云山隧道工程地質(zhì)綜合勘察

李宏濤

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

云山隧道是山西省和榆高速公路上的一座特長(zhǎng)隧道，隧址位于山西省左權(quán)縣城東北5 km處，橫穿太行山脈西翼的陽曲山東南延。設(shè)計(jì)為分離式隧道，右洞全長(zhǎng)11 377 m，底板最大埋深727.928 m，左洞全長(zhǎng)11 408 m，底板最大埋深742.67 m，左右線間距30～35 m。共設(shè)附屬工程斜井3處，豎井1處，累計(jì)長(zhǎng)3 820.248 m。由于隧址地處山勢(shì)陡峻、峰巒疊嶂、地層巖性多樣、地形地貌極為復(fù)雜的中山區(qū)，因此給工程地質(zhì)勘察工作帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。但勘察過程中因勢(shì)利導(dǎo)、因地制宜，通過綜合勘察手段，解決了一系列勘察難題，獲得了較為完整的地質(zhì)資料，為施工圖設(shè)計(jì)提供了必要的地質(zhì)依據(jù)。

1 綜合勘察手段

云山隧道勘察工作由點(diǎn)到面、由表及里、從定性到定量，利用地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆探、試驗(yàn)等多種勘察手段進(jìn)行綜合勘察，從而基本控制和揭示了圍巖工程地質(zhì)條件，為洞室圍巖等級(jí)劃分和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了必要的依據(jù)。

1.1 工程地質(zhì)調(diào)繪

隧道位于太行山西翼的構(gòu)造剝蝕侵蝕中山區(qū)，一方面隧址崇山峻嶺、溝壑縱橫、深谷斷壁發(fā)育，最大相對(duì)高差855.37 m，勘察工作十分艱難；另一方面隧址區(qū)植被非常發(fā)育，覆蓋層較厚，但較大溝谷斷壁基巖出露情況較好，作為天然地層剖面較完整清晰，在其斷面上巖體結(jié)構(gòu)及地質(zhì)構(gòu)造形跡明顯，局部段落地面地質(zhì)信息量豐富，地質(zhì)條件比較明朗。這就為工程地質(zhì)調(diào)繪手段的充分應(yīng)用提供了充足依據(jù)。

隧道初勘階段首先收集與隧址走廊有關(guān)的航、衛(wèi)片、1∶20萬《左權(quán)幅地質(zhì)圖》和工可階段地質(zhì)調(diào)繪資料，針對(duì)性地開展地質(zhì)遙感工作，初步了解隧址地形、地貌條件和巖土結(jié)構(gòu)特征，然后通過穿越與追索相結(jié)合的地質(zhì)調(diào)查手段，對(duì)隧址進(jìn)行1∶10 000工程地質(zhì)調(diào)繪，對(duì)不良地質(zhì)類型及規(guī)模進(jìn)行排查，充分發(fā)揮地質(zhì)選線的作用，對(duì)隧址進(jìn)行優(yōu)化；在隧址方案基本選定的基礎(chǔ)上，對(duì)隧址開展1∶2 000地質(zhì)調(diào)繪，采集地形地質(zhì)條件信息，并掌握其規(guī)律性，利用山高谷深、局部基巖出露情況較好、地質(zhì)構(gòu)造形跡明顯的特點(diǎn)，突出重點(diǎn)、抓住要害。在地質(zhì)調(diào)繪過程中，采取地面調(diào)查、斷層追溯、實(shí)測(cè)斷面、露頭拍照相結(jié)合的方法，充分利用了天然地質(zhì)斷面。詳勘階段按照工作深度要求，在收集初勘已有調(diào)繪資料基礎(chǔ)上，進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的1∶2 000補(bǔ)充工程地質(zhì)調(diào)繪，最大限度地利用自然條件進(jìn)行地質(zhì)資料的調(diào)查、采集、拍照，在隧道進(jìn)出口和適宜的地段進(jìn)行圍巖節(jié)理裂隙量測(cè)。

初、詳勘兩階段總計(jì)完成1∶10 000地質(zhì)調(diào)繪23 km2，1∶2 000 地質(zhì)填圖 6.8 km2，實(shí)測(cè)地層剖面8條，總長(zhǎng)1 323 m，對(duì)重要地質(zhì)節(jié)理裂隙點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)量測(cè)。通過充分的地質(zhì)調(diào)繪工作，對(duì)隧址區(qū)的地層巖性、地層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)、進(jìn)出口邊坡穩(wěn)定性和水文地質(zhì)條件有了清晰的認(rèn)識(shí)和了解。

