白馬特長隧道綜合勘察及成效探討

謝勇謀

摘要：白馬特長隧道采用遙感、地質調查測繪、物探、鉆探、各項試驗及測試等綜合勘察手段，并對有害氣體進行專項研究，查明了隧道的主要工程地質條件，為設計及施工提供了重要指導。文章對各主要勘察方法的使用效果進行了評述，尤其對原巖為沉積建造的巖層如何合理布設隧道洞身段深孔進行了探討，為其它類似復雜地質條件下深埋特長隧道勘察方案的優化及勘察手段的選擇提供了借鑒。

關鍵詞：白馬隧道;綜合勘察;地質調查測繪;物探;鉆探

中圖分類號：U452 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.034

文章編號：1673-4874（2019）09-0117-04

0引言

復雜地質區深埋特長隧道的勘察，既十分重要又往往難度極大，單一的勘察手段難以達到查明場地工程地質條件的目的，需要根據隧道工程可能面臨的各主要工程地質問題，采用包括遙感、地質調查測繪、物探、鉆探、各項試驗及測試等多種手段的綜合勘察方法。而復雜地質條件下長大隧道的勘察工作，由于勘察方案不合理或勘察工作不到位，往往會給設計及施工帶來嚴重后患，如地層巖性判識不準確，關鍵地層的界線位置在剖面上有誤，可能造成大范圍大比例的圍巖級別變更，使工程造價失控，并可能影響到整個隧道建設的正常推進;一些斷層破碎帶或軟弱破碎帶的位置及性質沒有勘探準確，設計及施工沒有采取相應防護措施，容易出現大的塌方事故，塌方的處理不僅耗費人力物力，而且占用寶貴的工期，短則一二十天，長則可達數個月，嚴重影響施工進度，對施工方的經濟效益也會造成直接影響;富水地層及富水構造沒有查清楚，施工中沒有相應預案，可能會遭遇較大的涌突水危害;有些非煤系地層但仍具生烴條件，忽視了弱生烴地層在某些條件下瓦斯可能聚集的不利影響，可能在施工中發生嚴重的瓦斯爆炸事故;巖溶地區巖溶洞穴、巖溶管道、巖溶地下水沒有查清，不僅容易發生涌突水，也容易發生涌突泥、洞頂或洞底坍塌等事故。另外，如勘察階段沒有將深埋隧道高地應力條件下的硬質巖巖爆、軟質巖大變形問題科學合理地進行預測評價及相應防護設計，則可能在施工中發生巖爆及大變形危害，嚴重制約施工進度。上述事故在復雜地質區長大隧道的施工中時有發生，對隧道工程的正常建設危害極大，充分說明了隧道的地質勘察工作對于隧道設計及施工的重要指導作用，尤其是在復雜地質區，前期地質勘察工作的成敗在某種意義上直接決定了隧道工程建設的成敗。

在筆者負責的白馬隧道工程地質勘察中，即采用多種技術手段的綜合勘察方法，查明了隧道的各主要工程地質問題，為工程設計及施工提供了科學依據。該隧道勘察工作起于2012年，止于2016年，并于2016年開始動工修建，目前主洞已累計施工近4km。

1工程概況

白馬隧道為四川省九寨溝至綿陽高速公路上的重要控制性工程，為穿越四川省平武縣與九寨溝縣交界處的黃土梁山體而設，為分離式越嶺隧道，左線長13013m，右線長13000m，最大埋深1092m。

隧址區為構造剝蝕高中山地貌，軸線附近地表最高海拔約3400m.隧址區在大地構造上位于秦嶺造山帶、松潘甘孜造山帶和揚子陸塊銜接部位，有多條區域斷裂及分支斷裂通過，地質構造十分復雜。

場區地層主要為上古生界泥盆系中統三河口組板巖、砂巖及炭質板巖，局部出露印支期中酸花崗斑巖。

該隧道的地質勘察工作采用了遙感、地面地質調繪、綜合物探、鉆探、測試與試驗等多種勘察手段，并對有害氣體進行專項研究。通過綜合分析及評價，查明了場地的主要工程地質條件，對隧道圍巖級別進行了劃分，合理評價了深埋隧道的巖爆、大變形、涌突水、地溫、放射性及有害氣體等重要問題，為科學設計及順利施工提供了重要指導。

