山嶺隧道工程綜合地質(zhì)勘察方法探討

劉衡秋

（北京中色資源環(huán)境工程股份有限公司，北京 100012）

山嶺隧道工程綜合地質(zhì)勘察方法探討

劉衡秋

（北京中色資源環(huán)境工程股份有限公司，北京 100012）

山嶺隧道工程具有隱蔽性、施工復雜性、地層條件和周圍環(huán)境不確定性等特點，采用科學的勘察方法，是查明隧道巖土體工程地質(zhì)條件的有效手段。本文以海淀區(qū)西山隧道為依托，針對隧道工程勘察中的關(guān)鍵地質(zhì)問題，運用工程地質(zhì)測繪、鉆探、工程物探、水文地質(zhì)勘查等綜合勘察方法，有效地查明隧址區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、巖土體結(jié)構(gòu)和地下水分布特征，全面、客觀地評價隧道進出口段邊坡及仰坡穩(wěn)定性、隧道圍巖質(zhì)量與穩(wěn)定性、隧道涌水量、地應力及有害氣體等工程地質(zhì)問題，并針對不良地質(zhì)現(xiàn)象提出防治對策，以期為工期緊張、地形困難且日趨增多的山嶺隧道工程地質(zhì)勘察，提供可以借鑒的模式和方法。

山嶺隧道；勘察方法；綜合分析；防治對策

0 前言

隨著城市山區(qū)高速公路建設的加快，越來越多的山嶺隧道需要修建。查明隧址區(qū)的地質(zhì)條件和不良地質(zhì)作用是隧道安全建設的需要，亦是隧道工程地質(zhì)勘察工作的主要目的。但是，與一般巖土工程相比，隧道工程的隱蔽性、施工復雜性、地層條件和周圍環(huán)境的不確定性更為突出，加大了施工技術(shù)的難度（路美麗等，2004）。為克服地質(zhì)條件復雜、交通不便和工期緊迫的困難，并保證勘察質(zhì)量，為設計提供合理、可靠的巖土指標及圍巖質(zhì)量評定結(jié)果，在勘察過程中采用多種技術(shù)手段相結(jié)合的綜合勘察方法，全方位驗證，可以達到更佳的勘察效果。

1 工程概況

西山隧道位于北京市海淀區(qū)西部北京植物園附近，是上莊路南延重要工程。隧道呈近南北走向穿越北京西山余脈，其南側(cè)洞口位于北京植物園人工湖東側(cè)約60m，距五環(huán)路約800m；北側(cè)洞口位于南羊坊村南，距黑龍?zhí)堵芳s2.1km（圖1）。隧道洞身地形呈鋸齒狀起伏，溝梁相間；地形復雜，交通不便。該隧道設計為雙洞分離式隧道，隧道左線1K3+930—1K6+940，長3010m，隧道右線2K3+926—2K6+973，長3047m，設計高程在56.47～72.80m之間。隧道建筑限界為高7.60m，凈寬14.11m，兩洞相距15.0～77.0m（北京市勘察設計研究院有限公司，2011）。

圖1 西山隧道工程位置示意圖Fig.1 Location map of Xishan tunnel

2 區(qū)域地質(zhì)背景

隧址區(qū)位于太行山脈的延伸地帶，靠近北京平原的山前邊緣地帶，場區(qū)地形起伏較大，屬構(gòu)造剝蝕低山、丘陵地貌，總體地勢中部高、南北兩側(cè)低，最高處位于線路中部壽安山山頂，高程約407m，南北兩側(cè)斜坡高程一般在65～85m。山體主體呈近東西向走向，地形切割一般，山坡坡度35～45，局部陡峭。

該區(qū)域出露的前第四系主要包括二疊系石盒子組、三疊系雙泉組、侏羅系南大嶺組和九龍山組，主要巖性以砂巖、礫巖為主，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育；第四系主要分布在山麓斜坡、沖溝及斜坡洼地地帶，成因較為復雜，包括殘坡積、洪坡積和人工堆積層等類型。

大地構(gòu)造處于華北地臺燕山臺褶帶－西山迭拗褶－門頭溝迭陷褶，地殼變形以褶皺方式為主，九龍山－香峪向斜屬區(qū)域主體構(gòu)造，西山隧道主體位于該向斜東端（圖2）。受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，山嶺隧道沿線及兩側(cè)一定范圍內(nèi)巖體中次生斷裂、節(jié)理裂隙較發(fā)育，對隧道工程建設具有一定影響。