地調(diào)查明隧址區(qū)位于呂梁-太行斷塊之次級(jí)構(gòu)造單元沁水塊坳東北邊緣的娘子關(guān)—坪頭坳緣翹起帶?？傮w表現(xiàn)為東翹西傾的單斜構(gòu)造，巖層走向北北東，傾角10°左右。地層出露有規(guī)律可循，自左權(quán)側(cè)洞口始至和順側(cè)洞口止，依次出露古生界奧陶系（O）、寒武系(∈)地層及元古界長(zhǎng)城系(Ch）地層。其巖性組合依次為碳酸鹽巖的石灰?guī)r、白云巖夾角礫狀、泥灰?guī)r巖體及灰質(zhì)、云質(zhì)、泥質(zhì)巖體；碎屑巖的泥頁巖、石英巖狀砂巖、長(zhǎng)石砂巖、石英砂巖夾鐵質(zhì)砂巖。前者占隧道圍巖的比例約為73%，軟硬巖的比例約為3∶7，后者約占27%，軟硬巖的比例約為4∶6。另外隧址地表發(fā)現(xiàn)溶洞，最大者直徑約3～3.5 m，預(yù)示隧道碳酸鹽巖圍巖范圍內(nèi)局部可能巖溶發(fā)育。

1.2 地球物理勘探

地球物理勘探是指利用地球物理的方法來探測(cè)地層、巖性、構(gòu)造等地質(zhì)問題，具有“透視性”、效率高、成本低以及可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原位巖土物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)，在工程勘察中日益得到重視和發(fā)展。但是各種物探方法都具有條件性和局限性，多數(shù)方法還存在多解性，因此正確選擇和運(yùn)用各種物探方法，進(jìn)行綜合物探，并與地質(zhì)調(diào)繪、鉆探資料作對(duì)比，才能獲得較好的地質(zhì)成果。

經(jīng)全面地質(zhì)調(diào)繪，云山隧道隧址地形復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造和巖溶發(fā)育，地層巖性種類多，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，因此物探勘察手段的使用非常有必要性。同時(shí)考慮到隧址地層巖性電性差異較大，并有足夠的分布厚度，具有明顯而且穩(wěn)定的電性標(biāo)志層，且場(chǎng)區(qū)受電磁干擾影響較小等特點(diǎn)，所以在詳勘階段對(duì)隧道左右線選擇采用EH-4高頻大地電磁測(cè)深法進(jìn)行了探測(cè)。EH-4高頻大地電磁測(cè)深法系統(tǒng)可以適用于各種不同的地質(zhì)條件和比較惡劣的野外環(huán)境，并能取得較好的工程效果。其使用天然磁場(chǎng)的頻率為10～100 kHz，相對(duì)大地電磁測(cè)深法、音頻電磁測(cè)深法的頻率較高，探測(cè)深度一般在地下1 km以內(nèi)；同時(shí)，較高的頻率使得高頻電磁測(cè)深法的抗干擾能力增強(qiáng)。

初勘階段云山隧道左線完成EH-4高頻大地電磁測(cè)測(cè)線長(zhǎng)度11 610 m，測(cè)點(diǎn)402個(gè)，檢查點(diǎn)12個(gè)，右線完成測(cè)線長(zhǎng)度11 530 m，測(cè)點(diǎn)391個(gè)，檢查點(diǎn)23個(gè)。另外對(duì)ZK2鉆孔做了彈性波速測(cè)試，測(cè)試深度155.4 m。通過上述物探手段，對(duì)判定隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、巖溶及水文地質(zhì)發(fā)育情況、巖石風(fēng)化殼厚度，調(diào)整隧道的埋深，進(jìn)行圍巖工程地質(zhì)分級(jí)，提供了基本地質(zhì)依據(jù)。

有關(guān)構(gòu)造的物探解釋成果是隧址區(qū)存在3處明顯的視電阻率突變現(xiàn)象，電阻率曲線密集變化較快，電阻率等值曲線呈現(xiàn)與隧道走向大角度交角，推測(cè)存在3處斷層破碎帶，F(xiàn)1、F2為正斷層，F(xiàn)3為逆斷層。由于地表覆蓋植被及坡積物，調(diào)查未發(fā)現(xiàn)斷裂痕跡。F1推測(cè)斷層與洞體相交于K46+020、ZK45+910處，與路線右前夾角分別為63°、64°，物探解釋電阻率等值曲線呈現(xiàn)與隧道大角度交角；F2推測(cè)斷層與洞體相交于K46+550、ZK45+580處，與路線右前夾角分別為136°、109°，物探解釋電阻率等值曲線呈現(xiàn)與隧道大角度交角；F3推測(cè)斷層與洞體相交于K46+765、ZK46+680處，與路線右前夾角均為42°。F1、F2、F3三條推測(cè)斷層均對(duì)隧道工程有影響，其物探解譯位置關(guān)系見圖1。

