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隧道工程多種勘察技術(shù)方法研究

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隧道工程多種勘察技術(shù)方法研究

【摘要】目的是對(duì)隧道穿越段進(jìn)行巖土工程勘察,查明工作區(qū)范圍地層巖性、巖層產(chǎn)狀、構(gòu)造及不良地質(zhì)對(duì)隧道通過的影響程度,為隧道穿越工程初步設(shè)計(jì)提供所需的相關(guān)工程地質(zhì)依據(jù)和工程設(shè)計(jì)所需的巖土工程參數(shù)等。

【關(guān)鍵詞】巖溶;地質(zhì);隧道;巖土工程

1引言

某管道工程隧道位于山西省某縣境內(nèi),穿越段主要出露奧陶系-套碳酸鹽巖,地層穩(wěn)定,巖性變化較小,巖層具水平層理構(gòu)造,產(chǎn)狀平緩,巖層傾向多往南東及南西方向傾斜,局部因褶曲呈波狀微起伏,巖溶較發(fā)育,溶蝕形態(tài)主要為溶洞、溶溝、溶蝕裂隙及蜂窩狀溶孔等,一般為半充填,充填物為粉質(zhì)粘土及灰?guī)r碎石、塊石等,巖溶發(fā)育在很大程度上與構(gòu)造裂隙發(fā)育程度有關(guān)。

2主要任務(wù)及勘察技術(shù)手段

為完成隧道勘察任務(wù)本項(xiàng)目采用了多種勘察技術(shù)手段以探明隧址區(qū)工程地質(zhì)情況。

2.1主要任務(wù)

查明隧道通過地段的地層、巖性和褶皺、斷裂破碎帶、不良與災(zāi)害地質(zhì)(滑坡、崩塌、泥石流等)、特殊地質(zhì)(如巖溶、采空區(qū)等)情況。

2.2巖溶分析

溶洞與構(gòu)造的初步評(píng)價(jià):

2.2.1巖溶與巖性的關(guān)系

巖石成分、成層條件和組織結(jié)構(gòu)等直接影響巖溶的發(fā)育程度和速度。一般地說,質(zhì)純厚的巖層,巖溶發(fā)育強(qiáng)烈,且形態(tài)齊全,規(guī)模較大;含泥質(zhì)或其他雜質(zhì)的巖層,巖溶發(fā)育較弱。結(jié)晶顆粒粗大的巖石巖溶較為發(fā)育;結(jié)晶顆粒細(xì)小的巖石,巖溶發(fā)育較弱。隧址區(qū)共有七個(gè)地層,根據(jù)地表調(diào)查巖溶發(fā)育的地層為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r地層。

2.2.2巖溶與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系

溶洞與裂隙的關(guān)系:裂隙的發(fā)育程度和延伸方向通常決定了巖溶的發(fā)育程度和發(fā)展方向。在節(jié)理的交叉處和密集帶,巖溶最易發(fā)育,隧道進(jìn)口巖石節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體較破碎巖溶較發(fā)育,巖芯多見蜂窩狀溶蝕。與斷層的關(guān)系:沿?cái)嗔褞菐r溶顯著發(fā)育地段,常分布有漏斗、豎井、落水洞及溶洞、暗河等。往往在正斷層處巖溶較發(fā)育,逆斷層處巖溶發(fā)育較弱。隧址區(qū)發(fā)育-斷層,因斷層破碎帶影響,巖溶裂隙發(fā)育,巖芯多為碎塊狀,局部短柱狀。

2.2.3巖溶與地形關(guān)系

地形陡峻、巖石裸露的斜坡上,巖溶多呈溶溝、溶槽、石芽等地表形態(tài);地形平緩地帶,巖溶多以漏斗、豎井、落水洞、塌陷洼地、溶洞等形態(tài)為主?,F(xiàn)場地表調(diào)查可知,在地形陡峻山溝內(nèi)多見溶溝,有明顯水流痕跡,巖石表面有松散溶蝕風(fēng)化殘留物附著于巖體表面。

2.3勘察技術(shù)方法

本次巖土工程勘察采用的主要技術(shù)方法包括:

2.3.1資料收集、分析整理

收集分析區(qū)域地質(zhì)普查、區(qū)域水文地質(zhì)普查、有關(guān)重大工程的地質(zhì)勘察成果、氣象、水文、地震和地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃等資料,并進(jìn)行整理、分析。

2.3.2地面工程地質(zhì)測繪、鉆探

對(duì)隧道通過地段及其附近地區(qū)的地質(zhì)和水文地質(zhì)工程地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)查、測繪機(jī)鉆探。

2.3.3高頻大地電磁探測、聲波測試

采用高頻大地電磁測深法、選用EH-4型StrataGem電磁儀,主要查明松散層、基巖風(fēng)化層厚度和褶皺、斷層破碎帶、節(jié)理、裂隙密集帶等構(gòu)造、巖體破碎帶深度與厚度,以及礦山采空區(qū)的分布深度和高度等。采用單孔法,選用是重慶奔騰數(shù)控生產(chǎn)的WSD-2A數(shù)字聲波測試儀,在鉆孔內(nèi)測定巖體彈性縱波和橫波波速,現(xiàn)場測試巖塊彈性縱波和橫波波速,計(jì)算巖體的完整性指數(shù)。

