，巖石原始組織結(jié)構(gòu)清楚完整，但大多數(shù)裂隙已風化，錘擊啞聲～較清脆。

4.1.2 巖體物理力學(xué)性質(zhì)

在各階段鉆孔中取弱風化巖進行了室內(nèi)巖塊物理力學(xué)性質(zhì)試驗(見表1)。

4.2 主要工程地質(zhì)問題及評價

通過EH-4物探測試解譯結(jié)合鉆探成果分析，本段可溶巖地層主要存在洞室圍巖穩(wěn)定、洞室涌水兩問題:

(1)洞室圍巖穩(wěn)定問題

薊縣系霧迷山組巖體洞段受區(qū)域構(gòu)造hf87及溶蝕風化影響較重，影響帶內(nèi)巖體溶蝕裂隙、溶洞較發(fā)育，多由粘土充填，局部由粘土包夾塊石，由于粘土膠結(jié)能力有限，施工過程中極易發(fā)生塌方，建議對該部位巖體及時進行剛性支護，并結(jié)合采取超前支護措施，應(yīng)特別注意加強對洞室的變形監(jiān)測工作。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)試驗成果表

根據(jù)鉆孔揭露兩組巖體為不整合接觸，接觸面走向與洞室交角較大，但傾角較緩，對洞室影響范圍較長，接觸帶內(nèi)巖體較破碎～破碎，風化蝕變作用較強，巖石強度較低，洞室圍巖不穩(wěn)定，自穩(wěn)時間較短。開挖過程中極易產(chǎn)生塌方、片幫等現(xiàn)象。建議開挖過程中嚴格控制循環(huán)進尺，采取短進尺、弱爆破的開挖方式，并及時進行剛性支護，如有必要應(yīng)適當采取超前支護措施。

(2)洞室涌水問題

本段洞室薊縣系霧迷山組白云質(zhì)灰?guī)r屬可溶巖，鉆孔揭露有不同程度的溶蝕現(xiàn)象，洞室開挖過程中可能存在溶巖裂隙水，但根據(jù)已開挖洞室段的水文地質(zhì)特征推測出水量不會太大，多以滴、滲水水為主;侏羅系髫髻山組砂礫巖為弱透水～中等透水，大部分洞段將以滴、滲水為主，局部呈線流狀出水。

樁號187+950～187+996段穿越巖性接觸帶，兩巖性間為不整合接觸，且接觸帶位于溝谷內(nèi)，容易與淺層第四系孔隙潛水或地表水形成水力聯(lián)系，接觸帶巖體破碎為地下水儲存和運移提供有利條件，隨洞室開挖至該部位時有可能發(fā)生涌水。建議提前準備抽排水設(shè)備，施工過程中可采用超前鉆探、循環(huán)探孔的方式預(yù)知前方圍巖的地下水變化情況，如遇水量變大，應(yīng)采用提前阻水措施，排除施工過程中的安全隱患，減小對當?shù)鼐用裆钣盟碍h(huán)境用水的影響。

5 實際揭露地質(zhì)條件與對比

洞室開挖通過本段后，實際揭露可溶巖地層段工程地質(zhì)條件與勘察推測基本一致，各階段圍巖類別統(tǒng)計詳見表2。

表2 各階段圍巖類別統(tǒng)計及對比

6 可溶巖強烈溶蝕風化地層形成過程分析

本段隧洞穿越的粘性土夾塊石地層樁號范圍為187+488～187+973，段長485m，洞頂埋深在60～106m，上部覆蓋層厚度在2～36m。一般來說，物理風化僅存在于巖體表層及構(gòu)造帶部位，該處洞室埋藏較深，因此，可以否定是由于物理風化造成該種地質(zhì)現(xiàn)象的可能。本地區(qū)局部分布著可溶巖地層，但從以往的地質(zhì)測繪及地下工程施工來看，巖溶地貌并不發(fā)育，僅局部地表可見發(fā)育寬度在3m之內(nèi)的溶蝕裂隙，由紅褐色粘性土充填。

綜合分析推測，在較早時期該處基巖裸露或覆蓋層較薄，溝谷內(nèi)地表水發(fā)育，由于地表水對碳酸鹽巖的作用，該處溶蝕風化作用較強，并在地表形成較厚的巖溶堆積物，主要以蝕余紅土為主，其中夾雜著尚未被溶蝕的白云質(zhì)灰?guī)r角礫。而地下水沿節(jié)理、層理等不同性質(zhì)的通道下滲，在地下巖體中也形成一些溶洞、溶蝕裂隙，經(jīng)過張性構(gòu)造運動，該處地表發(fā)生塌陷，上部的巖溶堆積物塌落并重新堆積，因此，由于溶蝕風化及區(qū)域斷裂構(gòu)造的綜合作用，造成了該種特殊地質(zhì)現(xiàn)象。

7 結(jié)論

遼寧地區(qū)可溶巖分布較少，水利水電工程特別是長隧洞施工，涉及類似工程區(qū)的項目亦較少，可借鑒經(jīng)驗不多，本文借助可控源變頻大地測量EH-4技術(shù)，對區(qū)段工程地質(zhì)問題進行了深入研究和分析，在遼寧地區(qū)可溶巖區(qū)長隧洞地質(zhì)勘察方面積累了經(jīng)驗。