綜合勘察技術(shù)在山區(qū)特長隧道勘察中的運用

黃星星

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，福州 350004)

近年來隨著福建省公路網(wǎng)的快速發(fā)展， 城市人口的密集，交通流量的增大，城市交通網(wǎng)迫切地需要與周邊公路網(wǎng)進行快捷的聯(lián)通，以減輕城市交通流通壓力，而對靠山發(fā)展的城市采用隧道穿越山嶺連通至省公路網(wǎng)， 有利于縮短里程，減少行車時間，實現(xiàn)快捷的交通，減少城市交通壓力；而此類隧道往往地形地物、地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是山區(qū)，復(fù)雜地質(zhì)條件下的深埋特長隧道勘察，成為公路勘察中的難點。

本文以福州城區(qū)北向第二通道工程北嶺隧道勘察工作為例， 探討綜合勘察技術(shù)方法在山區(qū)深埋特長隧道勘察中的應(yīng)用。

1 工程概況

北嶺隧道位于福州市晉安區(qū)新店鎮(zhèn)廷坑村東北側(cè)至宦溪鎮(zhèn)湖中村南側(cè)山體中。 隧道右線起迄樁號YK4+695～YK12+678， 長7983 m； 左線起迄樁號ZK4+695～ZK12+610，長7915 m。設(shè)計隧道為雙洞分離式特長隧道，最大埋深約465 m，凈空13.75×5.0 m(寬×高)；左右線進口洞門采用削竹式，出口洞門采用端墻式。

2 隧址區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

隧址區(qū)位于構(gòu)造侵蝕低山地貌區(qū)， 地形起伏變化大， 進出口段山坡坡度約15°～25°， 進口處地面高程98.7～164 m，出口處地面高程93.5～123 m，隧道軸線地表最高點高程590 m，相對高差約366 m。 進口段山坡坡度約為10°～15°，地形起伏不大，地表植被稍發(fā)育；出口段山坡自然坡度約為20°～25°，地形起伏較大，地表植被發(fā)育，山坡自然坡體穩(wěn)定。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造和地震

據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料， 本隧道位于閩東火山斷裂帶中北部，長樂-南澳斷裂帶北側(cè)，斷裂構(gòu)造發(fā)育，區(qū)域上主要受北東東向的葉洋-貴安斷裂帶影響， 為永定-連江斷裂帶的北段，主要發(fā)育一系列北北東向斷裂，斷裂帶走向總體為NE60°，斷裂帶長約28 km，寬約3.5～5 km，帶內(nèi)斷層以右旋張性或張扭性斷層為主， 各斷層平面呈平行排列，剖面呈階梯狀組合。 斷層表現(xiàn)為巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，并伴有綠泥石化、葉臘石化現(xiàn)象，部分?jǐn)鄬右娀◢彴邘r、輝綠巖及閃長巖貫入，區(qū)域上呈透鏡狀或串珠狀展布。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)2016 版附錄A 及《福州城區(qū)北向第二通道工程(晉安段)線路工程場地地震安全性評價報告》， 場區(qū)地震基本烈度為7 度區(qū)，設(shè)計基本地震動加速度值為0.10 g，中硬場地土，地震動加速度反應(yīng)譜特征周期值為0.45 s[1]。

2.3 地層巖性

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆探成果表明， 本隧址場區(qū)表層為第四系沖洪積層(Q4al+pl)粉質(zhì)粘土層；第四系坡殘積土(Qel-dl)，下伏下伏基巖為侏羅系南園組凝灰熔巖(J3n)及其風(fēng)化層，局部見燕山晚期花崗閃長巖(γδ53)侵入，花崗斑巖(γπ)、輝綠巖(β)、閃長巖(δ)巖脈等多順構(gòu)造帶貫入。 隧址區(qū)縱斷面示意見圖1。

2.4 不良地質(zhì)

圖1 北嶺隧道工程地質(zhì)縱斷面示意圖

隧址區(qū)未見有空洞、 臨空面、 采空區(qū)等不良地質(zhì)作用；根據(jù)場地周邊環(huán)境地質(zhì)條件分析，場地周邊未發(fā)現(xiàn)滑坡、泥石流等不良地質(zhì)作用，僅隧道進口YK4+776 洞頂右側(cè)15 m 發(fā)育一土質(zhì)崩塌，長度15～20 m，高度5～8 m，厚度約為1～2 m，陡壁坡度近垂直，其規(guī)模較小，系修筑山間道路開挖形成陡峭臨空面， 在降雨作用下土體飽和而失穩(wěn)，崩塌土體主要為殘坡積層，現(xiàn)已清理，該土質(zhì)崩塌對隧道影響較小。

