鐵路隧道工程地質(zhì)勘察及工程地質(zhì)環(huán)境

張 志 遠(yuǎn)

(山西省地勘局二一四地質(zhì)隊(duì)，山西 運(yùn)城 044000)

鐵路隧道工程地質(zhì)勘察及工程地質(zhì)環(huán)境

張 志 遠(yuǎn)

(山西省地勘局二一四地質(zhì)隊(duì)，山西 運(yùn)城 044000)

通過采用地質(zhì)勘察方法對隧道區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境予以全面系統(tǒng)的分析研究，探討了監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)收斂變形情況，并對隧道工程進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，為復(fù)雜地質(zhì)條件的鐵路隧道工程地質(zhì)勘察提供一些參考依據(jù)。

鐵路隧道工程，勘察，地質(zhì)環(huán)境

鐵路隧道工程在鐵路勘察設(shè)計(jì)中是影響鐵路方案選擇的關(guān)鍵不利地質(zhì)因素，該工程巖土介質(zhì)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)等因素不但影響工程地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模與災(zāi)害發(fā)生頻率，還會影響隧址地區(qū)的地面穩(wěn)定性、山體穩(wěn)定性、深部穩(wěn)定性以及圍巖穩(wěn)定性。因此，為了隧道工程穩(wěn)定性與施工安全的保障，必須憑借地質(zhì)環(huán)境因素進(jìn)行全面且深入的探討，通過對隧道工程進(jìn)行地質(zhì)勘察，分析其勘察結(jié)果，加強(qiáng)鐵路工程的穩(wěn)定性，提高鐵路修建的質(zhì)量。

1 關(guān)于隧道工程地質(zhì)的勘察方式

為了準(zhǔn)確掌握隧道區(qū)工程地質(zhì)特點(diǎn)、水文地質(zhì)環(huán)境、不良地質(zhì)情況，對圍巖狀況進(jìn)行級別分段，為隧道工程的建設(shè)與設(shè)計(jì)提供科學(xué)的工程地質(zhì)資料與合理有效的處理方案，地質(zhì)勘察基于遙感判釋運(yùn)用了隧道工程地質(zhì)調(diào)繪、地質(zhì)鉆探、高密度電物探法、地震勘探與鉆孔超聲波檢測、抽水與壓水試驗(yàn)、瓦斯檢測等多種方式予以綜合勘察。

1.1 隧道工程地質(zhì)調(diào)繪

地質(zhì)調(diào)繪的方法主要包括追索法與路線穿越法，對工程整個地質(zhì)單元與隧道區(qū)兩部分控制地質(zhì)體與不良地質(zhì)。與以往的方法進(jìn)行比較，打破了調(diào)繪范圍的限制，讓調(diào)繪內(nèi)容更細(xì)致、更準(zhǔn)確。通過調(diào)繪方式，能夠查明巖堆、危巖、軟土、瓦斯、地下水等不良地質(zhì)的分布情況，尤其是在隧道中部發(fā)育的巖溶管道水水流方向。隧道工程的地質(zhì)調(diào)繪為下一步工作的實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 地質(zhì)鉆探

由于隧道區(qū)域地層與巖性變化的多樣性，進(jìn)行地質(zhì)鉆探時需要布置多個鉆孔，加大鉆孔分布范圍。鉆探方式主要是采用金剛石或合金鉆進(jìn)，一部分煤系地層地帶的巖石粉碎，采用的是無水反循環(huán)鉆進(jìn)工藝。鉆孔的深度除有特殊要求的鉆孔外，都應(yīng)當(dāng)深入隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高2 m～3 m以下。鉆進(jìn)巖芯采取率要求破碎巖層與強(qiáng)風(fēng)化層不小于50%；完整基巖不小于80%；覆蓋層不小于50%。鉆探鉆進(jìn)過程中，仔細(xì)測定地下水位，并及時記錄，記錄內(nèi)容包括巖土分層、地下水位、鉆進(jìn)速率、水的顏色等。利用詳細(xì)與具有代表性的鉆探方式，隧道洞室圍巖的巖性與整體情況能夠直觀顯示；利用鉆孔實(shí)施抽水、鉆孔聲波測試、壓水測試、煤層瓦斯檢測等一系列工作，以定性與定量兩方面為隧道圍巖的分段與分級帶來有效的地質(zhì)依據(jù)。

