综合测井、地应力测试等在隧道勘察中的应用

李 岩

（核工业华南工程勘察院，福建 龙岩 364000）

1 概述

隧道工程地质勘察多采用地质调查、钻探和物探等手段，对于特长深埋隧道为查明岩爆、洞室放射性剂量、温度等，尚需进行地应力测试和综合测井等，各种勘察方法的选择要根据隧道所处地形、地貌和地质条件确定，对于放射性强度值等离散性较大的参数需针对不同地质情况综合分析，以确定是铀矿化形成还是非铀矿化异常值，本文以文笔山隧道为工程实例介绍综合测井、地应力测试、物探音频大地电磁法（AMT)在隧道勘察中的应用。

文笔山隧道地处福建中部，为越岭隧道，长4675m，最大埋深640m。设计为双向六车道，路面宽度约33.5m，进、出口洞门形式为台阶式、削竹式、端墙式。完成钻孔2057.2/14，地质调绘2.60km2，隧道埋深较大，沿洞身及轴线二侧高压线分布，故选择测深较大的物探音频大地电磁法（AMT)，布设长度4675m，浅层地震折射法668m/8条；综合测井使用上海地学仪器研究所生产的JHQ-2D/DX综合数控测井系统；地应力测试采用水压至裂法。

2 自然地理概况

2.1 地形地貌

该隧址范围内属中低山地貌，地面高程600～1320m，地表为第四系残积土层覆盖。隧道进、出口处仅有乡村道路相通附近，交通条件差。

2.2 气象

测区地处沿海腹地山区，属中亚热带季风气候，年平均气温19.4℃，年平均降雨量1460～1580mm。

3 地层岩性

根据现场调查和钻探揭露，隧址区地表分布花岗岩类残积（Qel）砂质粘性土，厚约3.0～5.0m，洞身段下伏基岩为侏罗系长林组（J3c）砂岩、粉砂岩夹泥质砂岩、燕山晚期侵入花岗斑岩[γπ53(1)d]、加里东期侵入（γm3）混合花岗岩，其中混合花岗岩为洞身主要岩性，约占55%以上。地层岩性变化较大，地质条件极为复杂。

4 地质构造及地震

根据区域地质资料结合现场调查，隧区范围内发育一条F1断层构造，为一正断层，具张性断层性质，断层倾向158°，倾角约74°。与线路相交于K222+682处，交角约38°。断层附近视电阻率呈凹型分布，主要表现为断层带内岩体破碎，构造裂隙水发育，洞身在断层通过地段出现了物探低阻带。

5 水文地质条件

5.1 地表水

隧道范围内的地表水主要为洞身上部冲沟中溪水，受大气降水补给，雨季降水集中，补给强度大，以地表径流、下渗补给基岩裂隙水及蒸发的形式排泄。

5.2 地下水

地下水主要为基岩裂隙水及第四系孔隙潜水，第四系孔隙潜水水量贫乏，地下水主要以基岩裂隙水为主，主要赋存强风化及裂隙破碎带中，较完整中、微风化岩地下水弱发育；隧道洞身大部分处于中、微风化混合花岗岩层中；总体来看，隧区地下水弱发育；据综合测井及外业调查，在局部不同岩相接触带处或局部低阻带处岩性相对较为破碎，富水条件较好。

5.3 隧道涌水量估算

采用大气降水入渗法和地下水动力学法对隧道涌水量进行综合分析评价，以往此类计算均采用钻孔水文试验获得的入渗系数和岩土层渗透系数，对特长隧道钻孔数量有限，所取得的参数仅代表试验钻孔，其它大部份地段无参数，利用综合物探手段，对试验钻孔岩土层进行对比分析，依据视电阻率和波速细化出不同岩土层的水文地质参数，使隧道涌水量计算准确度大大提高。

5.3.1 降水入渗法

估算公式：

式中：Q——隧道正常涌水量，（m3/d）；

α——降水入渗系数，本隧道取0.2；

W——年降雨量（mm），三明地区年平均降雨量为1580mm；

A——地表集水面积，km2，根据分水岭取8.15 km2。

采用降水入渗法估算得：平常期期涌水量Q=7100m3/d；最大涌水量为Qmax=10650m3/d。

5.3.2 地下水动力学法（柯斯嘉科夫）

计算公式：

式中：Q——隧道平常期涌水量，m3/d；

K——含水层渗透系数，m/d；

H1——静止水位至隧道洞底之间的垂直距离，m；

H——含水层厚度，m；

R——影响半径，m；

r——隧洞宽度的一半；

B——隧道通过含水层长度，m。

根据隧道洞身地质条件分为15段，各段水文地质参数根据抽水试验、物探成果和经验综合取值，经计算平水期涌水量Q为21357m3/d，最大涌水量32036m3/d。

综合上述计算，建议单洞平常期涌水量取21357m3/d，雨季涌水量建议取值为32036m3/d；若考虑到双线同时掘进，则单洞涌水量为计算值的一半，即平常期涌水量建议取值为10678.5m3/d，雨季涌水量建议取值为16018m3/d。