2.5 水文地質(zhì)條件

本隧道區(qū)地表水主要分布于山間溝谷溪流中， 主要為多為常年性水流，主要接受大氣降水的補給，受季節(jié)性影響變化較大。

地下水主要為風(fēng)化帶網(wǎng)狀孔隙裂隙水、 基巖構(gòu)造裂隙水，風(fēng)化帶孔隙裂隙水賦存于基巖風(fēng)化帶，水量貧乏，主要對洞口及進洞口段的隧洞施工和圍巖穩(wěn)定有影響；基巖構(gòu)造裂隙水賦存于基巖的裂隙中，受構(gòu)造發(fā)育情況控制，一般地區(qū)導(dǎo)水性弱，但構(gòu)造破碎帶附近，其導(dǎo)水性較好，主要接受大氣降水及地下水側(cè)向補給，水量變化較大。

3 綜合勘察技術(shù)應(yīng)用

為查明本隧道隧址區(qū)工程地質(zhì)條件， 本隧道勘察采用了工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、淺層地震、人工場源大地電磁法(即可控源大地電磁法CSAMT)、大功率激電測深法、孔內(nèi)聲波測繪、地應(yīng)力測試、鉆孔水位恢復(fù)試驗、抽注水試驗、室內(nèi)巖土試驗等多種勘察手段。

3.1 工程地質(zhì)調(diào)繪

在研究區(qū)域地質(zhì)背景資料的基礎(chǔ)上， 對擬建隧道兩側(cè)250 m 范圍內(nèi)， 進行精度1：2000 工程地質(zhì)測繪工作，對不良地質(zhì)、特殊巖土路段和地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育路段，若實際情況需要時， 應(yīng)擴大測繪范圍； 本隧道累計完成1：2000帶狀工程地質(zhì)調(diào)繪4 km2，地質(zhì)調(diào)繪點340 個。

主要調(diào)繪內(nèi)容如下：

①地層巖性的特征、 分布、 成因年代及相互接觸關(guān)系；②地形地貌成因、類型、分布、規(guī)模、形態(tài)特征等；③地質(zhì)構(gòu)造的類型、產(chǎn)狀、規(guī)模、分布范圍及其對隧道的影響；④不良地質(zhì)的類型、分布范圍、規(guī)模、形成條件及其對隧道的影響；⑤地下水的類型、埋深、賦存、補給、排泄和徑流條件，以及水系、井、泉的分布位置、高程和動態(tài)特征等；⑥特殊性巖土的類型、分布范圍、工程性質(zhì)及其對隧道的影響；⑦隧道施工影響范圍內(nèi)地表既有建筑分布、使用情況及隧道施工對建筑的影響[2]。

3.2 物探

本隧道勘察在初勘階段根據(jù)地形、 地物條件采用人工場源大地電磁法(即可控源大地電磁法CSAMT)和大功率直流電阻率電測深法(大功率激電測深法，最大供電電流達到2A 以上)，對隧道縱軸線進行雙向貫通測試；前段(K4+705～K8+240) 段受到地形起伏及遠(yuǎn)期人文干擾的影響，采用抗干擾能力強的人工場源大地電磁法(即可控源大地電磁法CSAMT)， 成果見左右洞可控源大地電磁法CSAMT 成果見圖2～3；后半段(K8+200～K12+660)由于受到鄉(xiāng)鎮(zhèn)民用電及附近幾條超高壓輸電線路的影響， 則采用抗交流干擾能力強的大功率直流電阻率電測深法(大功率激電測深法，最大供電電流達到2A 以上)，成果見左右洞大功率激電測深法成果見圖4～5； 洞口段橫向斷面則采用淺層面波法測試； 在詳勘階段對原初勘物探成果異常地段和可疑構(gòu)造發(fā)育地段采用鉆探進行進一步驗證， 并充分利用鉆探成果， 對鉆孔基巖段采取聲波測井法，獲取巖體與巖塊的彈性縱波速度，為計算隧道圍巖巖體的完整性指數(shù)提供參數(shù)。

圖2 北嶺隧道右洞K4+705～K8+240 可控源大地電磁法CSAMT 解釋斷面圖

圖3 北嶺隧道左洞K4+705～K8+240 可控源大地電磁法CSAMT 解釋斷面圖

圖4 北嶺隧道右洞K8+200～K12+660 大功率激電測深解釋斷面圖

圖5 北嶺隧道左洞K8+200～K12+660 大功率激電測深解釋斷面圖

本隧道勘察累計完成人工場源大地電磁法(即可控源大地電磁法CSAMT)7340 m 和大功率直流電阻率電測深法(大功率激電測深法)9100 m，淺層面波200 m，孔內(nèi)聲波測試10 孔，4362 點。

