多種勘察技術(shù)在馬巒山隧道斷層勘察中的應(yīng)用

龔旭亞 ，涂運中

(1.深圳市勘察測繪院有限公司，廣東 深圳 518028； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

1 工程地質(zhì)背景

深圳市位于華南褶皺系中的紫金-惠陽凹褶斷束的西南部、五華-深圳大斷裂帶南西段，高要-惠來東西向構(gòu)造帶中段的南緣地帶。由于受到多期復(fù)雜的構(gòu)造運動，形成了以北東向蓮花山斷裂構(gòu)造及北西向珠江口三水?dāng)嗔褬?gòu)造為主，兼有東西向高要-惠來深大斷裂構(gòu)造。近幾年隨著特區(qū)一體化建設(shè)推進，新規(guī)劃干線道路多為“穿山”工程，山嶺隧道項目逐漸增多。斷裂構(gòu)造對隧道工程的線位比選、工程投資及建設(shè)難度有重大的影響，因此，山嶺隧道工程勘察重點應(yīng)該為針對斷層的勘察。

馬巒山隧道工程是深圳市坪鹽通道的主要工段。該工程位于深圳市東部地區(qū)，連接坪山新區(qū)與鹽田區(qū)，單洞總長 15.8 km，屬城市道路特長隧道，隧道80%線路段埋深超過100 m，最大埋深達(dá) 310 m，是目前國內(nèi)最長的城市隧道。工程區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，北東向深圳斷裂帶、北西向清林徑-南澳斷裂帶、暗山-田頭山斷裂帶以及橫崗-鹽田斷裂帶是區(qū)內(nèi)的主導(dǎo)構(gòu)造。受其影響，勘察區(qū)自北向南分布斷層共13條，編號F1-F13，二級斷層8條，編號分別為f2-1、f2-2、f10-1、f6-1、f8-1、f11-1、f13-1、f13-2，如圖1所示。

圖1馬巒山隧道工程區(qū)斷層分布圖

如上所述，本工程具有“線路長、埋深大、斷裂復(fù)雜”的特點，在方案階段，建設(shè)單位、設(shè)計單位主要關(guān)注兩個方面的問題：

①斷層F13對線位的影響。根據(jù)區(qū)域資料，F(xiàn)13走向平行于線位，其空間分布對隧道線位穩(wěn)定至關(guān)重要。

②其他斷層的空間分布、產(chǎn)狀要素，及其對工程區(qū)巖體完整性的影響、隧道圍巖分級影響以及工程投資影響。

本工程勘察難點主要有：①馬巒山山勢陡峭，地表勘察作業(yè)難度大，勘察人員及設(shè)備到位、搬遷極其困難；②勘察區(qū)林木茂盛，綠化覆蓋嚴(yán)實，對地質(zhì)測繪造成困難；③隧道埋深大，鉆探取心難度大。

2 斷層勘察方法的選擇

針對本工程重點及勘察難點，筆者提出了由表及里、逐步深入的綜合勘察方法，采取了工程地質(zhì)調(diào)繪、物探、巖心鉆探及孔內(nèi)成像技術(shù)等勘察技術(shù)。其基本思路是首先通過工程地質(zhì)測繪確定斷層的宏觀定位，再利用高密度電法等物探方法初步驗證斷層位置，然后根據(jù)物探成果進行鉆孔取心定點驗證，對巖性、巖體風(fēng)化程度、斷層位置及影響范圍進行準(zhǔn)確直觀判斷，然后采用孔內(nèi)成像、超聲波成像測井技術(shù)，對斷裂產(chǎn)狀、規(guī)模、性狀、巖體結(jié)構(gòu)進行精確測量、驗證。最后，綜合各種勘察方法的成果，進行互相比對、驗證，取長補短，提高勘探質(zhì)量，查清斷層空間分布及對工程的影響。

(1)工程地質(zhì)測繪

根據(jù)現(xiàn)狀地形圖、航拍圖及區(qū)域地質(zhì)圖，在道路中心線兩側(cè)各 500 m，總寬度 1 000 m的帶狀范圍，測繪目的為查明道路沿線場地的地形、地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)現(xiàn)象、地表水及地下水等。采用路線穿插，點、線、面結(jié)合的方法進行測繪，測繪時盡可能利用天然的和已有的人工露頭，追索重要的地質(zhì)界線。

