黃竹山特長隧道綜合勘察方法探析

陳 明

（福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004）

0 引言

近年來，隨著福建省高速公路飛速發展，山區高速公路的建設已成為必然， 而隧道作為高速公路控制性構造物，其重要性不言而喻，特別是特長深埋隧道，成為高速公路勘察中的難點。

本文以 《國家高速公路北京至臺北射線福建境內建甌至閩侯高速公路寧德市境A5 合同段》[1]黃竹山特長隧道工程為例， 對山區特長深埋隧道采用多種勘察方法分析。 最終得出綜合勘察方法分析結果。

綜合勘察方法是根據項目工程地質背景、地形地貌、地質條件，充分閱讀區域地質資料，進行工程地質調繪，結合物探、鉆探、取樣及現場測試進行綜合分析，并互相驗證，得出勘察成果。

1 工程概況

擬建隧道跨S2、S3 兩個合同段，進口位于S2 合同段寧德市古田縣上墩村東側的剝蝕低山北側坡麓, 出口位于S3 合同段福州境內閩侯縣東橋鎮西北部山區，線路穿越黃竹山。 S2 合同段內左線起止樁號ZK94+377～ZK98+786，全長4409m；右線起止樁號YK94+397～YK98+793，全長4396m；S3 合同段左線起止樁號ZK99+128～ZK103+387， 全長4259m； 右線起止樁號YK99+128～YK103++362， 全長4234m， 兩合同段線位整合樁號縮短334.2～341.6m。 全隧道長約8668m，該隧道為福建省內第二長隧道，長度僅次于牛巖山隧道。隧道最大埋深約823m。隧道左右線進口形式均為城墻式，出口為端墻式。隧道設有斜井1 組，左右洞各1 座。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

隧址區屬侵蝕剝蝕高丘陵-中低山地貌，該隧道穿越黃竹山山體,地形起伏大，天然山坡坡度約25°～45°，山脊較陡峭,溝谷內常年有水。 進口處地面高程430～435m，出口處地面高程350～355m， 隧道軸線最大海拔標高約1248m，植被較發育。 進出口段自然坡度約30～35°。 沿線地表植被發育，為山區林地。

2.2 地質構造和地震

據區域地質資料， 隧址區發育福安-南靖斷裂帶，走向為北東向，地表表現不明顯，但大地電磁、地震波速等物探均有明顯反映。該斷裂帶與隧道接近正交，根據大地電磁物探及鉆探成果：隧址區發育有7 條構造，對洞身圍巖級別影響明顯。

根據 《中國地震動參數區劃圖(GB18306-2001)》和《京臺線建甌至福州（閩侯）高速公路及古田至屏南連接線線路工程地震安全性評價報告》[2]可知，本區地震基本烈度為VI 度區，地震動峰值加速度為0.05g，本場地地震動反應特征周期為0.35s。

2.3 地層巖性

根據工程地質調繪及鉆探成果表明， 隧址場區地層較為簡單，表層為第四系（Qel-dl）殘坡積土，下伏基巖為侏羅系南園組第二、三段(晶屑)熔結凝灰巖（J3n2、J3n3）及其風化層，局部見花崗斑巖（γπ）侵入。 隧道工程地質縱斷面示意圖見圖1。

2.4 不良地質及特殊性巖土

圖1 隧道工程地質縱斷面示意圖

隧道進出口段見滾石發育， 隧道開挖易引起滾石滑落，應進行防護；且進出口段為土質邊坡，土層為坡積粉質粘土，為高液限土，建議土層坡率為1：1.25～1.50，每階不宜大于6m。