3.3 鉆探

鉆探工作量布置主要在隧道工程地質(zhì)測繪、 物探解譯基礎(chǔ)上進行， 隧道進出口鉆孔按橫斷面在隧道左右洞兩側(cè)進行布置，以查明隧道進出口工程地質(zhì)條件；洞身鉆孔重點對構(gòu)造帶、富水帶、物探異常帶、重要巖性接觸帶在隧道外側(cè)進行布置，以驗證物探異常帶，查明異常帶特征和性質(zhì)。

本隧道勘察共布置鉆孔22 個，總進尺3312.93 m。其中大于100 m 的隧道洞身鉆孔9 個， 最深鉆孔孔深347.99 m。

3.4 測試及試驗

本隧道在鉆孔完成后， 主要進行的測試試驗包括孔內(nèi)聲波測試、地應(yīng)力測試、鉆孔水位恢復(fù)試驗、抽注水試驗、室內(nèi)巖土試驗等。

孔內(nèi)波速測試主要對鉆孔中-微風(fēng)化基礎(chǔ)段進行，累計完成10 個孔，測試深度2176 m，測點4362 個；水位恢復(fù)觀測22 次，抽水試驗8 孔，注水試驗1 孔；室內(nèi)試驗完成土樣12 組，巖樣32 組，水樣6 組。

地應(yīng)力測試參照臨近貴新隧道施工圖設(shè)計階段成果， 由于已建成的福州繞城公路的貴新隧道隧底設(shè)計標(biāo)高為72.6～126.0 m，洞身最大埋深約為465 m，本隧道隧底設(shè)計標(biāo)高為77.72～84.0.0 m， 洞身最大埋深約為482 m，兩處隧道地應(yīng)力條件及工程地質(zhì)條件相似；參照貴新隧道施工圖設(shè)計階段對貴新隧道洞身鉆孔SS10 采用水壓致裂法進行了現(xiàn)場地應(yīng)力試驗成果， 最大水平主應(yīng)力值為13.32 MPa，ZK6+350～ZK7+440、YK6+440～YK7+540強度應(yīng)力為6.5，隧道埋深超過340 m 屬高應(yīng)力區(qū)，開挖過程中可能出現(xiàn)巖爆。

4 勘察成果

通過合理有序的綜合地質(zhì)勘察， 查明了北嶺隧道的工程地質(zhì)條件，得出了以下成果。

(1)根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆孔及室內(nèi)試驗結(jié)果，隧道圍巖以中-微風(fēng)化侏羅系南園組凝灰熔(J3n)為主，局部見燕山晚期花崗閃長巖(γδ53)侵入，花崗斑巖(γπ)、輝綠巖(β)、閃長巖(δ)巖脈等順構(gòu)造帶貫入。

(2)根據(jù)工程地質(zhì)測繪、物探成果，隧址發(fā)育11 條斷層構(gòu)造帶及8 條節(jié)理裂隙密集帶， 并經(jīng)鉆探和地表測繪驗證，斷層構(gòu)造帶表現(xiàn)為帶內(nèi)巖體極破碎，呈土狀夾礫石狀，見綠泥石化、硅化等，部分見花崗閃長巖、花崗斑巖、輝綠巖及閃長巖巖脈貫入充填； 部分?jǐn)鄬拥乇頊y繪斷裂面呈鋸齒狀，發(fā)育反向階步，斷面見擦痕，兩側(cè)裂隙見泥狀物質(zhì)充填；斷層構(gòu)造帶對本隧道圍巖級別影響明顯，圍巖級別為IV-Ⅴ級。 節(jié)理裂隙密集帶表現(xiàn)為節(jié)理裂隙極發(fā)育，裂隙面見鐵錳質(zhì)渲染，巖體破碎，呈中風(fēng)化，巖芯呈碎塊狀，對隧道圍巖級別有一定影響，圍巖級別為IV 級。

(3)隧道涌水量主要采用兩種方法進行預(yù)測，一是根據(jù)鐵道部《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》中的地下水動力學(xué)法， 分別采用古德曼經(jīng)驗公式和佐藤邦明經(jīng)驗公式預(yù)測隧道單洞最大涌水量和正常涌水量；二是根據(jù)《水文地質(zhì)手冊》及《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范》中水均衡理論的降水入滲法計算隧道涌水量，綜合兩種計算結(jié)果，該隧道正常涌水量建議值為13500 m3/d。