圖1 物探解譯斷層

有關(guān)不良地質(zhì)的物探解釋成果是在洞身K46+280—K47+130、ZK46+290—ZK47+040 為大面積低阻異常，解譯為巖溶陷落異常體，推測(cè)異常為大范圍巖溶富水區(qū)，且F1、F2組成的低阻區(qū)形態(tài)為“倒置的漏斗狀”的低阻。隧道圍巖有可能破碎、充水，施工時(shí)必須加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，采取防范措施。

1.3 地質(zhì)鉆探

鉆探是在隧道工程地質(zhì)勘察中最直觀的勘探方法，可以鑒別描述巖土層，巖土采取試樣，進(jìn)行原位測(cè)試或波速測(cè)試等。云山隧道鉆探工作主要在詳勘階段隧址確定以后大規(guī)模展開，本階段在初步勘察基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形地質(zhì)條件及水文地質(zhì)、工程地質(zhì)評(píng)價(jià)的要求進(jìn)行加密，勘探深度應(yīng)至隧道底板設(shè)計(jì)高程以下不小于5 m。遇巖溶、地下暗河等不良地質(zhì)時(shí)，鉆探深度應(yīng)至穩(wěn)定底板以下不小于8 m。洞深段鉆孔，在設(shè)計(jì)高程以上3～5倍洞徑范圍內(nèi)采取巖石試樣，同一地層中，巖石試樣的數(shù)量不宜少于6組；進(jìn)出口段鉆孔，分層采取巖、土試樣[1]。通過較為密集的鉆探，首先探明了全線深部地層情況，為室內(nèi)試驗(yàn)采取了大量的試樣，為原位測(cè)試提供了便利，為隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了保障，滿足了隧道設(shè)計(jì)的要求；其次驗(yàn)證了隧道的物探解譯異常區(qū)，也為隧道水文地質(zhì)試驗(yàn)、地下水位的判斷、量測(cè)、地下水試樣采取及鉆孔聲波測(cè)試創(chuàng)造了條件。其中一些深鉆孔設(shè)置為綜合利用孔，不僅了解了地層、構(gòu)造、巖溶、裂隙、地下水位等情況，還進(jìn)行了各種測(cè)試工作，以獲取更多的巖層參數(shù)，如物探測(cè)井、水文地質(zhì)試驗(yàn)、地應(yīng)力測(cè)試、地下水位長(zhǎng)期觀測(cè)等，每一項(xiàng)測(cè)試完成后都要保證鉆孔的完整性，以便下一項(xiàng)測(cè)試工作的順利進(jìn)行。

云山隧道初詳勘兩階段鉆探共使用XL-150、XL-200、Y3型鉆機(jī)6臺(tái)，以回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)為主，沖擊鉆進(jìn)為輔，共完成鉆孔16個(gè)，總進(jìn)尺3 919.7 m，包括4處斜豎井完成鉆孔4個(gè)，累計(jì)進(jìn)尺1 238 m，共采取巖石試樣763件。

1.4 試驗(yàn)

長(zhǎng)大隧道勘察中的試驗(yàn)手段是定量評(píng)價(jià)隧道圍巖的工程性質(zhì)不可或缺的。云山隧道勘察通過室內(nèi)試驗(yàn)、原位測(cè)試和水文地質(zhì)試驗(yàn)，獲取了一系列設(shè)計(jì)所需的巖土物理力學(xué)指標(biāo)，獲取了隧道圍巖分級(jí)指標(biāo)及進(jìn)出口地基容許承載力。

1.4.1 原位測(cè)試

根據(jù)云山隧道勘察的目的、巖土條件及測(cè)試方法的適用性，采用了重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，按深度對(duì)鉆探揭示的碎石土和泥灰?guī)r、頁巖等軟質(zhì)巖石及強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化的灰?guī)r、砂巖等硬質(zhì)巖石進(jìn)行了測(cè)試，根據(jù)修正后的錘擊數(shù)，確定碎石土的密實(shí)度和巖石的風(fēng)化界面。

1.4.2 室內(nèi)試驗(yàn)

