地铁中复合测试方法测定断层分布的应用研究

沈秋华 赵燕

广东有色工程勘察设计院 广东 广州 510080

近20年来，我国地下工程发展十分迅猛，以隧道工程及地铁工程为的建设量最大，并在未来的国家战略发展中将保持较高的建设量[1-2]。同时，隧道、地铁等工程，在施工中需要穿越的地层复杂多变。特别是地铁施工，其作业面的顶部通常是城市建筑物，对沉降的要求较高，因此，要求施工作业时对掌子面前方的地层状况具有较为明确的认识，特别是遇到断层时，必须采用有效的施工措施，保证施工的顺利及安全。从而，为了保证地铁施工的安全顺利，提前了解掌子面前方是否存在断层等软弱地质体，是地铁施工前必要的保障措施。关于地铁前方掌子面地质体的确定方法，学者们开展了一系列的研究。其中，刘远程等[3]提出了TBM开挖的隧道中采用测尺、围岩回弹等综合判断围岩的方法。邓荣贵等[4]提出了采用围岩尾渣级配、注浆孔观测测试等方法判断前方围岩的稳定性。郭鹏文等[5]综合了地质条件及环境因素，依托氡气检测联合判定矿山中断层带的位置。黄超等[6]在研究川藏铁路哥断裂带中采用了氡气测量的方法，并得出氡气异常数值与断层构造活动有显著关系。学者们在研究地震断层中也采用了氡气检测的方法[7-9]，取得较为良好的使用效果。然而，当前针对氡气检测的断层的方法，大多采用的是较为单一的检测，而单纯依靠氡气检测不能较为完整地描述断层的信息。而对于采用以氡气检测为主的多手段联合测试方法的运用较为鲜见，特别是在氡气检测综合方法在地铁的断层确定尙存在欠缺。

本研究依托广州地铁十三号线官-象段断层专项勘察治理工程。采用以氡气检测为主、高密度电阻率测试及钻孔勘探等综合方法，综合确定和判断断层的方位、性质，从而为地铁的施工提供准确的段信息。

1 工程概况

1.1 项目概况

广州市轨道交通十三号线首期工程官湖站-象颈岭站区间起自官湖站，出官湖站后沿规划道路向东方向行进，穿越农田及石下村后至本工程终点站象颈岭站，见图1。该区间施工采用盾构法施工。根据前期勘察资料成果，官象区间可能受瘦狗岭断裂影响，瘦狗岭断裂或次一级断裂可能与轨道线路相交，揭露到岩石破碎擦痕，地层接触带等特殊地质现象，为了保证后续施工的安全与顺利，计划对该不确定性的断层带进行详细勘察及测试，查明该区段的断层位置、性质及稳定性。

图1 广州地铁十三号线官-象区间段示意图

1.2 场地工程地质概况

根据工程地质勘察及区域地质资料成果，场区内的地层大致可归纳划分为三个大类：

（1）第四系（Q）沉积土层

第四系包括全新统（Q4）和上更新统（Q3），其下缺失中更新统和下更新统。由人工填土层（Q4ml）、海陆交互沉积层（Q4mc）、冲洪积层（Q3al+pl）和残积土层（Qel）共4大层。

（2）第三系沉积岩地层（E）

莘庄村组（E1x）：下部为棕色或紫红色砾岩。砾石成分以花岗岩为主，呈次棱角状，大小混杂；上部为棕色砂砾岩、含砾砂岩、砂岩、或褐棕色泥质粉砂岩等。

（3）震旦系变质岩（Pz1）

主要为区域变质岩，包括混合花岗岩、混合岩、混合片麻岩、片麻状石英岩及变粒岩等。结构面间距50～100cm，局部比较密集，节理普遍呈闭合状、无充填，延展性差，裂隙率7～36%；裂隙走向10～30°为主。岩石坚硬，抗压强度一般大于60MPa。