2綜合勘察方法

2.1 遙感及地質調查測繪

在勘察工作前期，首先通過小比例衛星圖并結合區域地質圖，對場地區域性大斷裂的大致位置及延伸走向進行了判識，對各主要地層及其界線根據其在地貌上的不同表現進行了粗略劃分，對場地地形地貌、通行條件、河流溝谷及植被發育情況等進行了直觀判識。

在遙感影像分析的基礎上，開展了不同階段、不同比例尺的工程地質、水文地質調查測繪、巖體結構面統計分析及不同地層典型地質剖面實測等工作。

隧道共完成1：10000調繪面積54.65km，完成1：2000調繪面積17.22km。大量地質調繪基礎資料的獲取，為隧址區構造格架的確定、地層巖性的劃分以及后續物探、鉆探工作的布設與開展等奠定了重要基礎。

2.2 綜合物探

初勘階段采用天然場音頻大地電磁法對隧道進行了貫通性物探測試，布設物探剖面長度為17.02km，物探電阻率斷面見圖1。詳勘階段則采用EH4大地電磁法在隧道軸線附近針對F9斷層布設了3條物探橫剖面，布設剖面長度為1.35km。對隧道地質構造形態、巖體完整程度及相對的軟硬程度、斷層破碎帶的位置、規模等進行了探測與解譯，另外還完成了多個鉆孔的孔內物探測試工作。通過地表調繪、物探測試，并結合驗證性鉆探，了解了場地的地質結構。

2.3鉆探及測試

在進出口地段布設淺孔（<100m）共11個，進尺共423.5m。在洞身地段布設深孔（>100m）共8個，進尺共2121.09m。隧道地質結構及深孔布設示意見圖2。利用鉆孔進行巖體波速測試1孔共63.5m，綜合測井678.2m/2孔，地應力測試2孔，水文試驗2孔，巖石單軸抗壓62件，巖石變形試驗9組，巖石抗剪試驗10組，巖塊聲波13件，炭質板巖自由膨脹率1件，水質分析2組。

2.4有害氣體專項

隧道圍巖含炭質板巖，據區域資料，隧道所穿越的地層局部可能含雞窩狀劣質煤，隧道地層具備瓦斯生成和賦存條件，且由于隧址區斷裂發育，構造復雜，深部或鄰近巖層中的有害氣體亦可向隧道運移。鑒于瓦斯可能對本隧道造成的不利影響，本項目開展了有害氣體專項評價工作.現場共檢測隧道鉆孔4個，均有一定瓦斯含量。室內4組氣樣分析均有瓦斯存在，瓦斯最大濃度為2.12%。基于隧道鉆孔瓦斯檢測濃度的隧道開挖掌子面瓦斯逸出速度估算值為0.78m/min。根據《公路瓦斯隧道技術規程》（DB51/T2243-2016）規定，綜合判定白馬隧道為低瓦斯隧道。據施工中的瓦斯監測，實測瓦斯濃度一直維持在一個較低的水平，一般均<0.15%，遠低于設計要求的0.3%的報警值。