上述隧道涌水量计算是基于含水岩层为均质体及地下水稳定流这一概念，但实际上裂隙含水层并非均质体，且隧道可能局部裂隙发育，施工中时常会出现洞内局部较大突发涌水。

6 不良地质与特殊岩土

6.1 花岗岩类残积土与风化层

花岗岩类常因节理发育、差异风化形成球状风化体（或孤石），对工程有一定影响；其残积层及风化层松散偏砂，在雨水作用下边坡易发生溜坍破坏，易产生水土流失等环境问题。

6.2 花岗岩类放射性

隧道选择洞身深孔进行孔内放射性测试，根据临近隧道放射性测试成果，隧址区花岗岩类地层自然放射性强度为29.8～78γ。根据《铁路工程不良地质勘察规程》(Tb10027-2012)，环境γ辐射照射对公众产生的有效剂量当量He，可用下式计算：He=Dr×K×t；其中实测环境地表γ辐射空气吸收剂量率Dγ=8.73×10-9Sv∕h，K=0.7Sv/Gy；

（1）工作时间按每年250工作日，每工作日8h，计2000h，则年效剂量为:He=8.73×10-9×78×0.7×2000=0.949（mSv）。

（2）工作时间按每年365工作日，每工作日8h，计2920h，则年效剂量为:He=8.73×10-9×78×0.7×2920=1.39（mSv）。

（3）工作时间按每年365工作日，每工作日24h，计8760h，则年效剂量为:He=8.73×10-9×78×0.7×8760=3.64（mSv）。

根据《铁路工程不良地质勘察规程》(Tb10027-2012)，He<5mSv属非限制区。隧道上部58.60～59.60m辐射强度达325.6γ，超过背景值10倍以上，该地段岩性为长石石英砂岩，按层理产状与隧道相交于洞身K219+970处，据福建铀矿成矿规律，我省已发现的铀矿化均在火成岩或侵入岩中，58.60～59.60m为灰白色长石石英砂岩，主要矿物成份中的长石也未见红化等铀矿化特征，故此判断，该地段为非铀矿化异常，本隧道可不做放射性防护，隧道弃渣一般可按正常情况进行堆放即可。

7 工程地质条件评价

7.1 隧道进出口工程地质评价

隧道进口自然斜坡坡度5°～15°，斜坡自然稳定性良好。进口仰坡体主要由残积层与全—强风化层构成，工程性质较差，仰坡稳定性较差，易溜坍、垮塌。建议加强边坡支护措施，并加截排水措施。

隧道出口自然斜坡坡度30°～42°，斜坡自然稳定性良好。进口仰坡体主要由残积层与全—强风化层构成，工程性质较差，仰坡稳定性较差，易溜坍、垮塌。在雨水作用下表层土体易发生溜坍破坏。建议加强边坡支护措施，并加截排水措施。

7.2 隧道洞身工程地质评价

该隧道属深埋特长隧道，地质条件复杂，仅靠钻探难以查明隧道洞身围岩地质情况及隧道施工过程的地质病害，根据隧道具体情况，沿轴线布设物探音频大地电磁法（AMT)测线一条，并在最大埋深段钻孔进行了地应力测试和物探综合测井，依据物探资料，隧道纵断面视电阻率等值线剖面见图1。

洞身工程地质评价：隧道洞身为侵入岩与沉积岩。根据本隧道埋深大、地层岩性复杂的特点，选用AMT、物探综合测井、地应力测试等综合勘察手段，对隧道洞身围岩级别进行定量计算，计算过程对参数的选择进行了详细的研究，洞身围岩的岩石抗压强度可由试验取得，埋深也比较直观，但BQ值计算中K1、K2、K3取值十分复杂，本文中对各种物探手段所取得的数据综合分析，给出了类似特长深埋隧道BQ计算过程参数取值的经验。