1.3 地质构造条件

在区域构造上本区位于华南褶皱系粤中拗陷的中部，由广从断裂、瘦狗岭断裂、广三断裂构造的基本骨架内，自加里东构造阶段便开始活动，经历了海西～印支构造阶段、燕山构造阶段和喜马拉雅构造阶段。本区间内主要受瘦狗岭断裂的影响。其工程地质、水文地质条件与其所处的构造条件有关，区域稳定性与瘦狗岭断裂活动性关系较为密切。瘦狗岭断裂在早第四纪有过活动，晚第四纪以来断裂的活动不明显，近场区未来仍存在发生中强地震的可能性。

根据勘察及抗震规范[10]，场地抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，场地地震设计分组为第一组，特征周期为0.35～0.45。本场地划分为抗震不利地段。

2 断层综合确定方法

2.1 断层土体氡气检测原理

土壤氡气测量和其它放射性测量一样都是利用岩石中天然放射性元素含量差异，解决地质问题的一类物探方法。由于含有放射性元素的地下水从深部以地质构造为通道向地表运动，或者放射性气体沿断裂和裂隙向地表扩散迁移，因此在地质构造及不同岩层的接触带上形成氡的异常。本次利用氡气体浓度测量的方法确定断层的位置，采用FD-3017RaA型氡气浓度测试仪。此次勘察，在断裂带范围附近共布置了3条测线，共28个测点。

2.2 高密度电法检测原理

根据2.1中土壤氡浓度测试成果，为进一步查明构造带的性质及范围，采用高密度电法推断断裂带范围。高密度电法物探测试，可通过测试过程中出现的低电阻率异常，可反映不良地质体的存在，电阻率突变异常则反映了电性层的突变，可能是断裂破碎带；而高电阻率等值线，称“高电阻率异常”，反映了区中地层的较稳定区域。高密度电法在测试中地表丰富的水系对测试结果的影响很大，本次勘察布置了3条测线，每条测线长115m，线距为50 m，点距5m，共98个测点。三条测线命名分别为50测线、100测线及150测线。采用WDJD-1型浅层地震仪、WDJB-1型数控集流激电仪以及WMZ-03型温度指示仪进行物探测试。

2.3 工程钻探断层构造特征

为了进一步查明断裂构造带的发育范围、特征以及对本区间轨道交通线路的影响，在物探揭露的断裂构造带走向及隧道走向附近增加勘探孔进行钻孔验证。当在钻孔中揭露到断层的迹象时，则在离前一钻孔2m的位置继续钻探，直至能确定断层破碎带的位置、宽度及厚度为止，钻孔深度以钻穿断裂构造带后进入中风化岩层3～5m。本次区间补勘共增加并完成钻孔17个。

3 综合确定方法的成果分析

3.1 氡气浓度测试结果及分析

由图2可见，氡浓度异常曲线可以看出，该检测区域的氡气浓度正常值为265Bq/m3，即图中虚线所示浓度值。测试范围内的绝大多数测点表现出高于正常值的水平，其中，1号测线主要异常范围出现于2-5号点之间，异常一般明显，峰背比为2.55，较好的显示了异常位置。2号测线异常范围主要分布在2-4号点位置，异常比较明显，峰背比为5.09，显示出了较强的异常，同时在8-10号点出现了明显次异常峰值，峰背比为4.36。3号测线异常范围出现在3-6号点，峰背比为2.55，显示了较强的异常形态，但尾部8号点异常全区最高，峰背比达到了6.55。由各测线的异常形态，结合官-象区间钻孔的资料作以下综合推断，3条测线中南段较完整异常形态部位相连，该方向推断为断层破碎带或接触带走向，约为NW100°～NW115°。