圖2 隧址區(qū)綜合地質(zhì)剖面圖Fig.2 Comprehensive geological section of tunnel site area

隧址區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。其中，第四系孔隙水呈透鏡狀分布，主要分布于山麓斜坡帶、山間洼地和沖溝處碎石或碎石混粘性土中；基巖裂隙水主要賦存于二疊系、三疊系和侏羅系凝灰質(zhì)砂巖地層中，以側(cè)向徑流和泉為主要排泄方式。

3 山嶺隧道的綜合勘察方法

3.1 一般原則

隧址區(qū)地形地質(zhì)條件復雜，洞身范圍內(nèi)巖土性質(zhì)變化很大，僅憑地質(zhì)測繪和鉆探難以查明地下地質(zhì)情況。針對隧址區(qū)的地質(zhì)特征，宜采用物探方法劃分土巖分界和確定風化層的厚度，采用物探結(jié)合其他勘探手段的綜合勘探方法查明隧址區(qū)的地質(zhì)條件及不良地質(zhì)體分布，并對各種勘探方法得出的結(jié)果進行比較和驗證，給出綜合的評價結(jié)果。

3.2 綜合勘察方法

（1）工程地質(zhì)測繪工作先行

“測繪為先、鉆探后行”，這一方面說明工程地質(zhì)測繪在工程地質(zhì)工作中的基礎地位，同時又能為后續(xù)的鉆探和物探工作做好鋪墊。在山區(qū)地形地質(zhì)條件復雜的情況下，以比例尺1∶1000地形圖為底圖，采用縱橫穿越、布點、追索等方法，調(diào)查隧道工程沿線及附近一定范圍（不少于200m）的地形地貌或微地貌單元、巖土分布特征及各巖層之間的接觸關(guān)系，查明控制和影響線路的各種不良地質(zhì)作用發(fā)育類型、成因、規(guī)模及危害程度，收集地質(zhì)構(gòu)造尤其是斷裂構(gòu)造的證據(jù)，進而確定構(gòu)造斷裂帶的分布范圍、寬度、巖體破碎程度等。

（2）鉆探孔多樣化使用

地質(zhì)鉆探是綜合勘察中對地質(zhì)測繪成果進行檢驗的“直觀、有效的”手段，也是采集工程地質(zhì)主要參數(shù)的重要方法，同時也為物探資料的解釋提供可靠的參數(shù)。本次勘察根據(jù)不同地形條件、隧道路面設計縱斷圖、地層結(jié)構(gòu)及巖體類別等，合理選用鉆機進行鉆探。鉆孔原則上沿隧道中心、洞壁外側(cè)5m以外布置，鉆孔深度不少于路線設計高程以下5m，遇不良地層適當加深。全孔采芯，保證采取率滿足規(guī)范要求，詳細記錄地層巖性特征、地下水埋深、進尺速度及鉆探異常等。

此外，在勘察時要發(fā)揮“一孔多用”的效果，單個鉆孔除鉆探成孔和采集巖、土、水樣外，還應策劃和設計進行物探和水文等綜合測試，如波速測試評價碎石土密實度及基巖風化程度，孔內(nèi)超聲評價圍巖的完整性和基本質(zhì)量等級；根據(jù)需要進行抽水、提水和壓水試驗，確定地層的孔隙率和滲透系數(shù)，為隧道涌水量估算提供參考；必要時開展孔內(nèi)水壓致裂地應力測試，確定圍巖的地應力大小和方向。

（3）物探解譯補充與驗證

在地形困難、地質(zhì)條件復雜的山區(qū)越嶺段和特長隧道地質(zhì)勘察中，綜合物探是伴隨測繪和鉆探必須開展的一項工作，亦可解決搬運鉆機的困難。同時，多種物探方法配合進行往往能收到良好的效果，并且能相互驗證、取長補短、解決物探手段“多解性”問題。

在實際工作中綜合探測對象范圍、深度、規(guī)模及周圍介質(zhì)的物性差異，采用高密度電法、大功率激電測深的物探方法進行綜合判識，并與鉆孔驗證對照分析，主要目的是查明隧道沿線的覆蓋層厚度、地質(zhì)界線、斷裂破碎帶分布情況、基巖風化程度和地下水賦存狀況等。采用孔內(nèi)電阻率法測試地層的電阻率分布情況，通過孔內(nèi)超聲波和巖心超聲波測試分別獲得巖體和巖塊超聲速度，并以此兩項指標作為圍巖基本質(zhì)量分級評價提供技術(shù)參數(shù)。

