勘察方法在山區(qū)公路隧道選址中的運用

傅洪金

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福建 福州 350004）

1 引言

山區(qū)隧道經(jīng)常遇到地層巖性多變、地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件復(fù)雜等問題，部分還會受采礦區(qū)、巖溶等不良地質(zhì)作用的困擾，特別是工程地質(zhì)條件復(fù)雜的長隧道、特長隧道。所以，根據(jù)工程地質(zhì)條件選擇山區(qū)隧道的位置，是山區(qū)隧道安全風(fēng)險避讓和工程造價控制的關(guān)鍵。而合理有效地運用綜合勘察手段，查明山區(qū)隧道的工程地質(zhì)條件，是山區(qū)隧道位置優(yōu)選的前提。

對于山區(qū)隧道的位置選擇，JTG/T D70-2010《公路隧道設(shè)計細(xì)則》[1]和JTG C20-2011《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[2]提出了越嶺隧道位置選擇的原則性要求。但在實際工作中，要把隧道選擇在工程地質(zhì)條件最好的位置，無疑是非常困難的，這也是隧道工程地質(zhì)勘察中意義重大但又艱難的任務(wù)。

福建白土巖隧道穿越了多個不同時代、不同巖性的地層，遇到了巖溶、軟弱巖層和地下水豐富等諸多地質(zhì)難題，工程地質(zhì)條件復(fù)雜。該隧道勘察過程中，在充分收集利用區(qū)域地質(zhì)資料和針對性的工程地質(zhì)測繪成果的基礎(chǔ)上，合理有效地運用物探、鉆探和現(xiàn)場試驗等綜合勘察手段，提出了工程地質(zhì)條件優(yōu)化的隧道線位方案，從而避開了巖溶和突水隧道難題，極大節(jié)省了工程造價。

本文深入總結(jié)、分析了該山區(qū)公路隧道的工程地質(zhì)條件和勘察工作方法的應(yīng)用，分析、研究了山區(qū)隧道工程選址中工程勘察方法的運用，為山區(qū)隧道的工程地質(zhì)勘察提供借鑒和參考。

2 隧道工程地質(zhì)概況

該隧道位于龍巖市永定縣白土村，穿越一北西向山嶺，屬低山—丘陵地貌，植被發(fā)育，山坡坡度20～35°，局部可達(dá)40°左右。白土巖隧道為分離式雙線雙洞公路隧道，凈寬高10.25m×5.0m(寬×高)。左線2 705m，右線2 730m。進(jìn)口形式為端墻式，出口形式為削竹式，隧道軸線最大埋深306m。

隧址區(qū)位于福建廣平—龍巖拗陷帶南段，場區(qū)上覆坡積(含碎石)粘性土，下伏基巖為侏羅系梨山組(J1l)、三疊系文賓山組(T3w)和溪口組(T1x)，地層和地質(zhì)構(gòu)造的平面分布見圖1。

2.1 地質(zhì)構(gòu)造條件

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和現(xiàn)場測繪成果，隧道區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造以北東向、北西向構(gòu)造為主，明顯受到區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響。

圖1 隧道工程地質(zhì)平面圖

經(jīng)勘察，該隧道區(qū)地質(zhì)構(gòu)造以斷裂為主，褶皺為次。在隧道南段的侏羅系梨山組(J1l)地層中發(fā)育一向斜構(gòu)造，軸向296°，物探顯示軸部為低阻異常區(qū)和斷續(xù)的地震低速帶，推測巖體破碎。受斷裂構(gòu)造影響，隧道中段三疊系文賓山組(T3w)地層產(chǎn)狀凌亂，小褶曲發(fā)育，物探顯示軸部為低阻異常區(qū)。

2.2 地層巖性

隧道區(qū)內(nèi)上覆坡積(含碎石)粘性土，下伏基巖為侏羅系梨山組(J1l)砂巖、粉砂巖夾砂礫巖，三疊系文賓山組(T3w)泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)粉砂巖和溪口組(T1x)石英砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾灰?guī)r透鏡體。

