論復(fù)雜地質(zhì)條件下長大隧道的綜合勘察技術(shù)

謝勇謀

摘 ?要：復(fù)雜地質(zhì)條件下長大隧道的勘察工作是設(shè)計階段的重點和難點，應(yīng)當(dāng)采用綜合的勘察技術(shù)手段，包括遙感、地質(zhì)調(diào)查測繪、物探、鉆探、各項試驗及測試、關(guān)鍵問題專項研究等，查明隧道的主要工程地質(zhì)條件，并通過綜合分析，做出合理的工程地質(zhì)評價，為設(shè)計及施工提供科學(xué)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：隧道;綜合勘察;遙感;地質(zhì)調(diào)查測繪;物探

中圖分類號：U452.1+1 ? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）22-0154-03

Abstract： The investigation of long and large tunnels under complex geological conditions is the key and difficult point in the design stage， where comprehensive survey techniques should be adopted， including remote sensing， geological survey and mapping， geophysical exploration， drilling， various experiments and tests， and special research on key problems， so as to find out the main engineering geological conditions of the tunnel. Through comprehensive analysis， it is supposed to make a reasonable engineering geological evaluation， so as to provide scientific guidance for the design and construction.

Keywords： tunnel; comprehensive survey; remote sensing; geological survey and mapping; geophysical prospecting

1 概述

深埋長大隧道往往是工程建設(shè)中的重要控制性工程，尤其對于復(fù)雜地質(zhì)條件下的深埋長大隧道更是如此。

在深埋長大隧道的施工中，往往可能面臨巖爆、大變形、高壓涌突水、高地溫、放射性及有害氣體、破碎圍巖的大塌方等，對施工存在巨大的安全隱患，因此，在設(shè)計階段詳細(xì)查明隧道工程地質(zhì)條件，為科學(xué)設(shè)計及施工提供可靠基礎(chǔ)資料，是整個隧道建設(shè)中極其重要的一環(huán)。但深埋長大隧道一般處于地形及地質(zhì)復(fù)雜區(qū)，穿越的地層巖性多樣、構(gòu)造形態(tài)復(fù)雜、地質(zhì)作用強烈，要詳細(xì)查明隧道工程地質(zhì)條件往往極其困難。單一的勘探手段無法達到目的，只能采取遙感、地質(zhì)調(diào)查測繪、物探、鉆探、測試及試驗等多種手段綜合運用、相互補充、相互驗證并進行綜合分析的綜合勘察方法，才能在合理的勘察成本及勘察周期內(nèi)達到查明隧道工程地質(zhì)條件的目的。

2 綜合勘察方法概述

2.1 遙感

遙感技術(shù)在隧道工程中較廣泛的應(yīng)用主要開始于上世紀(jì)70年代的鐵路建設(shè)，如1976年京廣線南嶺隧道（長6.06km）、1984年大秦線軍都山隧道（長8.46km）、1986年京廣線大瑤山隧道（長14.295km）、2000年渝懷線金洞隧道（長9.105km）等[1]，主要是在收集區(qū)域地質(zhì)圖及報告的基礎(chǔ)上，通過小比例的衛(wèi)片并適當(dāng)結(jié)合航片進行遙感判釋，可直觀了解隧址區(qū)地形地貌、區(qū)域性斷裂、典型褶皺、大型不良地質(zhì)體、植被分布發(fā)育情況等。并可將判釋圖轉(zhuǎn)繪編制成1：1萬工程地質(zhì)預(yù)判圖，以指導(dǎo)地質(zhì)測繪工作。

在遙感判釋中，應(yīng)當(dāng)遵循先宏觀再微觀，先整體再局部的原則，即應(yīng)先以衛(wèi)片進行宏觀把握，再以航片進行細(xì)節(jié)研判。先進行小比例的衛(wèi)片進行宏觀分析，再以大比例尺的航片進行細(xì)節(jié)判釋。同時應(yīng)注意針對不同的判釋對象，應(yīng)選擇不同的遙感手段。對于區(qū)域性大斷裂及地層的粗略劃分，可采用衛(wèi)片結(jié)合小比例尺航片進行判釋;中等規(guī)模的斷層和大型不良地質(zhì)體，可采用小比例尺航片進行判釋;小型斷層、長大張性節(jié)理、小型不良地質(zhì)體，則應(yīng)采用大比例尺航片進行判釋。同時，應(yīng)通過判釋成果與實地對比驗證，確定工作區(qū)的各地質(zhì)判釋標(biāo)志，才能增加判釋成果的可靠性。

隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，高精度衛(wèi)星影像技術(shù)、航測技術(shù)等在近年來取得了長足進度，遙感影像三維可視化技術(shù)在部分隧道勘察中開始嘗試。三維可視化技術(shù)是GIS與虛擬現(xiàn)實技術(shù)、遙感技術(shù)相結(jié)合，疊加數(shù)字高程模型（DEM）、正射遙感影像（DOM）及線路方案、工程地質(zhì)信息，實現(xiàn)地表工程地質(zhì)信息的三維可視化，可以立體、直觀展現(xiàn)線路地理環(huán)境和不良地質(zhì)現(xiàn)象。該技術(shù)在向莆鐵路的多個長大隧道工程中得到了應(yīng)用[2]，在地貌特征、斷裂構(gòu)造、不良地質(zhì)等方面的解譯中效果突出。

2.2 地質(zhì)調(diào)查測繪

地質(zhì)調(diào)查測繪是隧道勘察的重要基礎(chǔ)性工作，它應(yīng)該在前期區(qū)域地質(zhì)資料收集、遙感判釋工作的指導(dǎo)下開展，并應(yīng)當(dāng)為后續(xù)勘探工作的開展提供重要指導(dǎo)。

地面調(diào)繪應(yīng)重點查明場區(qū)地形地貌，地層巖性，褶皺的類型、規(guī)模、形態(tài)特征，斷裂的位置、類型、規(guī)模、產(chǎn)狀及其工程特性，地表水體、溪溝河流、煤層、采空區(qū)等的分布情況，進出口斜坡的植被、不良地質(zhì)發(fā)育情況及坡體穩(wěn)定性，在代表性巖石露頭進行節(jié)理裂隙統(tǒng)計等。

實際上，隨著遙感影像獲取的便利性不斷提高，無人機拍攝技術(shù)的不斷普及，地面調(diào)繪工作與遙感技術(shù)工作結(jié)合越來越緊密，二者在地面測繪工作中往往互相穿插，相互配合，相互印證，密不可分。

2.3 物探

工程物探相較于鉆探，其明顯的優(yōu)點是工作場地條件要求低、周期短、耗資小。隧道物探勘察方法主要有：淺層地震、高密度電法、可控源音頻大地電磁測深法，另外對于斷裂構(gòu)造的判釋，還可以輔助采用土壤氡濃度測量。

淺層地震勘探是利用地震波在不同巖、土中傳播的特征，以探測淺部地質(zhì)構(gòu)造、測定巖土物理力學(xué)參數(shù)等的地球物理勘探。常用的方法有反射波法、折射波法，以及一些特殊技術(shù)，如瑞利波勘探、常時微動觀測技術(shù)等。

高密度電法勘探實際上是集中了電剖面法和電測深法，其原理與普通電阻率法相同，所不同的是在觀測中設(shè)置了高密度的觀測點，是一種陣列勘探方法。

可控源音頻大地電磁測深法是通過采集天然電磁場和人工建立的可控電磁場系統(tǒng)，在一定距離的遠場區(qū)進行觀測，繪制測區(qū)內(nèi)視電阻率等值線圖，結(jié)合測區(qū)地質(zhì)（包括測區(qū)地層巖性、構(gòu)造）情況進行分析計算目的體的范圍和深度，判斷目的體的性質(zhì)及形態(tài)，以達到勘測地下目的體的一種較為特殊的勘探方法，其勘探深度可達上千米。