1.3 高密度電物探法

若存在鉆探方式難以查證的地質(zhì)，則能采用高密度電物探法，物探儀器為擁有我國先進(jìn)水平的重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研究的WGMD-1型高度探測系統(tǒng)，方法是用α排列方式予以高密度數(shù)據(jù)采集，采用國際水平的Surfer軟件與RES2DINV軟件進(jìn)行二維電阻率成像反演。能夠準(zhǔn)確判斷地質(zhì)情況，改善隧道工程施工的危險性，降低嚴(yán)重社會問題的發(fā)生率，有時還能避免路線更改，從而節(jié)約建設(shè)項(xiàng)目的投資資本。

1.4 地震勘探與鉆孔超聲波測井以及探測巖石波速

因其隧道區(qū)域地層巖性多樣化，地表風(fēng)化程度嚴(yán)重，鉆探取芯能力弱，巖芯大多為碎塊、砂狀以及塊狀。地質(zhì)人員大都是通過人為因素來判斷巖石風(fēng)化程度，很少客觀判斷巖體基本質(zhì)量，未能科學(xué)劃分隧道圍巖類型。因而，地震勘探與鉆孔超聲波測井以及探測巖石波速技術(shù)逐漸被應(yīng)用。地震勘探儀器采用的主要方式為折射波法，通過定性劃分結(jié)合定量指標(biāo)的整體分析，確定了巖石風(fēng)化情況與隧道圍巖類型，該方式更為合理，更具創(chuàng)新特色。

1.5 抽水與壓水檢驗(yàn)方式

若隧道區(qū)域?qū)儆跅l帶狀巖層組成的山嶺，其水文地質(zhì)單元更加復(fù)雜，含有較多含水單元與隔水層，其透水性與含水單元具有較大差異。為了能檢驗(yàn)出準(zhǔn)確的洞身段各巖石的裂隙性與透水性，準(zhǔn)確預(yù)判隧道涌水量，于鉆孔施工結(jié)束后分別實(shí)施抽水與壓水試驗(yàn)。

抽水及壓水試驗(yàn)使用的是自制提桶與專業(yè)高揚(yáng)程空氣壓縮機(jī)抽水與壓水設(shè)施，其中提桶抽水試驗(yàn)應(yīng)用于地下水位淺的地段，空氣壓縮機(jī)抽水和壓水設(shè)施應(yīng)用于地下水位深或不存在地下水的巖層內(nèi)。并且還對一些鉆孔實(shí)行了將抽水與壓水相整合的試驗(yàn)，以便同單一試驗(yàn)進(jìn)行對比。

1.6 瓦斯檢驗(yàn)

對專門施工的ZK11鉆孔，采用一套煤管、一套瓦斯解吸儀、兩個取樣瓦斯灌予以瓦斯檢驗(yàn)，其具體方法為：在鉆孔鉆遇煤層后，下采煤管采煤同時迅速裝灌后封閉，5 min內(nèi)進(jìn)行解吸，獲得現(xiàn)場瓦斯解吸量，最后采用圖解法算出瓦斯耗損量，二者相加即為煤層瓦斯逸出量。該方式簡易可行，結(jié)果接近實(shí)際情況，具有相對開拓性。

2 關(guān)于工程地質(zhì)環(huán)境對隧道工程的影響

在建設(shè)長隧道、深埋隧道以及大隧道過程中，會遇到各種各樣的地質(zhì)環(huán)境問題，不僅會對工程工期與造價造成影響，還會給隧道的施工與運(yùn)行帶來安全隱患。下述對影響隧道工程的幾種地質(zhì)環(huán)境作了探討。

2.1 軟土地基

在湖相與濱海相等古地質(zhì)環(huán)境中，軟土大都沉積在相對停滯與相對運(yùn)動遲緩的水環(huán)境內(nèi)，此類沉積軟土顆粒細(xì)軟、土質(zhì)軟弱、孔隙度大、含水量高、容易形成蠕變、凝聚力小幾乎可以被忽略。在這種地質(zhì)條件上建設(shè)隧道，必須考慮工程的地質(zhì)問題。1)該地質(zhì)土性較軟，受到隧道重負(fù)荷時容易發(fā)生沉陷，從而厚度發(fā)生改變，形成不均勻沉陷，導(dǎo)致隧道內(nèi)襯砌等結(jié)構(gòu)發(fā)生形變；2)隧道結(jié)構(gòu)會受軟土蠕變的影響，及時進(jìn)行支護(hù)與襯砌有重要作用；3)軟土一般存在于地下還原環(huán)境中，微生物作用容易形成甲烷氣體，聚積在軟土層孔隙內(nèi)，隧道挖進(jìn)時工作人員可能會受甲烷氣體的危害，若遇到火源還可能引起爆炸。