K1的取值，洞身每段地下水的涌水量在缺少钻孔的地段，以往仅凭经验取值，隧道施工深孔较小且多为非专项水文试验孔，地下水水位、渗透系数的测试受工艺及工期影响与实际误差较大，据我院以往长期放射性测井成果和国内放射性找水成功经验，基岩裂隙水涌水量与放射性气体含量为正相关，这是因为氡是铀的衰变子体，易溶于水，在地下水丰富的破碎带富集、运移，故在综合测井过程，地下水涌出段表现为伽马强度较大，本次测井孔深122.35～245.90mKV值0.15～0.34段放射性强度平均值30.50γ，KV大于0.55段平均值25.00γ。依据放射性找水经验，可推测KV值较小而放射性γ值大于较完整基岩平均值40%～50%时，地下水多呈涌流状出水，KV值大于0.55，放射性γ值近平均值时为淋雨状出水，K1值除参考以上所述，还应结合水文地质条件综合确定。

K2的取值对层理清晰的沉积岩地层较为容易，但对侵入岩较为复杂，侵入岩的裂隙产状变化大，主要的节理裂隙产状除了依据地表工程地质调查，也必须结合KV和综合测井成果进行分析，裂隙密集带产状均由区域地质作用控制，根据区内主应力方向和地形地貌及AMT、综合测井成果分析确定，本隧道统计出代表性节理产状分别为：240°∠73°、90°∠50°、220°∠60°、145°∠90°、325°∠37°，根据节理所代表的区间，K2取值分别为0.20和0.40。

K3取值，利用ZK3钻孔地应力测试成果见表1，对最大水平主应力SH、最小水平主应力Sh进行回归分析，建立基于测试数据的应力—深度回归方程式。在本次回归分析中，选择线性回归作为拟合函数，由此可得回归方程式如下：

表1 ZK3钻孔地应力测试成果

最大水平主应力：

最小水平主应力：

应力—深度回归分析见图2。

图2 应力—深度回归分析图

根据上述主应力与深度回归方程可得到文笔山隧道洞身段最大主应力分布图（见图3）。

图3 隧道洞身主应力分布曲线

岩石单轴饱和抗压强度取85MPa，因此可得到洞身段岩石强度应力比分布图（见图4）。

图4 隧道洞身内强度应力比分布曲线

经计算，隧道K220+055～K222+315强度应力比为4.34～7，属高应力区，依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）判别，轻微岩爆（Ⅰ级）。K3取值为0.5，其余段强度应力比均大于7，不属于高应力区，施工中不会发生岩爆，K3取零。

7.3 地温

根据钻孔ZK3综合测井成果，地温梯度为1.13℃/100m，属于正常地温梯度（不大于3℃/100m）。

根据以下地温公式进行隧道洞身地温估算：

计算公式：

式中：T——H深度处隧道原岩温度，℃；

H——隧道埋藏深度，m；

h——恒温层距地面的深度，m；

gr——地温梯度，℃/100m；

t——恒温层温度，℃。

本地区恒温层距地面深度取20m，恒温层温度取年平均气温19.4℃，地温梯度采用实测值1.13℃/100m，计算可得隧道洞身温度最高值为26.5℃。根据《公路隧道施工技术规范》（J TG F60-2009），隧道内温度不宜高于28℃，隧道洞身地温满足规范要求，不存在地热的影响。

7.4 隧道围岩分级

依据以上分析，确定BQ值计算所需各项参数据后，根据《公路工程地质勘察规范》（JTG C20-2011）与《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004），采用定性划分与定量相结合的方法对隧道洞身进行围岩分级，经开挖验证，隧道涌水量、洞身围岩等级划分与计算成果基本一致，放射性剂量小于He<5mSv，洞身温度最高值小于26.5℃。

8 结论

本文通过以上工程实例，详细论证了地应力测试、综合测井及物探音频大地电磁法（AMT)等在地质条件复杂的特长深埋隧道工程地质勘察过程中的应用，总结出如下经验，供类以工程借鉴：

（1）由于物探资料仅反映岩土层的视电阻率特征且具有多解性，必须结合钻孔揭示的岩性和孔内抽(注)水试验成果加以比对分析，找出不同岩土层对应的视电阻率才能准确绘制隧道纵断面图；

（2）特长深埋隧道不同应力等级埋深深度受岩体饱和抗压强度参数影响较大，同时分布有侵入岩和沉积岩的隧道，岩体较完整的花岗岩类地段应力赋存远高于同深度粉砂岩夹泥质砂岩，其变形破坏模式也有所不同，在隧道施工图设计时应加以区别；

（3）物探综合测井所取得的洞身温度、放射性强度应结合场地区域地质构造、矿床分布、成矿规律具体分析，做出正确判断。

（4）根据放射性强度变化、岩石破碎程度，可基本判断隧道主要含水层位置及涌水状态。