淺層地震及高密度電阻率法主要用來探明隧道進出口淺埋段圍巖的構(gòu)造發(fā)育情況、含水情況、及覆蓋層厚度、覆蓋層大致分層等。大地電磁測深法則主要用來探測深埋長大隧道整條隧道的巖層分布、斷層和構(gòu)造破碎帶位置及延伸情況等。

土壤氡濃度測量，是基于斷裂破碎帶中氡的濃度一般遠高于完整基巖中氡的濃度，通過實測繪制各測點的濃度等值線圖，并結(jié)合物探解譯成果，可較好地判釋斷裂的位置及延伸情況。

2.4 鉆探

對于復(fù)雜地質(zhì)條件下長大隧道的勘察，鉆探工作往往代價大，周期長，但其作用也極為重要。鉆探工作應(yīng)當(dāng)在遙感、調(diào)繪、物探的指導(dǎo)下布設(shè)，不僅僅是對前期各工作成果的驗證，還承擔(dān)著重要的取樣測試任務(wù)，包括綜合測井、地應(yīng)力測試、瓦斯測試、水文試驗等。

鉆探工作應(yīng)主要布設(shè)在如下地段：地層分界線、斷層、物探異常點、儲水構(gòu)造或地下水發(fā)育地段;高地應(yīng)力區(qū)可能產(chǎn)生巖爆或大變形的地段;特殊性巖土或可能產(chǎn)生嚴(yán)重施工病害的地段; 煤系地層、巖溶發(fā)育的地段;進出口存在穩(wěn)定性問題的地段等。

近一二十年來，應(yīng)該說，隧道鉆探技術(shù)并未取得大的突破，鉆探原理、設(shè)備及主要工藝等并未有大的發(fā)展，僅在深孔鉆探中的部分工藝有一定改進，比如繩索取芯技術(shù)，較明顯地提升了整個鉆探進度。另外在漿液護壁上可能有一些新的材料開始應(yīng)用。但總體上，鉆探設(shè)備依然笨重，鉆進速度依然較慢，對于越嶺深埋長大隧道，在山嶺斜坡地段實施深孔雖然重要，但往往修路搬運設(shè)備等輔助工作量太大，鉆探總體進度較慢，周期較長。如我院約十年前完成勘察設(shè)計的雅西高速長度約10km的泥巴山隧道，最大埋深約1660m，實施大于1300m的深孔鉆探兩個，修筑能運送大型鉆探設(shè)備的便道總長達三十公里，最深的鉆孔歷時1年5個月才完成，該隧道的鉆探投入可謂巨大。而我院于幾年前完成勘察設(shè)計的另外一座省道303線上的巴朗山隧道，長約8km，最大埋深約880m，由于深埋段隧道軸線地段基本上均為懸崖峭壁，海拔多在4400m以上，長年冰雪覆蓋，空氣稀薄，寒冷異常，夜間溫度可達-20°C以下，大型鉆探設(shè)備根本無法到位，也無條件進行正常鉆探施作。我院在對隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征詳細(xì)調(diào)繪研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)隧道軸線所穿越的各緊密褶皺呈彼此平行排列而與隧道軸線大角度相交這一重要特點，分別在距隧道軸線兩側(cè)平距約235～850m的交通相對便利地段布設(shè)深孔多個，孔深鉆至隧道設(shè)計標(biāo)高以下，并在不同鉆孔分別進行水文地質(zhì)試驗、綜合測井、地應(yīng)力測試等，對不同地層不同巖性采取巖樣進行抗壓、變形等試驗。并采用地質(zhì)投影作圖法，將鉆孔中揭露的地層情況反映到地質(zhì)縱斷面上。通過這種創(chuàng)新型的鉆探布設(shè)方案，并通過資料的綜合分析利用，既達到了勘察目的，又節(jié)約了勘察投入，減短了勘察周期。