图2 3条测线氡气浓度测试成果特征分布

3.2 氡气浓度测试结果及分析

为了便于论述，本次仅对50测线及100 测线进行分析。本测区视电阻率值在0.3至3040Ω·m，一般出现值为10至200Ω·m。由于本区的地下水非常丰富，以致土层含水而使得测深时整个场地的地下电阻率普遍偏低，在划分基岩面和对不良地质体分析时，采用相对值结合已知钻孔资料进行划分。剖面中电阻率等值线突变点和较低值点是剖面的异常点,电阻率等值线出现突然的下陷或上升，出现密集的线条集，电阻率低值线称“低电阻率异常”，低电阻率异常点反映了不良地质体的存在，电阻率突变异常反映了电性层的突变,可能是断裂破碎带；而高电阻率等值线，称“高电阻率异常”，反映了区中地层的较稳定区域。

图3是第50线电阻率拟断面图，由图可知，本剖面电阻率最大值为222.3Ω·m，最小值0.3Ω·m，平均值为25Ω·m，总体偏小。以平均值作为背景值，不大于5Ω·m的等值线包含成分划为低电阻率异常。低电阻率异常区为两个大块与一条突变异常带：水平位置140-200 m处，深度自-30m至地面；水平位置265-290m，深度自-42m至-5m，均以鲜绿色部分显示；异常带位置位于260 m处。水平位置140-200m段推断为岩面上发育的软弱层：淤泥或淤泥质土、易液化砂（或砂土）层，含水非常丰富。

图3 第50线电阻率拟断面图

第二个异常体推断为断层边上的破碎带，含有孔隙度大、含水丰富的破碎的砾岩。 在260 m处由南往北电阻率从一个较高值突变成较小值，突变处产状陡立，电性层发生了突变，低、高两种视电阻率异常出现的反映了局部地段的导电性不均匀，引起视电阻率的不均匀。与已知钻孔相结合，推断260m为一断层界线，在突变处分成上下两盘。据钻孔入岩深度估算，所对应的岩层或岩体在本剖面所反映的视电阻率大于10。推断出岩面深度，见图4。

图4 第50线岩面及断层推断图

高密度电阻率测深法推断测区内共有一条断层，断层区域岩性破碎较严重；岩面上发育有较厚的淤泥或淤泥质土、易液化砂（或砂土）等含水丰富的不良地质体。

3.3 工程钻探成果及分析

此次勘察钻孔揭示的构造带有具体的迹象，主要的地质特征有地层的不连续、断层泥的存在、地层及岩体的破碎、构造糜棱岩、擦痕等等。主要表现为以下特征：

（1）地层的不连续，断层面明显：震旦系混合岩、混合花岗岩的分布不连续，与第三系砂砾岩、砾岩之间有十分明显的接触面

（2）构造糜棱岩或构造破碎带:勘察揭露出接触带附近的第三系砂砾岩、砾岩较周边其他钻孔揭露的岩石破碎，且局部临近接触带上部的砂砾岩、砾岩中的砾石有压扭痕迹，且岩块中的砾石磨圆度差，多见棱角状。

（3）岩石的薄片鉴定表明有受构造挤压的迹象：官-象区间岩矿鉴定结果显示，其原岩结构中的矿物组份几乎已被碾成碎粉状的糜棱组份。而钻孔采取的岩芯局部也依稀可见压扭痕迹，见图5。

图5 钻探岩块压扭痕迹

综合该阶段钻探成果，在勘察区段内，地层的不连续、断层面及擦痕、断层泥的存在、岩石破碎、岩体裂隙发育、揭露构造糜棱岩等等都证明了断裂带穿过十三号线一期工程官-象区间。而结合区域地质资料显示，该断裂带即为瘦狗岭断裂带或其次生断裂。

4 结论

通过对广州地铁十三号管-象区段的综合勘察，采用了以氡气检测为主，高密度电测法及工程钻探相结合的方法，查明了的该区间内该可疑断层的位置、产状、范围及岩性。该可疑断层即为瘦狗岭断裂带或其次生断裂，隧道穿越该地层时，由于岩层破碎，且岩性软硬混杂，在掘进过程中注意刀片的更换使用。该检测方法对地铁顺利穿越该破碎带提供较为准确的地层信息。该方法在工程中的应用实践表明其可行性及有效性，对相似工程具有有益的借鉴及参考意义。