3勘察手段應(yīng)用及地質(zhì)解譯

隧址區(qū)地貌屬低山丘陵地貌,地形起伏較大,局部為懸崖,地形陡峭,溝谷縱橫,切割深,從大的地貌上看隧址區(qū)南高北低,海拔高程790~1047m,相對(duì)高差257m。擬建隧道進(jìn)、出洞口位于山腳下溝谷處,地形相對(duì)平緩。

3.1鉆探及其成果

經(jīng)鉆探揭露及地表地質(zhì)調(diào)查,隧道穿越范圍主要出露奧陶系-套碳酸鹽巖地層,地表基巖露頭發(fā)育,現(xiàn)將場地各地層巖土層特征從上至下分述如下:

3.1.1第四系

①殘坡積碎石土:黃褐色,碎石約占60%,母巖成分為灰黑色灰?guī)r,角礫及泥質(zhì)充填,不均勻分布,該層零星分布于溝谷及山坡-帶,主要為懸崖頂部坡積灰?guī)r殘坡積而成。

3.1.2奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組

②中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r:灰色,灰黃色,細(xì)晶結(jié)構(gòu),薄-中厚層狀構(gòu)造,節(jié)理裂隙發(fā)育,局部含方解石細(xì)脈,偶見溶蝕小孔,巖石一般較完整,局部風(fēng)化破碎,巖石呈水平層理、產(chǎn)狀平緩,夾灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r,該層在地表分布于山頂一帶,厚度大于40m。

3.1.3奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組

③中風(fēng)化灰?guī)r:深灰色,薄~中厚層狀構(gòu)造,細(xì)晶結(jié)構(gòu),巖芯呈短柱及長柱狀,少部分巖芯呈碎塊狀,RQD值為極差-較好,層狀裂隙較發(fā)育,局部受構(gòu)造影響溶蝕發(fā)育,溶蝕空間被灰?guī)r碎屑及泥質(zhì)充填,該地層見于隧道進(jìn)洞口及中部鉆孔。該層在地表分布于山體北東坡及隧道進(jìn)口處山坡、溝谷一帶,厚度約60~80m。④中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r:深灰;薄-厚層狀構(gòu)造,細(xì)晶結(jié)構(gòu),巖芯呈短柱及長柱狀,少部分巖芯呈碎塊狀,RQD值極差-差,層狀裂隙較發(fā)育,溶蝕發(fā)育。地質(zhì)鉆探及高頻大地電磁探測在該層內(nèi)發(fā)現(xiàn)有-巖溶裂隙發(fā)育帶,巖溶發(fā)育帶內(nèi)溶蝕裂隙發(fā)育,巖芯破碎成碎塊狀,局部短柱狀,巖芯溶蝕現(xiàn)象明顯,塊狀、柱狀巖芯上有較多溶蝕孔洞,半充填或無充填,巖芯采取率較低,RQD值極差-差。該層見于中部鉆孔號(hào)孔。地表直徑2~4cm的溶孔較發(fā)育。該層地表主要分布于山體北東坡-帶,厚度60~100m。⑤中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r:灰色、灰黃色,中風(fēng)化薄~中厚層狀構(gòu)造,細(xì)-微晶結(jié)構(gòu),節(jié)理裂隙發(fā)育,該層分布山體北東坡及溝谷一帶,厚度10~20m。

3.2高頻大地電磁測深處理與解釋

EH-4野外采集的時(shí)間序列的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后,在現(xiàn)場進(jìn)行FFT變換,獲得電場和磁場虛實(shí)分量和相位數(shù)據(jù),對(duì)每一個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行編輯,舍掉畸變的頻點(diǎn),保留高質(zhì)量的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)。然后進(jìn)行一維BOSTICK反演和地形校正,在一維反演的基礎(chǔ)上,再進(jìn)行帶地形二維反演成像。最后使用surfer軟件繪制電阻率等值線圖。高頻大地電磁測深法勘探以地下介質(zhì)的電性差異為基礎(chǔ)。由于地下巖石成因環(huán)境不同,同時(shí)受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,從而在縱向和橫向上產(chǎn)生電阻率的變化;此外巖石的電阻率值還與地層結(jié)構(gòu)、成份、巖石顆粒的大小、密度以及地下水含量等因素有關(guān)。從而可根據(jù)反演斷面圖電性特征的分布情況,推斷解釋地下目標(biāo)體的埋深、形態(tài)及分布規(guī)律等。在斷面上,電阻率等值線密集帶或橫向斜率突變帶,說明在該處兩側(cè)存在不同地質(zhì)體,往往是不同電性地質(zhì)層的分界處或斷裂帶。推斷斷裂時(shí),低電阻顯示區(qū)范圍廣,視電阻率值過低,很可能為斷裂破碎嚴(yán)重區(qū)。在資料解釋時(shí),判別異常區(qū)主要是根據(jù)電阻率值變化及電阻率等值線的形態(tài)等綜合因素考慮的。根據(jù)隧道左線、中線和右線高頻大地電磁測深二維反演,可以看出電阻率異常形態(tài)較為復(fù)雜,發(fā)現(xiàn)斷層1條,并且?guī)缀醵嘉挥诜囱葙Y料上相對(duì)應(yīng)的位置處,說明異常沿走向是連續(xù)的,而且向深部也有一定程度的延伸。發(fā)現(xiàn)1條巖溶發(fā)育帶,電阻率很低,基本在100Ω•m以下,該隧道工程地質(zhì)條件較差。在中部內(nèi)有一明顯低阻異常帶,并向深部延伸約350m,電阻率值在50~350Ω•m,推斷為一斷層,傾角約60°。在斷層附近,巖溶裂隙較為發(fā)育,施工時(shí)應(yīng)引起注意。