(2)工程物探

考慮到本隧道埋深較大的特點，物探手段采用了高密度電法和大地電磁法，主要查明斷層破碎帶位置、產(chǎn)狀等。高密度電法兼具電測深法和電剖面法等傳統(tǒng)電阻率法的優(yōu)點，彌補了傳統(tǒng)方法測點相對稀少和解釋依據(jù)單一的不足。根據(jù)實測的視電阻率剖面進行計算、處理、分析，便可獲得地層中的電阻率分布情況，從而解決相應(yīng)的工程地質(zhì)問題。F5電法成果與PY1-SD-10鉆探成果比對，如圖2所示。

圖2 F5電法成果與PY1-SD-10鉆探成果比對

大地電磁測深法以天然的電磁波為場源，通過在地表觀測相互正交的電磁場分量來獲取地下地電構(gòu)造信息。由于天然場中含有從高頻到低頻豐富的頻率成分，根據(jù)電磁波的傳播和介質(zhì)的吸收作用，不同頻率成分的電磁波具有不同的穿透深度，因而大地電磁法能達(dá)到測深的目的。大地電磁法采用的儀器是由美國EMI公司和Geometrics公司聯(lián)合研制出的EH4系統(tǒng)。本次勘察主要在隧道埋深超過 150 m的區(qū)域縱向布置一條測線，點距為 20 m。

(3)鉆探

鉆探是綜合勘察中對地質(zhì)測繪推斷和物探解釋成果正確性最直接的檢驗手段，也是采集地質(zhì)、水文地質(zhì)參數(shù)的重要方法，通過鉆探取心能準(zhǔn)確探明各地層的埋深、厚度及其分布情況以及各地層巖性特征。本隧道埋深主要在 100.0 m～300.0 m之間，為了提高巖心采取率，勘察采用了XY-3型繩索取芯工程鉆機進行鉆探。

(4)光學(xué)孔內(nèi)成像法

光學(xué)孔內(nèi)成像法具有結(jié)果直觀、真實的特點，不但可以直接讀出斷裂產(chǎn)狀要素，還可肉眼直觀觀察原狀斷裂特征，但由于其采用光學(xué)成像技術(shù)，要求孔內(nèi)無水或孔內(nèi)水清澈，所以要求鉆探完成后進行充分洗井工作，確?？變?nèi)水質(zhì)能見度高或者無水，測試深度有限(一般小于 200 m)。本項目中使用的TS-C0601型光學(xué)鉆孔內(nèi)成像分析儀，能夠?qū)︺@孔進行全孔壁成像，孔內(nèi)錄像，關(guān)鍵部位抓拍圖片，從成像平面圖上量測地層或各種構(gòu)造的厚度、寬度、走向、傾向和傾角，觀測斷層裂隙產(chǎn)狀及發(fā)育情況。TS-C0601孔內(nèi)成像儀現(xiàn)場測試及孔內(nèi)影像俯視圖如圖3所示。

圖3 TS-C0601孔內(nèi)成像儀現(xiàn)場測試及孔內(nèi)影像俯視圖

(5)超聲波成像技術(shù)

聲學(xué)井下成像是提供井壁質(zhì)量圖像的設(shè)備。本項目中采用英國RG公司的井中聲學(xué)成像系統(tǒng)HRAT，應(yīng)用范圍包括裂隙識別和定向、地層學(xué)研究、局部應(yīng)力場研究、巖心定向。探頭應(yīng)用固定的聲波發(fā)生器和旋轉(zhuǎn)聲波發(fā)射鏡并以聚焦的超聲射線對井壁進行掃描。從井壁發(fā)射回來的聲波信號振幅和反射時間被同時記錄下來。裂隙等特征會降低反射幅度并在測井結(jié)果中顯示為暗色的正弦軌跡。旅行時測井相當(dāng)于高精度的一臂井徑測井，并可顯示開放裂隙和破裂內(nèi)的直徑變化。超聲波成像測井系統(tǒng)及現(xiàn)場測試如圖4所示。

超聲波井下成像技術(shù)的特點是必須要有介質(zhì)，但不受渾濁水的限制，最大優(yōu)勢為測試深度不受限制，有效彌補了光學(xué)孔內(nèi)成像法的不足。

圖4 超聲波成像測井系統(tǒng)及現(xiàn)場測試

3 綜合勘察方法的應(yīng)用實例

以斷層F13及其伴生斷層f13-1和f13-2的勘察為例進行說明。

(1)工程地質(zhì)測繪方面，對斷層F13分布范圍(影響區(qū)段)內(nèi)進行了地表地質(zhì)調(diào)繪，分別在鹽田采石場及鹽三路與隧道位置山溝找到了F13斷層地表露頭及F13伴生的二級小斷裂f13-1及f13-2地表露頭。f13-1和F13地表露頭如圖5所示。