2.5 水文地質條件

本隧道區位于侵蝕剝蝕高丘陵-中低山區， 跨越平洋-安仁溪與古田溪之間的分水嶺，水資源較豐富，洞身多處溝谷，常年有流水，勘察期間流量約0.02～10.0L/s。地下水主要為風化帶網狀孔隙裂隙水和基巖裂隙水， 孔隙裂隙水賦存于基巖風化帶中， 基巖裂隙水賦存于基巖的裂隙中，地下水水量不均，受構造及節理發育情況控制，構造發育部位及基巖破碎帶處富水性及導水性較好。

3 主要工程地質問題

根據隧址區地形地貌、 區域構造特征及地層巖性情況分析，該隧道存在以下地質問題:

（1）隧址區洞口發育滾石，且洞口邊坡土層為高液限土，洞口施工應邊開挖邊支護。

（2）隧址區發育7 條構造，需查明構造及其影響帶圍巖分級，查明構造帶及洞口突水涌水情況。

（3）地層巖性較為簡單，主要為(晶屑)熔結凝灰巖，但侵入花崗斑巖，應調查花崗斑巖的放射性情況。

（4）洞身段地形屬于高應力區,分析圍巖產生巖爆的可能。

4 綜合勘察方法分析

擬建隧道長8668m，隧道最大埋深約823m，隧道埋深大于500m 的段落有50%， 屬于福建省內工程量巨大的隧道之一，結合地質情況，采用單一、傳統的勘察方法已不再適用，且容易忽視關鍵工程問題。故本隧道在勘察過程中應用工程地質調繪、 淺層地震、EH4 大地電磁、孔內聲波測試、地表放射性及鉆孔地應力測試、地質鉆探、鉆孔水文試驗及室內巖土水質試驗分析等綜合勘察方法，以便全面了解擬建隧道的全貌。

4.1 工程地質調繪

在區域地質資料的基礎上，對擬建隧道軸線兩側各不小于200m 的帶狀區域進行精度1∶2000 工程地質調繪[5]，通過對區域構造、巖層產狀、基巖露頭、不良地質及地下水的類型等調查，主要工作情況見表1。

表1 黃竹山隧道主要勘察工作量表

4.2 物探

通過對區域地質及工程地質調繪的構造成果及深埋隧道下部隱伏構造進行物探核查， 采用大地電磁法對隧道縱軸線貫通測試（見圖2），洞口段橫向斷面則采用淺層地震法測試，并對物探成果進一步分析構造的可能性。

根據物探解譯成果，YK96+200～YK96+400m 段存在傾向小里程方向的構造破碎帶及影響帶， 圍巖破碎，富水；YK97+540～YK97+780m 段存在傾向小里程方向的構造破碎帶及影響帶， 圍巖破碎， 富水；YK100+400～YK100+700m 段存在傾向大里程方向的節理裂隙密集帶及影響帶，該區上方存在大范圍的富水區，其余段電阻率等值線變化自然、無異常，推測圍巖較完整-完整。

圖2 黃竹山隧道大地電磁法二維反演斷面圖

4.3 鉆探、取樣及現場測試

本隧道勘察共布置鉆孔18 個，總進尺2124.44m。 其中大于100m 的隧道洞身鉆孔7 個，最深鉆孔SS832 孔深557.63m。

在結合工程地質調繪、物探解譯成果的基礎上，對構造破碎帶、節理裂隙帶、富水區、巖性界限段等進行鉆探驗證。

對區域構造F55 及物探推測YK96+200 ～YK96+400m 段布置鉆孔SS830， 孔深467.22m， 鉆孔揭示巖芯86～88m、102.7～105m、112.8～120m、140.8～142.6m、147.8～149m、285.9～292m、297.5～299m、314.2～320m 處巖芯較破碎，RQD=10-30%， 可見構造角礫跡象并多處孔內漏漿，與物探解譯吻合。 對物探推測節理裂隙密集帶及富水區YK100+400 ～YK100+700m 段 布 置 鉆 孔SS832， 孔 深557.63， 鉆 孔 揭 示 44.3 ～68m、140.5 ～149.5m、332.5 ～333.6m、450.9～452.4m、506.0 至孔底可見構造角礫， 土狀夾層，孔內漏漿嚴重，與物探解釋吻合，可見物探解譯對隧道深孔下部隱伏構造有重大的指導作用。