（4）綜合評價與研究

在研究以往地質(zhì)資料、現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、工程地質(zhì)鉆探測試、水文地質(zhì)勘察、地球物理勘探解譯等資料的基礎上，分析隧址區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、巖土體結(jié)構(gòu)和地下水分布特征，全面、客觀地評價隧道進出口段邊坡及仰坡穩(wěn)定性，隧道圍巖質(zhì)量與穩(wěn)定性，隧道涌水量，地應力及有害氣體等工程地質(zhì)問題，并評價隧道工程建設與當?shù)丨h(huán)境的相互影響。綜合分析需要貫穿整個隧道工程勘察的全過程，這樣才能充分顯示綜合勘探的合理性、優(yōu)越性，達到高質(zhì)量與高效率（吳長利，2006）。

4 綜合勘察的主要技術(shù)成果

4.1 地層巖性特征及分布

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、巖芯鑒定和土工試驗的結(jié)果，并結(jié)合物探解譯成果，對地層巖性特征及分布進行了歸納總結(jié)：

隧 道 進 口 段（ 樁 號1K3+930—1K4+035、2K3+926—2K4+066）和出口段（樁號1K6+585—1K6+940、2K6+630—2K6+973）巖性主要由第四系殘坡積、洪坡積土層（碎石、碎石混粘性土、粘性土及粉土）組成，局部為強風化—中等風化的二疊系砂巖和侏羅系凝灰質(zhì)砂巖，圍巖工程性質(zhì)總體較差，不易成洞，基本無自穩(wěn)能力；局部碎石土呈透鏡狀含水層分布，水量變化較大，地下水作用將使圍巖的力學性質(zhì)降低。

山麓斜坡帶洞身段（樁號1K4+035—1K4+819、2K4+066—2K5+000、1K6+410—1K6+645、2K6+455—2K6+630）隧道圍巖包括第四系碎石、碎石混粘性土和二疊系強風化—中等風化砂巖及三疊系和侏羅系強風化—中等風化凝灰質(zhì)砂巖。松散土層自穩(wěn)能力很差，基巖巖體較破碎—較完整，以鑲嵌碎裂或裂隙塊狀結(jié)構(gòu)為主，局部地段賦存有構(gòu)造裂隙水，自穩(wěn)能力一般；此區(qū)段需注意土、巖接觸面過渡段的掌子面會出現(xiàn)軟硬不均組合地層，圍巖自穩(wěn)能力差，拱部無支護時可順土巖接觸面產(chǎn)生中—大規(guī)模塌方。

山嶺洞身段隧道圍巖主要由三疊系和侏羅系凝灰質(zhì)砂巖、礫巖及局部玄武巖組成，以微風化為主，局部（樁號1K4+819—1K5+040和2K5+000—2K5+060）強風化—中等風化，巖質(zhì)較堅硬—堅硬，整體穩(wěn)定性較好，成洞性較好—一般；由于構(gòu)造變形影響，樁號1K5+900—1K5+970和2K5+900—2K5+950段圍巖自穩(wěn)能力較差。

4.2 隧道圍巖分級

根據(jù)地質(zhì)測繪、鉆探、綜合物探及室內(nèi)巖土試驗結(jié)果，結(jié)合隧道所處地形地貌、圍巖巖性及穩(wěn)定性特征、地下水賦存條件等，參照相關(guān)技術(shù)標準確定圍巖分級（表1）。

4.3 構(gòu)造變形破碎帶

高密度電法和激光測深法兩種方法探測的低阻異常帶空間分布具有較好的一致性，在23#鉆孔和29#鉆孔之間均探測到兩個巖體破碎帶（圖3、圖4）。其中，2線隧道2K5+540—2K5+660區(qū)段的破碎帶D1僅發(fā)育于擬建隧道上部，沒有向下穿越隧道工程，但受其影響隧道工程范圍內(nèi)巖體相對較為破碎，26#鉆孔揭露此部位分布有地下水；1線隧道1K5+900—1K5+940區(qū)段的破碎異常帶D2從淺部發(fā)育并向下延伸穿越擬建隧道工程，破碎帶寬度約40～60m，傾向北，影響范圍可達100～150m，巖體表現(xiàn)為破碎—極破碎。