圖5 f13-1和F13地表露頭

工程地質(zhì)調(diào)繪中共統(tǒng)計北東向NE裂隙38條，傾角67°～85°，平均70.9°。通過地質(zhì)調(diào)繪結(jié)果發(fā)現(xiàn)，斷裂F13、f13-1、f13-2走向基本一致，確認(rèn)f13-1、f13-2屬于F13二級小斷裂，f13-2與F13產(chǎn)狀完全一致。f13-1傾向西北，與F13及f13-2傾向相反。在詳勘階段針對F13布置鉆孔PY2-SD-21、43、45對其空間狀態(tài)進一步驗證，結(jié)論與初勘一致。節(jié)理裂隙走向玫瑰花圖及節(jié)理裂隙極點圖如圖6所示。

圖6 節(jié)理裂隙走向玫瑰花圖及節(jié)理裂隙極點圖(共78組數(shù)據(jù))

(2)在物探方面，根據(jù)F13在原區(qū)域地質(zhì)資料顯示位置，布置了8條與隧道軸線垂直的高密度電法測線，如圖7所示。從高密度電法測線視電阻率成像圖分析，F(xiàn)13斷層在DH1～DH6測線上都有較明顯反映，但在DH7、DH8測線上則沒反映或不明顯，推測F13斷層在DH5～DH6之間尖滅，如圖8、圖9所示。

圖9 DH4高密度電法F13成像圖

(3)鉆探根據(jù)F13物探成果，針對性布置了三個鉆孔(PY1-SD-29、30、31)進行驗證，采取的巖芯分別如圖10～12所示。

圖10 PY1-SD-29巖芯揭示F13破碎帶

圖11 PY1-SD-30巖芯揭示F13破碎帶

圖12 PY1-SD-31巖芯揭示F13破碎帶

根據(jù)鉆探取芯結(jié)果可知，斷層位置附近巖層主要是碎裂巖和糜棱巖。其中，碎裂巖為灰白、灰綠色，局部褐黃色，受斷裂構(gòu)造影響巖石裂隙極發(fā)育，強烈破碎，呈角礫狀，見有硅化、綠泥石化現(xiàn)象，局部可見石英巖脈、少量斷層泥，強度相當(dāng)于中等風(fēng)化巖。糜棱巖為灰綠、褐紅色、褐黃色，受斷裂構(gòu)造影響，構(gòu)造裂隙發(fā)育，巖心呈糜棱巖化砂狀，局部巖心表現(xiàn)為斷層泥，強度相當(dāng)于強風(fēng)化巖，局部夾中等風(fēng)化巖塊。鉆探取心結(jié)果直接驗證了斷層構(gòu)造的存在。

(4)孔內(nèi)成像。為了進一步驗證F13產(chǎn)狀，在PY1-SD-31進行孔內(nèi)電視成像，并根據(jù)采集到的斷層破碎帶構(gòu)造裂隙對F13斷層產(chǎn)狀進行查證，見圖13斷層孔內(nèi)電視成像巖芯3D柱狀圖和圖14孔內(nèi)電視成像巖芯展開描述圖。

圖13 斷層孔內(nèi)電視成像巖芯3D柱狀圖

圖14 PY1-SD-31孔內(nèi)電視成像巖芯展開描述圖

由于鉆孔PY1-SD-31位置距離F11約 54 m、F13約30 m，所以該鉆孔構(gòu)造裂隙產(chǎn)狀同時體現(xiàn)了北西向斷層F11及北東向F13特征。由于F11對隧洞工程影響小，所以僅對北東向構(gòu)造裂隙與F13產(chǎn)狀進行統(tǒng)計對比，如表1所示：

PY1-SD-31破碎帶構(gòu)造裂隙與F13產(chǎn)狀對比 表1

從表1可看出，鉆孔PY1-SD-31斷裂帶采集北東向裂隙產(chǎn)狀與高密度電法得出的F13斷層產(chǎn)狀一致。

綜合工程地質(zhì)測繪、物探、鉆探取心和孔內(nèi)成像觀測的結(jié)果可知，F(xiàn)13位于隧洞西側(cè)YK8+640～YK10+485段，與隧洞走向平行，平面距隧洞最小距離約 138 m～223 m，走向NE，傾向及傾角131°∠70°，延伸長度 1.85 km，發(fā)育于花崗巖體內(nèi)，表現(xiàn)為碎裂巖，斷裂帶同向節(jié)理密集發(fā)育，地形為溝谷。f13-1、f13-2根據(jù)其產(chǎn)狀特征、空間位置判斷，隸屬于F13伴生小斷層，其規(guī)模、影響范圍均小于F13，地質(zhì)成因、形成時間與F13一致。f13-1位于隧道左線ZK10+220-ZK10+370段平行并緊貼隧道輪廓線，走向NE，傾向及傾角300°∠75°，地表露頭長約75 m，寬度約 0.5 m～1.0 m，斷層表現(xiàn)為碎裂巖。f13-2與隧道走向平行，平面距隧洞最小距離約100 m～162 m，地質(zhì)調(diào)繪地表露頭斷裂，走向NE，傾向及傾角130°∠69°，地表露頭長約 50 m，寬度約 1.5 m～2.5 m，斷層表現(xiàn)為碎裂巖，地形為溝谷。