從巖性及其巖石抗壓試驗成果可看出，文賓山組(T3w)的泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)粉砂巖呈薄層狀，單軸飽和抗壓極限強度Rc＜20MPa，為軟巖—較軟巖，工程性質(zhì)差。梨山組(J1l)(區(qū)域地質(zhì)資料為J1xy)細(xì)砂巖、粉砂巖夾砂礫巖多呈中厚層狀，Rc一般35～70MPa，工程性質(zhì)明顯較好。

溪口組(T1x)上部為粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，中薄層結(jié)構(gòu)，Rc一般＜30MPa，為較軟巖；下部多為鈣質(zhì)粉砂巖、石英砂巖、粉砂巖夾灰?guī)r透鏡體，中厚層狀結(jié)構(gòu)，Rc＞35MPa，工程性質(zhì)明顯較好，但灰?guī)r可能有巖溶發(fā)育，對隧道影響明顯。

2.3 地下水特征

影響該隧道工程建設(shè)的地下水主要為斷裂破碎帶、節(jié)理帶、裂隙帶中的構(gòu)造承壓水，受大氣降水和上部基巖風(fēng)化帶地下水的補給，富水性差異大。根據(jù)勘察，該隧道富水構(gòu)造主要為F4、F7斷層和隧道南段的向斜軸部裂隙帶。

由于溪口組(T1x)局部有灰?guī)r透鏡體發(fā)育，該隧道可能局部存在巖溶水。

2.4 不良地質(zhì)作用

該隧道總體上不良地質(zhì)作用不發(fā)育，但由于溪口組(T1x)局部有灰?guī)r透鏡體發(fā)育，該隧道可能局部受巖溶作用影響。

2.5 隧道主要工程地質(zhì)問題

(1) 巖溶作用：灰?guī)r透鏡體中可能有巖溶發(fā)育，根據(jù)臨近民采的溪口組(T1x)礦點調(diào)查，該地層灰?guī)r呈透鏡狀分布，厚10～50m，總體上巖溶作用不強。

(2) 斷裂破碎帶：斷裂構(gòu)造發(fā)育，其中F1、F2、F3、F4、F7斷層規(guī)模相對較大，對隧道影響大。

(3) 褶皺軸部裂隙發(fā)育區(qū)：隧道南段發(fā)育有一向斜構(gòu)造，隧道無法避讓。其軸部物探顯示為低阻異常區(qū)，推測該地段巖體破碎，富水性好，對隧道影響大。

(4) 富水地段：根據(jù)物探和鉆探成果，F(xiàn)4、F7為富水?dāng)鄬樱渲蠪4斷裂承壓水水頭高于地表，隧道施工中易突水、涌水，對隧道影響大。

(5) 軟巖和軟弱夾層：文賓山組(T3w)的泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)粉砂巖和溪口組上段(T1xb)的粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為薄層狀軟巖，隧道圍巖易失穩(wěn)或出現(xiàn)較大變形等工程問題。

3 隧道勘察方法的運用

該隧道在初勘階段發(fā)現(xiàn)富水?dāng)嗔褞У鹊刭|(zhì)問題后，有針對性地開展勘探工作，為隧道位置的優(yōu)選提供了工程地質(zhì)依據(jù)。

3.1 工程地質(zhì)測繪

收集、分析當(dāng)?shù)?∶5萬區(qū)域地質(zhì)圖時發(fā)現(xiàn)，隧道線位基本與地質(zhì)界線垂直，說明線位基本符合地質(zhì)選線的原則要求。但隧道進(jìn)口西側(cè)300～500m處有溪口組(T1x)灰?guī)r透鏡體分布，經(jīng)調(diào)查，該地為民眾采礦點，采用洞采形式開采，無地質(zhì)勘查資料。

由于場地植被發(fā)育，工程地質(zhì)測繪未能很好地查明區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造特征，但仍取得了較好的勘察成果，總結(jié)、分析如下：

(1) 溪口組(T1x)地層巖層產(chǎn)狀總體較為穩(wěn)定，上部為強度較低的薄層狀泥質(zhì)粉砂巖，灰?guī)r呈透鏡狀分布。通過橫向工程地質(zhì)剖面測量(見圖2)，為隧道避開泥質(zhì)粉砂巖和可能的巖溶區(qū)、采空區(qū)提供依據(jù)。