3勘察成效探討

通過遙感、地質調繪及物探，對隧址區區域性大斷裂的位置及延伸走向能做到較好地判識，物探剖面能對斷層傾向傾角等直觀反映，物探剖面電阻率等值線圖結合鉆探驗證孔可大致圈定不同地段巖體的完整性及堅硬狀態，結合地表調繪成果及鉆探取樣測試，可作為圍巖分級的參考依據。經過BQ值計算，并考慮結構面、地下水及地應力的影響，本隧道在板巖為主的地段圍巖以V級為主，砂巖為主的地段圍巖以Ⅳ級為主，深埋高地應力地段花崗斑巖劃為Ⅲ-Ⅳ級，斷層破碎帶劃為V級。通過整個隧道圍巖級別比例統計，左右線的V級圍巖占整個隧道的比例均超過了70%，這在四川地區長大越嶺公路隧道中是少見的。目前該隧道主洞已累計施工約4km，圍巖級別總體與勘察設計相符合，局部比勘察預判的圍巖條件差。值得一提的是，根據貫通性物探剖面，隧道中部有一異常高阻帶，結合區域資料及地質調繪，推測該深埋段為花崗斑巖。由于隧道中部埋深已>1000m，且地形陡峭險峻，大型鉆探設備無法到位，因此并未布設鉆孔對該段推測的花崗斑巖進行鉆探驗證。

由于場地巖層大多陡傾，巖層傾角一般為55°-75°，深孔鉆探控制的巖層范圍有限，鉆孔巖芯RQD及波速測試所反映的巖體完整性均比實際開挖揭示的巖性略好。對于這種陡傾巖層，深孔鉆探對地層的控制作用大打折扣，對于巖體完整性的判識上也容易出現失真現象。對于類似陡傾巖層，在適當的位置布設斜孔，或直接開挖相對較深的探槽，對地層巖性及斷層破碎帶的揭露可能要好得多。可以在探槽中直接進行結構面統計，直接取巖樣進行室內物理力學試驗。

另外，對于這種原巖為沉積建造的巖層，鉆孔不一定非得布在隧道軸線附近，由于沉積巖順巖層走向巖體性狀的連續性總體較好，軸線兩側數百米范圍內深部微-未風化帶同一地層的巖性性狀一般基本相當，只是由于埋深差別大，地應力量級差別較大，另外水文地質特征會有所差別。因此對于沉積巖地層，在隧道中部地段，可以考慮將鉆孔布設于距隧道軸線數十至數百米的溝谷處埋深相對較小的地段，并可采用作圖法將揭露的構造或巖層投影于隧道軸線剖面上;鉆孔中采取的巖樣及測得的巖體完整性均可按照其所在構造上的部位投影在隧道對應段落上使用;至于地應力，則可根據地應力隨深度的變化曲線進行線性回歸分析，從而推算出對應隧道軸線大埋深地段的地應力量級，這樣不僅可大大減小鉆孔深度，也節約了勘察周期，經過綜合分析使用，完全能達到同樣的勘察效果.上述深孔布設思路在筆者負責勘察的四川省道303線巴朗山隧道中得到了成功應用，大大節約了勘察成本及勘察周期。

4 結語

（1）由白馬隧道的綜合勘察實踐可知，對于復雜地質條件下的深埋長大隧道勘察，遙感、地質調繪工作應先行，物探工作是主體，并為后續鉆探工作的布設作指導，而鉆探工作則主要起到在關鍵地段對前期工作進行驗證并用以開展各項測試的作用。

（2）類似于白馬隧道這種陡傾巖層，深孔鉆探對于地層的控制作用有限，可考慮在適當的位置布設斜孔，或直接開挖相對較深的探槽，這樣對地層巖性及斷層破碎帶的揭露會更加直接有效.

（3）類似于白馬隧道這種原巖主要為沉積建造的巖層，對于隧道中部深埋段沉積巖層的勘探，可考慮將鉆孔布設于距隧道軸線數十至數百米的溝谷處埋深相對較小的地段，通過作圖法和綜合分析進行成果利用，可大大節約勘察成本并縮短勘察周期。

（4）本隧道主洞已施工近4km，據開挖揭示情況，總體而言，隧道主要工程地質問題與勘察成果較一致，但局部地段比勘察預判的地質情況還要差.結合其它復雜地質條件下的隧道勘察與施工實踐，對于地質條件復雜的深埋長大隧道，勘察階段要想完全搞清楚場地工程地質條件，受勘察手段及勘探工作量的限制，基本上是不可能做到的。因此，在施工階段應大力加強施工地質工作，加強超前預報及現場圍巖實時判識，使施工地質工作成為隧道勘察設計重要而必須的補充。