4 斷層對隧道工程的影響評價

對工程區(qū)斷層采用類似方法進行了綜合勘察，結(jié)合物探、鉆探等成果，根據(jù)斷層產(chǎn)狀、分布位置及與隧洞軸線平面關(guān)系，根據(jù)勘察結(jié)論，斷層對馬巒山隧道工程的影響分析評價如下：

(1)斷裂走向與隧道線位不相交、不平行(不在隧道工程范圍內(nèi))

F1在黃竹坑采石場西側(cè)通過，與坪鹽通道在K2+372(橋梁段)附近相交，走向北東，傾向北西，與隧洞不相交，距離隧道最近距離在 385 m以上，對隧道工程無影響。

(2)斷裂走向與隧道軸線成大角度相交

勘察區(qū)斷層F2～F12、伴生斷層f2-1、f2-2、f6-1、f8-1、f10-1、f11-1共計17條斷裂均屬此類情況，其與隧道線位夾角及傾角如表2所示。

斷層傾角與隧道軸線夾角統(tǒng)計 表2

從表2可看出，上述斷裂結(jié)構(gòu)面與隧道軸線夾角平均值大于60°，斷層傾角70°左右，斷層與擬建隧道關(guān)系具有“夾角大”、同時斷層斷裂面具有“傾角陡”的特點。對隧道工程而言，斷裂帶與隧道軸線夾角越大、斷層傾角越大，則在空間上(水平、垂直)斷裂帶對隧道工程圍巖影響范圍越小。上述斷裂對隧道線位平面影響范圍較小，但對斷裂與隧洞交叉段隧道圍巖級別影響大，結(jié)合其他試驗成果，建議斷裂帶隧道圍巖內(nèi)按Ⅳ～Ⅴ級圍巖考慮。

(3)斷裂走向與隧道軸線平行或成小角度

斷裂F13、f13-1、f13-2走向與隧道軸線接近平行。其中，F(xiàn)13傾向及傾角131°∠70°，延伸長度 1.85 km。f13-1傾向及傾角300°∠75°，地表露頭長約 100 m。f13-2與隧道走向平行，平面距隧洞最小距離約 100 m～162 m，傾向及傾角130°∠69°。F13主斷裂帶(包括伴生小斷裂f13-2)從隧道結(jié)構(gòu)下(路面標(biāo)高下大于 100 m)穿過，即對隧道線位穩(wěn)定影響較小。伴生小斷裂f13-1對該區(qū)段隧洞圍巖級別影響較大，該段隧道圍巖級別應(yīng)適當(dāng)降低。

5 結(jié)論與建議

(1)本次馬巒山隧道工程斷層的勘察，綜合運用了地質(zhì)調(diào)繪、工程物探、鉆探及孔內(nèi)成像技術(shù)，查清了與線路相關(guān)21條斷層空間分布情況，分析了其對擬建隧道工程的影響。通過勘察成果得出了“F13位于隧洞西側(cè)延伸長度 1.85 km，平面距隧洞最小距離約 138 m～223 m，走向NE，傾向及傾角131°∠70°，從隧道結(jié)構(gòu)下(路面標(biāo)高下大于 100 m)穿過”的勘察結(jié)論，取得了很好的效果。

(2)針對實際工程地質(zhì)條件，合理選用各種勘探手段和方法，并把各種手段方法有機地結(jié)合起來，對所取得的各項資料進行綜合分析，互相補充，互相驗證，提高勘察質(zhì)量和效率。應(yīng)用物探成果進行地質(zhì)分析來確定鉆孔位置，提出對鉆探的技術(shù)要求，再通過鉆探成果進行物探資料的再解釋，提高物探質(zhì)量。最后通過孔內(nèi)成像技術(shù)在鉆孔內(nèi)對斷層產(chǎn)狀進行最后定測，這種針對斷層的勘察技術(shù)“地質(zhì)調(diào)繪→工程物探→鉆探→孔內(nèi)成像”，在同類工程勘察中有較高推廣應(yīng)用意義。