云山隧道圍巖地層均為巖石，對(duì)鉆探采取的巖石試樣針對(duì)性地進(jìn)行單軸飽和抗壓強(qiáng)度、比重、密度、泊松比、彈性模量、彈性波速等室內(nèi)試驗(yàn)項(xiàng)目；采取地下水試樣，進(jìn)行水質(zhì)分析，評(píng)價(jià)水的腐蝕性。隧道各類圍巖物理力學(xué)性質(zhì)如表1。

表1 隧道圍巖物理力學(xué)指標(biāo)表

1.4.3 水文地質(zhì)試驗(yàn)

地下水的活動(dòng)和作用往往是形成隧道事故的主要因素，大量災(zāi)害性工程地質(zhì)事件的發(fā)生，大都是由于地下水作用觸發(fā)或誘發(fā)的。因此，地下水的勘察是隧道地質(zhì)勘察中的重要一環(huán)。

云山隧道水文地質(zhì)勘察方法主要包括水文地質(zhì)調(diào)查、物探資料的分析應(yīng)用及鉆探驗(yàn)證、水文地質(zhì)試驗(yàn)，同時(shí)利用類比的分析方法，對(duì)隧址區(qū)水文地質(zhì)條件進(jìn)行系統(tǒng)的分析評(píng)價(jià)。其中水文地質(zhì)試驗(yàn)是隧道地下水勘察最主要的方法和手段。調(diào)查及鉆探發(fā)現(xiàn)隧址區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，洞體圍巖按含水介質(zhì)主要分為巖溶裂隙水和碎屑巖裂隙水兩個(gè)含水巖組，且節(jié)理裂隙密集帶、巖溶裂隙發(fā)育處等易與地下水溝通，造成洞體坍塌、掉塊、涌水、突水等災(zāi)害。云山隧道水文地質(zhì)共布設(shè)3個(gè)水文試驗(yàn)綜合利用鉆孔，其中 SWZK1（ZK44+910右 5 m，深 120 m）、ZK2（K48+700左5 m，深240 m）位于碳酸鹽巖地層中，孔內(nèi)未見水位，水文測(cè)試進(jìn)行了孔內(nèi)注水試驗(yàn)；SWZK3（ZK53+610左5 m，深150 m）位于碎屑巖地層中，水位69.8 m，水文測(cè)試進(jìn)行了孔內(nèi)抽水試驗(yàn)。

通過水文地質(zhì)試驗(yàn)取得的寶貴參數(shù)，對(duì)隧道涌水量進(jìn)行了分段預(yù)測(cè)，左右洞含水段長(zhǎng)度分別為2 120 m、2 090 m，左右線最大涌水量分別為565 cm3/d、643 cm3/d，左右線正常涌水量分別為183 cm3/d、185 cm3/d。

2 工程地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)隧道綜合地質(zhì)勘察成果，在隧道圍巖3倍洞徑范圍內(nèi)，結(jié)合水文地質(zhì)條件、構(gòu)造特征、巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度、圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)等規(guī)范要求的因素及物探報(bào)告，隧道圍巖級(jí)別綜合評(píng)價(jià)為Ⅲ～Ⅴ級(jí)，左右洞圍巖級(jí)別長(zhǎng)度及比例詳細(xì)劃分如表2。

表2 圍巖級(jí)別詳細(xì)劃分比例表

云山隧道施工階段結(jié)合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，詳勘階段的工程地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)成果與施工實(shí)際揭示的圍巖情況整體吻合度很高，因圍巖級(jí)別降低或提高引起的施工正負(fù)變更數(shù)基本抵消，總體變更情況符合相關(guān)規(guī)定?？紤]到特長(zhǎng)隧道勘察的難度和局限性，本隧道綜合勘察成果經(jīng)受了施工考驗(yàn)和驗(yàn)證，為隧道的順利施工和按時(shí)貫通提供了堅(jiān)實(shí)的地質(zhì)保障，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

3 結(jié)語

在環(huán)保選線日趨受到重視的形勢(shì)下，高速公路特長(zhǎng)隧道不斷涌現(xiàn)，受復(fù)雜地形和茂密原始森林等條件限制，最直觀常用的鉆探手段實(shí)施難度越來越大，成本越來越高，工期越來越長(zhǎng)，不僅制約工程地質(zhì)勘察進(jìn)度，而且也無法取得既經(jīng)濟(jì)又科學(xué)的勘察成果。因此利用勘察高新技術(shù)和綜合勘察手段是長(zhǎng)大隧道今后勘察的必然選擇和趨勢(shì)。