圖2 A′-A工程地質(zhì)剖面圖

(2) 文賓山組(T3w)地層大多為泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)粉砂巖等薄層狀軟巖，隧道位置盡可能選擇在該地層分布寬度較小的地段布置，是減少隧道軟巖坍塌和變形問題的關(guān)鍵。

(3) 在隧道中段發(fā)現(xiàn)文賓山組(T3w)地層產(chǎn)狀凌亂，推測該地段地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，經(jīng)物探、鉆探成果驗證，該地段有多條斷層發(fā)育，其中包括F4富水?dāng)鄬印?/p>

(4) 根據(jù)巖層產(chǎn)狀變化發(fā)現(xiàn)，隧道南段梨山組(J1l)地層發(fā)育有一向斜構(gòu)造，物探成果驗證了該褶皺軸部巖層破碎、富水性較好。

(5) 現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，文賓山組(T3w)和梨山組(J1l)地層小褶曲較為發(fā)育，這可能導(dǎo)致該地段的隧道圍巖破碎情況變化較大。

3.2 物探

該隧道區(qū)內(nèi)為沉積巖分布區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造條件較為復(fù)雜。針對隧道地質(zhì)條件和地形條件，隧道采用折射法地震勘探和EH-4大地電磁法勘探兩種物探手段。

折射法地震勘探工作主要為隧道近洞口的橫向勘探線和隧道軸線上的疑似地質(zhì)構(gòu)造帶發(fā)育地段，EH-4大地電磁法勘探工作則主要為貫通隧道軸線的縱向勘探線和疑似地質(zhì)構(gòu)造帶發(fā)育地段的橫向勘探線。

分析、研究該隧道的物探成果(見圖3、圖4)，該隧道取得了以下主要物探成果：

圖3 YK214+580處左300-右500橫斷面大地電磁測深電阻率二維反演圖

(1) 視電阻率反演剖面圖上的線狀凹谷低阻異常區(qū)多為構(gòu)造破碎帶或脈巖所致，其中F1、F2與區(qū)域地質(zhì)圖相對應(yīng)，F(xiàn)3、F4、F5、F7為鉆探驗證所證實。

(2) 文賓山組(T3w)地層多呈相對低阻異常區(qū)，反映了該地層泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)粉砂巖相對較軟、層理和裂隙發(fā)育的工程特征。

(3) 隧道南段梨山組(J1l)地層中的向斜構(gòu)造軸部呈現(xiàn)低阻異常區(qū)，說明該褶皺軸部的巖層破碎、富水性較好。

圖4 初勘隧道左線軸線物探解譯剖面圖

(4) 據(jù)橫向物探成果分析，F(xiàn)4富水?dāng)鄬邮軈^(qū)域性斷層F2限制。所以隧道中部線位西移至F2斷層以西，基本可避開F4富水?dāng)鄬拥挠绊憽?/p>

3.3 鉆探

由于該隧道為沉積巖分布區(qū)，不同地層巖性差異大，隧道區(qū)地質(zhì)構(gòu)造條件也較復(fù)雜。所以，該隧道的勘探重點是：洞門和近洞口淺埋地段、不同地層分布區(qū)、物探異常帶(區(qū))、斷層和地層分界線。

通過鉆探和孔內(nèi)原位測試、取樣試驗、孔內(nèi)物探、鉆孔抽水試驗等工作，查明了該隧道各地層的巖性特征及其工程性質(zhì)和區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造特征，為隧道圍巖分級提供可靠的依據(jù)。

4 隧道選址

由于該隧道初勘線位隧道中段經(jīng)過文賓山組(T3w)泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)粉砂巖，巖層產(chǎn)狀凌亂，斷裂構(gòu)造較為密集，分析該地段隧道圍巖易發(fā)生大變形和圍巖坍塌事故；特別是CK2124C鉆孔出現(xiàn)大流量的自涌現(xiàn)象(涌水量約260m3/d)，涌水水頭高出地表約6.0m；研究認(rèn)為該地段隧道出現(xiàn)突水和大坍塌的概率很高，隧道設(shè)計風(fēng)險大。所以，對隧道線位進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整很有必要。