建設(shè)隧道時，對于軟土地基，長度不長的隧道應(yīng)采用盾構(gòu)穿越更為簡易；然而長度過長的隧道，因其軟土的蠕變特點(diǎn)，會形成超量切削，導(dǎo)致在隧道盾構(gòu)掘進(jìn)的前端會出現(xiàn)蠕變凹槽，如果軟土層厚度不夠，容易使得上方活河水與海水大量潛入隧道。因此，在海域上存在眾多沉積軟土地帶時，借助盾構(gòu)穿越軟土層，必須充分重視所存在的安全隱患。

2.2 砂卵石層地基

在多樣化地質(zhì)條件如平原、河流、濱海、盆地中，會存在不同成因的砂卵石沉積層。各地砂卵石層的結(jié)構(gòu)由于沉積時受到古地質(zhì)地理環(huán)境的影響，各結(jié)構(gòu)間存在差異。砂卵石層的沉積韻律和顆粒級配受到沉積時水動力條件的影響。砂卵石層危害隧道工程的幾個方面主要是：1)因?yàn)樗淼朗┕づ潘沟弥苓吷皩拥臋C(jī)械塌陷與管涌；2)砂層涌入會引發(fā)豐富地下水；3)砂層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同，形成不規(guī)則沉陷，為隧道帶來安全隱患；4)砂層內(nèi)夾雜的大塊卵石，影響盾構(gòu)施工，嚴(yán)重時會卡住刀片。采用沉管法在湍急河流的砂卵石層中建設(shè)隧道，容易使沉管下砂層形成沖刷，損害沉管隧道。

在厚砂層上建設(shè)隧道時，要注重下述幾點(diǎn)：1)抽水起始水位降低引發(fā)地面沉降、沖刷、潛蝕；2)進(jìn)行大量抽水后，水位降低遲緩，產(chǎn)生壓力水頭，極易使得下方的大量砂層潰入；3)下方存在相對隔水層時，因?yàn)樯戏剿淼莱樗档退畨?，下方高壓水匯合；4)透水層凸起，形成眾多越流向上補(bǔ)給，影響隧道運(yùn)行。

2.3 碳酸鹽巖地層

在分布有可溶碳酸鹽地層地區(qū)，受到不同程度的喀斯特化作用，作用結(jié)果為在地表上形成奇特山峰，地下形成多個洞穴與通道?；钴S在洞穴和通道中的喀斯特水包括孔隙水與裂隙水等，存在不同的特點(diǎn)。喀斯特水有五個對立統(tǒng)一的特點(diǎn)，具體包括：1)獨(dú)存與半獨(dú)存的管道水流和擁有統(tǒng)一水力相關(guān)的地下水力面與擴(kuò)散流同時存在；2)不含水巖體與含水巖體同時存在；3)非承壓水流同承壓水流之間互相變換；4)層流運(yùn)動和紊流運(yùn)動同時存在；5)非均質(zhì)含水性和均質(zhì)含水性復(fù)雜變化。

在喀斯特化地層中，具有相當(dāng)明顯的三相流，即是氣體、固體、液體三相物質(zhì)混合形成的三相流。三相流具備一個重要特性，泥砂等固體流與水等液體流是不能被壓縮的，而氣體能被壓縮，受壓氣體還會發(fā)生多種變化。

3 結(jié)語

區(qū)域地質(zhì)斷裂與大型滑坡體等區(qū)域地質(zhì)條件嚴(yán)重影響鐵路線路的安全。本文通過采用地質(zhì)勘察方法對隧道區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境予以全面系統(tǒng)的深入分析研究，監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)收斂變形情況，對隧道工程進(jìn)行穩(wěn)定性分析。通過研究隧道區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境、圍巖介質(zhì)環(huán)境，得出了隧道山體開裂原因與圍巖穩(wěn)定性研究結(jié)論，希望能為復(fù)雜地質(zhì)條件的鐵路隧道工程地質(zhì)勘察提供一些參考依據(jù)。

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Railwaytunnelengineeringgeologysurveyandengineeringgeologyenvironment

ZHANGZhi-yuan

(ShanxiGeologySurveyBureauNo.214GeologyTeam,Yuncheng044000,China)

The paper studies tunnel region geology environment by applying geology survey methods, explores tunnel structure monitoring deformation conditions, and carries out stability analysis of tunnel engineering, which has provided some guidance for railway tunnel engineering geology survey under complicated geology conditions.

railway tunnel engineering, survey, geological environment

1009-6825(2014)33-0169-03

2014-09-18

張志遠(yuǎn)(1983- )，男，助理工程師

U452

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