為了充分發揮鉆孔作用， 對鉆孔同時進行孔內聲波測試、水位恢復試驗、抽注水試驗、原位測試、室內巖土試驗、地應力試驗及巖漿巖段放射性測試，全面獲取了計算圍巖基本質量指標BQ、滲透系數及物理力學指標參數等地質信息。

5 勘察成果

通過合理有序的綜合地質勘察， 查明了黃竹山隧道的工程地質條件，得出了以下成果。

（1）根據工程地質調繪、物探、鉆探、取樣及現場測試結果，隧道圍巖以中-微風化（晶屑）熔結凝灰巖、花崗斑巖為主, 主要不良地質及特殊性巖土為隧道進出口段的滾石及高液限土，根據綜合勘察方法分析，隧道洞身圍巖按照《公路隧道設計規范》（JTG D70-2004）[6]進行隧道圍巖分級，劃分為Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級，圍巖約占全長比例分別為37.93%、46.90%、14.25%、0.92%。

（2）根據隧址區水文地質條件調查及鉆孔水文試驗，對隧道涌水量進行估算， 成果表明， 隧址區為火成巖地段，水文地質條件較為簡單，但應注意風化基巖中網狀裂隙-孔隙水，基巖構造裂隙水及巖性接觸帶可能發生集中涌水，應加強超前地質預報并進行防排水措施。根據估算成果，該隧道單洞正常涌水量Qo約為5963m3/d，最大涌水量Qs為10708m3/d。

（3）隧道區的水平地應力以構造應力為主，同時表明地應力場以水平應力為主導，在測試深度范圍內，最大水平主應力方向為NW307°左右，最大、最小水平主應力隨巖層深度均有增大趨勢， 估算最大水平主應力為22.78MPa， 最小水平主應力為17.02MPa， 自重應力為21.81MPa。

地應力根據 《京臺線建甌至閩侯高速公路寧德段黃竹山隧道SS831 鉆孔地應力測試報告》[3]， 測試結果見表2：

表2 黃竹山隧道圍巖可能發生巖爆的隧道埋深

可見，對于微風化晶屑熔結凝灰巖圍巖隧道，最大埋深（823m）區屬于高應力區。 當隧道圍巖埋深小于490m時，不會有巖爆發生；當隧道圍巖埋深大于490m 時，有可能發生巖爆； 當隧道埋深超過730m 時有可能發生中等強度的巖爆，應提前做好預報工作。

（4） 在本線路的工程可行性研究階段做了隧道區地表的放射性測量，據區域《京臺高速公路工程可行性研究階段放射性調查報告》[4]，未見明顯的地表放射性異常。

6 結論

黃竹山特長隧道勘察中，充分結合工程地質調繪、物探、控制性鉆孔驗證，取樣及現場測試等綜合勘察方法，查明了隧道不良地質條件， 查明了區域構造及隧道下部的隱伏構造、富水區位置，查明了隧道高應力區可能發生的巖爆位置，進行事先預報，提前做好防爆防治工作。 通過對綜合勘察方法的總結，得出以下結論：

（1）綜合勘察方法不是采用單一、傳統的勘察方法，也不是將各種勘察手段簡單拼湊、疊加，而是在充分分析各種勘察方法的基礎上，互相驗證，以得到科學、統一的成果結論。

（2）應科學的遵循先研究區域地質資料，進行工程地質調繪，再結合物探核查，最后鉆探及試驗驗證的勘察程序。但由于物探的多解性，科學分析物探成果也是非常重要的，它可以充分核查地調成果，也為鉆孔布置起到良好的指導作用。 而鉆探在獲取全面地質信息的同時又可以驗證區域資料及物探的成果，相輔相成。