為此，在隧道進(jìn)口側(cè)溪口組(T1x)地層布置1條橫向工程地質(zhì)剖面測量線，隧道中部布置3條橫向大地電磁法勘探線。經(jīng)分析、研究，隧道中部的線位西移約460m后隧道工程地質(zhì)條件將有以下方面的變化：

(1) 根據(jù)A′-A剖面(見圖2)分析，線位調(diào)整后隧道基本可避開灰?guī)r夾層或透鏡體，從而排除巖溶作用風(fēng)險。而且隧道也避開了溪口組(T1x)地層上部的薄層狀泥質(zhì)粉砂巖巖層，改善了進(jìn)口側(cè)隧道圍巖的工程性質(zhì)。

(2) 根據(jù)橫向大地電磁法勘探成果(見圖3)，結(jié)合其他勘察成果分析，線位調(diào)整后隧道可以避開F4富水?dāng)鄬?，隧道施工也證實了這一結(jié)論。

(3) 調(diào)整后隧道穿越文賓山組(T3w)地層的長度有較大的減少，且斷裂構(gòu)造發(fā)育較少，從而提高了隧道中部的圍巖級別。

根據(jù)初勘、詳勘勘察成果，初勘線位隧道單洞涌水量為4 360m3/d，詳勘線位隧道單洞涌水量為2 760 m3/d；圍巖級別對比見下表。

隧道圍巖分級統(tǒng)計

由此可見，線位優(yōu)化后隧道圍巖級別明顯提高，隧道涌水量明顯較小，工程造價大大降低。隧道施工建設(shè)也驗證了，該隧道避開了巖溶作用和突水、涌水地段，圍巖級別也明顯好于初勘線位。

5 結(jié)語

白土巖隧道目前已建成通車多年，工程實踐證明該隧道的工程地質(zhì)選址是成功的，也說明了合理運用綜合勘察手段以查明隧道的重大工程地質(zhì)問題，是隧道工程地質(zhì)選址的關(guān)鍵。

(1) 隧道勘察應(yīng)綜合運用工程地質(zhì)測繪、物探、鉆探和取樣試驗、原位測試、現(xiàn)場試驗等方法，為隧道選址提供工程地質(zhì)依據(jù)。

(2) 充分收集、研究包括區(qū)域地質(zhì)、臨近礦產(chǎn)勘查和其他工程勘察資料，分析哪些地段可能出現(xiàn)重大工程地質(zhì)問題是隧道選址的前提。

(3) 加強地層巖性及其工程性質(zhì)的調(diào)查和取樣試驗，布置垂直地層界線和隧道橫向工程地質(zhì)剖面測量工作，分析、研究哪些地段分布有軟弱巖層或可溶性巖層，可以有效地幫助隧道位置的選擇。

(4) 發(fā)現(xiàn)隧道存在重大工程地質(zhì)問題時，橫向物探工作是有效而快捷的勘探手段。對于埋深較大的山區(qū)長隧道、特長隧道，大地電磁測深技術(shù)和大功率激電法剖面測量是效果較好的物探手段。

(5) 物探成果的解譯，應(yīng)該在認(rèn)真分析研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)背景和地質(zhì)體相關(guān)物性的基礎(chǔ)上進(jìn)行，并采取鉆探進(jìn)行修正，以確保解譯的合理性和成果的可靠性[3]。

[1]中華人民共和國交通運輸部.JTG/T D70-2010公路隧道設(shè)計細(xì)則[S].北京：人民交通出版社，2010.

[2]中華人民共和國交通運輸部.JTG C20-2011公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[3]樓凱峰，周志軍，史成江.嵐頭嶺隧道勘察中EH4電磁測深技術(shù)的應(yīng)用[C].第十二屆全國工程物探與巖土工程測試學(xué)術(shù)大會論文集，2011：60-62.