2.5 試驗與測試

鉆探不僅需要用來查明勘探點處的地層巖性及構(gòu)造，還承擔(dān)著大量的試驗與測試任務(wù)。需要采取巖、土樣來進行各項土工及巖石試驗;在鉆孔中采取地下水樣進行水質(zhì)分析;對鉆孔內(nèi)巖體進行波速測試，并采取巖樣進行巖塊波速測試;當(dāng)巖芯采集困難或鉆探難以判明孔內(nèi)地質(zhì)情況時，進行孔內(nèi)綜合物探測井;在代表性鉆孔中進行水壓致裂法地應(yīng)力測試;對有害氣體或放射性礦體進行相關(guān)測試;在鉆孔中進行水文觀測及水文地質(zhì)測試;高寒地區(qū)或深埋隧道在鉆孔中進行地溫測試等。

2.6 專項研究

對于復(fù)雜地質(zhì)區(qū)的長大隧道，往往在施工中可能面臨多方面的復(fù)雜地質(zhì)病害問題，有些問題帶有特殊的專業(yè)性，對于這些極復(fù)雜或具特殊專業(yè)性的隧道施工地質(zhì)問題，隧道的主體勘察設(shè)計單位常對這些問題設(shè)置專項研究課題，由自己或委托給其它更具優(yōu)勢的專業(yè)單位完成。比如：復(fù)雜構(gòu)造區(qū)的隧道場地構(gòu)造分布發(fā)育特征，常設(shè)置專項研究課題委托給地質(zhì)院校完成;深埋長大隧道的巖爆、大變形問題，常設(shè)置專項研究課題委托給相關(guān)科研院校完成;巖溶區(qū)的巖溶分布發(fā)育規(guī)律及涌突水問題，常設(shè)置專項研究課題委托給相關(guān)水文地質(zhì)單位或科研院校完成;煤礦采空區(qū)問題及煤系地層瓦斯或其它有害氣體問題，常設(shè)置專項研究課題委托給相關(guān)煤田地質(zhì)單位或煤炭科研院所完成。

3 結(jié)束語

（1）對于地質(zhì)條件十分復(fù)雜的深埋長大隧道，采用遙感、地質(zhì)調(diào)查測繪、物探、鉆探、測試及試驗等多種手段進行綜合勘察，并針對復(fù)雜問題進行專項研究解決，是盡最大可能查明復(fù)雜地質(zhì)區(qū)長大隧道工程地質(zhì)條件的必要而可行的思路。

（2）由于地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，要想準(zhǔn)確獲取地下數(shù)百米甚至上千米復(fù)雜地質(zhì)體的各項工程地質(zhì)特征，往往花費巨大勘探成本但效果并不理想，因此，我們不僅需要在如何有效提高我們的綜合勘察手段上思考，還需要對現(xiàn)行的隧道工程勘察設(shè)計思路進行思考，以更好地指導(dǎo)我們勘察工作的技術(shù)路線，抓住主要矛盾，解決主要工程地質(zhì)問題，而不是全部工程地質(zhì)問題，在合理的勘探工作條件下取得滿足當(dāng)前設(shè)計階段要求的地質(zhì)基礎(chǔ)資料。

（3）隧道勘察中深孔鉆探不僅是對前期地質(zhì)測繪、物

探等工作的必要驗證，還承載著重要的試驗與測試任務(wù)，非常重要，但往往代價大，周期長，如布設(shè)或利用不當(dāng)，也可能并不能帶來與投入相應(yīng)的有用成果，長大隧道深孔布設(shè)的工作量多少合適，現(xiàn)行相關(guān)隧道勘察規(guī)范并未明確，在隧道的勘察實踐中如何把握，是一個值得思考的問題。

（4）大量的隧道勘察設(shè)計及施工實例告訴我們，由于勘察手段與勘探工作量的制約，對于地質(zhì)條件復(fù)雜的深埋長大隧道，勘察成果要想與實際開挖揭示完全一致，基本上是不可能做到的，因此，在施工階段應(yīng)加強施工地質(zhì)工作，以設(shè)計階段的地質(zhì)勘察成果為基本依據(jù)，加強超前地質(zhì)預(yù)報與開挖后圍巖的實時判識工作，及時優(yōu)化設(shè)計，才能使得隧道設(shè)計更具針對性，更加有利于科學(xué)設(shè)計、科學(xué)施工。

參考文獻：

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