5 不良地質(zhì)條件下的防治措施

（1）穩(wěn)定性差的圍巖

在松散、軟弱、破碎等穩(wěn)定性差的圍巖、錨噴支護應緊跟開挖工作面，一般是先素混凝土、再進行系統(tǒng)錨桿支護，再掛網(wǎng)噴混凝土、必要時加鋼拱架等。圍巖穩(wěn)定性較差或者極差的情況下，采用小導管注漿、打超前錨桿或大管棚進行超前支護（樊治國，2014）。

表1 1線隧道洞身段圍巖分級列表Tab.1 Lists of wall rock classifcation of line 1 tunnel hole

圖3 測線Z3高密度電法視電阻率等值線圖Fig.3 Contour map of apparent resistivity by high-density electrical method at line Z3

圖4 激電測深法電阻率等值線圖Fig.4 Contour map of resistivity by laser sounding method

（2）斷層破碎帶

施工應遵循“先預報、預加固、短進尺、弱爆破、強支護、早封閉、勤量測、快反饋、控變形”的原則，配備水平鉆機、陸地聲納儀、地質(zhì)預報儀等儀器，結(jié)合常規(guī)地質(zhì)法、聲波法、地球物理法等手段進行地質(zhì)超前預報，按照“石變我變”的動態(tài)原則組織施工（周強，2013）。斷層破碎帶一般地段拱部采用長管棚進行預支護，管棚長度20m，每次開挖16m。

（3）巖溶地段

對于隧道穿過可溶巖與非可溶巖接觸帶、斷層破碎帶等地段，預計地下水較大，根據(jù)實際情況采用“以堵為主，限量排放”的原則，達到堵水有效、防水可靠、經(jīng)濟合理的目的。巖溶處理主要以注漿加固、封堵、充填封閉、輸導、跨越等措施，施工時根據(jù)不同的巖溶形態(tài)、規(guī)模、充填物情況、含水情況和地下水活動情況、地質(zhì)情況等綜合確定處理方案。

6 結(jié)論

對于重要且復雜的山嶺長隧道工程來說，地質(zhì)勘察要求方法可行、資料質(zhì)量高、圍巖分級準確，采用地質(zhì)測繪、鉆孔綜合測試、綜合物探和室內(nèi)試驗等綜合勘察方法，是必要且行之有效的，并可克服地質(zhì)條件復雜、交通不便和工期緊迫的困難。采用綜合勘察方法，其優(yōu)點是對自然界千變?nèi)f化的地質(zhì)體，使用多種手段進行探測，充分發(fā)揮各種手段的優(yōu)勢，相互驗證，綜合分析，可以獲得更可靠的地質(zhì)資料，尤其在確定復雜的不良地質(zhì)體位置效果顯著。綜合勘察技術(shù)可為日趨增多的山嶺隧道工程勘察提供了可借鑒的模式和方法。

致謝：筆者感謝北京市勘察設計研究院有限公司陳愛新教授級高工、彭有寶高級工程師在野外工作中給予的具體指導和幫助！

[1]路美麗，劉維寧，羅富榮，等. 隧道與地下工程風險評估方法研究進展[J]. 工程地質(zhì)學報，2006，14(4)：462～469.

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The Discussion on the Comprehensive Geological Investigation Methods of Mountain Tunnel Engineering

LIU Hengqiu
(Resource & Environment Engineering (Beijing)co., Ltd, Beijing 100012)

Mountain tunnel engineering has these characteristics of concealment, complexity of the construction, uncertainty of formation conditions and the surrounding environment. By adopting the method of scientific investigation, it is to find out an effective method for tunnel engineering geological conditions in geotechnical engineering. This paper takes Xishan tunnel engineering of Haidian district as a investigation object, and uses the comprehensive investigation methods such as engineering geological surveying and mapping, drilling, engineering geophysical exploration, hydrogeological exploration, which can effectively find out the tunnel site area of the geological structure, rock mass structure and the distribution features of groundwater, comprehensively and objectively evaluate the stability of import-export slope and upward slope of the tunnel, quality and stability of surrounding rock and tunnel water infow, ground stress and engineering geological problems of harmful gas, and puts forward countermeasures against bad geological phenomenon, in order to provide a reference engineering geological investigation model for increasing mountain tunnel of tense construction period and diffcult terrain.

Mountain tunnel; Investigation methods; Comprehensive analysis; Prevention and control countermeasures

U452.11

A

1007-1903（2016）04-0034-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.04.006

中國地質(zhì)調(diào)查局項目（水[2014]02-025-018）

劉衡秋（1975- ），男，博士，高工，主要從事地質(zhì)工程及防災減災工作。E-mail：qiu_gl@163.com