3.3聲波測井資料解釋成果

3.3.1進(jìn)洞口測井資料解釋

從聲波測井及電阻率測井資料來看,測井波速背景值在2875~4050m/s之間,電阻率背景值在4370~6050Ω•m之間,總體巖石聲波與電阻率變化有-定幅度。在深度5.3~5.9m,聲波測井出現(xiàn)低速值,約為2600m/s左右,電阻率測井出現(xiàn)低阻值,約為3250Ω•m,推測為裂隙或溶蝕帶;在深度8.1~10.7m內(nèi)聲波測井出現(xiàn)低速值,約為2700m/s左右,電阻率測井出現(xiàn)低阻值,約為3870Ω•m,推測為裂隙或溶蝕帶;在深度14.0~15.1m內(nèi)聲波測井出現(xiàn)低速值,約為3320m/s左右,電阻率測井出現(xiàn)低阻值,約為4100Ω•m,推測為裂隙或溶蝕帶;在深度18.0m以下內(nèi)聲波測井及電阻率測井出現(xiàn)值往下的趨勢,聲波速度約為3700m/s左右,電阻率約為5350Ω•m,推測為裂隙或溶蝕帶。

3.3.2出洞口測井資料解釋

從聲波測井及電阻率測井曲線圖來看,測井波速背景值在3250~4200m/s之間,電阻率背景值在5850~6250Ω•m之間,總體巖石聲波與電阻率變化不大,巖石較完整。在深度4.4~5.2m,聲波測井出現(xiàn)相對(duì)低速值,約為3050m/s左右,電阻率測井出現(xiàn)低阻值,約為4200Ω•m,推測為裂隙或溶蝕帶。根據(jù)對(duì)物探數(shù)據(jù)分析,結(jié)合地質(zhì)調(diào)繪、鉆探成果,地面以下物理層大致可分為三層:第一層縱波波速為2125~2378m/s,結(jié)合地表調(diào)查及鉆探揭露,綜合解釋該層為第四系殘坡積碎石土層;第二層縱波波速為3030~4545m/s,結(jié)合已知結(jié)果,解釋為中風(fēng)化層,巖性主要灰?guī)r等;第三層縱波波速為3257~4426m/s,結(jié)合已知結(jié)果,解釋為微風(fēng)化層,巖性主要為灰?guī)r。通過本次高頻大地電磁探測及聲波測井成果顯示:(1)通過本次物探勘查,基本查明了指定剖面段地表下450m左右深度范圍內(nèi)的斷裂構(gòu)造及風(fēng)化帶(或物性界面)的起伏變化情況,總體結(jié)果較可靠。(2)在根據(jù)聲波及電阻率測井資料,進(jìn)口區(qū)域巖溶裂隙較發(fā)育。(3)通過高頻大地電磁探測,在中部范圍內(nèi)有一明顯低阻異常帶,并向深部延伸約350m,電阻率值在50~350Ω•m,推斷為-斷層,傾角約60°。另在中部范圍(斷層周圍)發(fā)現(xiàn)1條巖溶發(fā)育帶,電阻率很低,基本在100Ω•m以下,受斷層影響,巖溶裂隙較為發(fā)育,該段隧道工程地質(zhì)條件較差。

4結(jié)語

由于巖土的特性以及勘察目標(biāo)的不同,采用的勘探方式也應(yīng)不相同。尤其巖溶地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜采用多種勘察手段方法進(jìn)行綜合勘探,各勘探手段之間可以相互依靠、補(bǔ)充,比單一鉆探和地質(zhì)調(diào)查等更為全面和精確、便捷、經(jīng)濟(jì);鉆探雖然使用最為廣泛,但在進(jìn)行巖石勘察時(shí),應(yīng)從經(jīng)濟(jì)性出發(fā),避免盲目化和隨意化。

作者:梁金武 單位:湖南省輕工紡織設(shè)計(jì)院

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