(4)擬建隧道洞底位于二水源通道洞頂標(biāo)高以上80 m左右，對二水源通道影響較小，但對宦溪鎮(zhèn)、黃田村等附近村莊影響較大， 且隧址區(qū)在宦溪鎮(zhèn)分布3 條構(gòu)造帶(F4、F5、F6)， 其中F4 構(gòu)造帶物探顯示為低阻富水段，同時地表測繪顯示，F(xiàn)4 構(gòu)造帶附近分布水井、泉及沖溝，水井水流量為5.5 m3/d，泉流量0.005～0.02 m3/s；由于3 條構(gòu)造帶相隔較近，彼此間易形成導(dǎo)水通道，結(jié)合二水源通道在宦溪鎮(zhèn)施工期間出水量較大， 本隧道標(biāo)高高于第二水源通道、更接近地表且斷面大于第二水源通道，施工期間可能會產(chǎn)生較大涌水量， 施工時應(yīng)注意加強隧道超前地質(zhì)預(yù)報工作，同時做好涌水專項預(yù)案。

(5)本次勘察地應(yīng)力測試參照臨近貴新隧道施工圖設(shè)計階段成果，對貴新隧道洞身鉆孔SS10 采用水壓致裂法進行了現(xiàn)場地應(yīng)力試驗成果， 最大水平主應(yīng)力值為13.32 MPa，經(jīng)計算本隧道ZK6+350～ZK7+440、YK6+440～YK7+540 強度應(yīng)力為6.5，隧道埋深超過340 m 屬高應(yīng)力區(qū)，開挖過程中可能出現(xiàn)巖爆。

(6)按照《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20-2011)進行隧道圍巖的分級，根據(jù)巖石飽和單軸極限抗壓強度(Rc)及物探測井的巖體的完整性(Kv)，結(jié)合地下水、節(jié)理裂隙、圍巖應(yīng)力狀態(tài)等進行計算，隧道圍巖級別劃分為Ⅱ-Ⅴ級，其中Ⅱ級圍巖約占36.8%，Ⅲ級圍巖約占33.8%，Ⅳ級圍巖約占21.3%，Ⅴ級圍巖約占8.1%。

5 結(jié)論

(1)復(fù)雜地質(zhì)條件下的特長隧道勘察應(yīng)在充分分析區(qū)域地質(zhì)背景基礎(chǔ)上，通過物探與工程地質(zhì)調(diào)繪相結(jié)合，采用鉆探、試驗等多種勘察方法，相互驗證、相互補充，可得出較為詳實的最終成果。

(2)隧道洞身鉆探往往花費較大的人力、物力，應(yīng)在工程地質(zhì)調(diào)繪及物探工作完成的基礎(chǔ)上分重點、 分目的進行布置，對本隧道的地層巖性復(fù)雜、構(gòu)造發(fā)育及水文地質(zhì)特殊等對圍巖級別和設(shè)計方案影響較大的地段進行重點布置，同時開展孔內(nèi)聲波測試、地應(yīng)力測試、鉆孔水位恢復(fù)試驗、抽注水試驗、室內(nèi)巖土試驗等原位測試及試驗，以充分利用鉆探成果。

(3)深埋特長隧道的勘察，在選用物探方法時，應(yīng)充分考慮地形地貌、地物環(huán)境等因素，本項目為減少地表超高壓線的影響， 后半段采用抗交流干擾能力強的大功率直流電阻率電測深法(大功率激電測深法，最大供電電流達到2A 以上)，經(jīng)鉆探驗證，效果較好，地質(zhì)異常均在鉆孔中有揭示；在布置物探時，可考慮先布置單軸線，在根據(jù)異常情況局部布置雙軸向或垂直軸向布置， 以確定異常帶走向。

(4)隧道施工應(yīng)根據(jù)動態(tài)設(shè)計、信息化施工的原則進行，由于受地形地質(zhì)條件復(fù)雜、埋藏深度大等諸多因素的影響，無法較準(zhǔn)確判定圍巖級別，施工時應(yīng)做好開挖斷面的觀測和描述工作， 并做好隧道的超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)控量測工作。 超前地質(zhì)預(yù)報工作，建議采用開挖掌子面、洞頂、 壁的巖土觀測和地質(zhì)雷達反射波法結(jié)合紅外線測量等方法進行，對于可能出現(xiàn)突、涌水的富水地段，必要時建議采用超前水平鉆孔等方法進行超前地質(zhì)預(yù)報； 并根據(jù)預(yù)報成果，相應(yīng)地調(diào)整施工方法或圍巖支護措施。