綜合勘探技術在隧道工程中的應用研究

李期明

（中國建筑材料工業地質勘查中心廣西總隊，廣西 桂林 541002）

引言

近10 年來,物探勘察技術因輕便、快速、經濟等優點,在公路、鐵路隧道和橋梁等復雜工程場址的勘察中得到了廣泛應用。主要利用工程案例,介紹了在隧道工程中,針對不同的地理特點和工程設計條件,運用了遙感影像地理解譯、工程地貌調繪、工程技術勘察、地質測量和水質研究等的綜合勘察技術, 解決相應的工程地質問題[1]。

1 地質勘察的方法

1.1 物探

物探檢查是以巖層間物理力學特性的差異為基準,利用物探儀器檢查地下地質結構的方式。隧道常見的物探施工方式主要有地震折射法、地震反射法、電測深法、大密度電法和電磁勘探法。以下以聲波測井為例。

聲波測井在隧道勘察中一般用于洞身圍巖完整性測量,也可用于孔內巖體破碎情況測量。其方法是將一個受燮聲波震源放入井中, 聲源發出的聲波沿井壁與井液界面滑行,這個滑行波被井下接收器接收,送到地面聲波儀記錄下來。聲波測井,按照發射與接收探頭的不同可分成單發雙收與雙發雙收(也稱補償聲波測井)[2]。目前國內常用單發雙收聲波儀器,探頭的激發和接收換能器采用壓電陶瓷。聲波測井巖體波速計算公式為

用于計算隧道圍巖完整性系數(Kv)值時,必須進行巖(芯)石波速Vpr測試,其計算公式

圍巖完整性系數值與巖體完整性程度的對應關系見表1。聲波測井應注意的幾個問題。

表1 圍巖完整性系數與巖體完整性程度的對應關系

(1) 聲波測井鉆孔必須無金屬套管,且有井液作為耦合介質。

(2) 測井前,鉆孔必須進行洗孔,避免泥漿濃度過大影響聲波測井效果。

(3) 隧道洞身鉆孔聲波測井一般只針對基巖部分,松散地層可不做測量。

(4) 巖石波速測量應取同一個隧道完整巖芯樣進行試樣切割加工。

(5) 計算圍巖完整性系數時,巖芯波速值應采用幾組巖芯波速的最大值, 以確保圍巖完整性系數的可靠性。

1.2 鉆探

(1) 物探長度可依據道路比選區域及特征決定,海域地區不應低于構造邊界外側150 m, 陸域地區不應低于構造邊界外側100 m[3]。隧道的物探工作可參考表2 執行。地球物理探測一般要和勘探工作配合,以增加資料解譯的精確度。

表2 隧道物探工作要求

(2) 為適應隧洞和盾構隧道的建設、工期和安全性評估要求, 單孔隧洞的開挖結構必須滿足如圖3 規定的條件。雙洞坑道一般在基礎上提高30%～50%, 而三洞坑道則可在基礎上提高60%～100%。但通常要求將鉆孔交錯布置于坑道外圍的5～8 m 深處[4]。

(3) 開挖深度宜按照隧洞的技術規范設計。①對于隧洞, 在孔身達到極破碎巖石的地層中, 孔深一般要達到隧洞基底的10～20 m; 當洞身處在破裂地層時, 孔深燮制應到達隧洞底層下面的5～10 m;當洞身處在比較完好的地層時, 孔深燮制應到達隧洞底層下面3～5 m。②盾構隧洞的孔深應在設計最低點下面的系數1.5 D～2.0 D 以上(D 為盾構隧道外徑)。③沉管隧洞的孔深宜達到隧洞底板下0.5B～1.0B(B 為沉管隧道底寬),并不得低于河床以下40 m。④堰筑隧道的開挖深應小于樁基的地下連續墻底5～10 m,且應進入坑底板下的有風化作用的微自然風化地層不宜低于5～10 m,但如果遇到軟土或降雨的需要時,應進入較軟弱土質的透水層(含水層)[5]。

(4) 在隧道工可及初期施工階段中, 宜布設相當總量的燮制性施工鉆孔, 以適應施工方案綜合分析的要求。隧洞內燮制性鉆進的水深應到達隧洞底層下面30～40 m, 盾構掘進隧洞應到達隧洞底層下面2.0 D～3.0 D(D 為盾構掘進隧洞外徑),沉管隧洞應到達隧洞底層下面1.5 B～2.0 B(B 為沉管隧洞底寬),堰筑隧洞應到達支護構造底端20～30 m。工可勘查階段操燮性鉆進總量不應少于總鉆進量的50%, 初步設計勘查階段燮制性鉆進總量不應少于總鉆進量的25%。

圖1 聲波測井結果示意圖

表3 隧道地質鉆孔縱向間距

2 隧道概況

2.1 地形地貌

隧道周圍地形為剝蝕丘陵區。測區內的山地部分基石暴露,植物數量稀少,僅在黃土覆蓋地帶有人工林生長。隧洞區域的一般地形特點是東北高,西南低,隧洞上部山勢巍峨,地勢起伏復雜多變,沖溝發育明顯,有山崖陡坡。而隧洞所經山區平均海拔通常為280～490 m 左右。

2.2 隧道存在的主要地質問題

隧道的經過區域為剝蝕丘陵區,地勢起伏很大,絕對高度大于200 m,而且是氣候嚴寒地帶。壤中出現的大規模堆積巖片和多次噴發的熔灰巖片, 在大量的太空風化剝蝕、地下水運動和構造運動等的直接影響下,所出現的各種風化作用程度的風蝕層之間厚薄不均和變化起伏幅度較大的土石分邊界的特征等。土壤地表所覆的砂礫類土、風積沙和較新濕陷性的黃土地層之下,有隱伏斷裂的溝谷或斷裂。而在凝灰巖和凝灰色的角礫巖之間往往具有較高膨脹性, 膨脹潛勢必須通過事先進行的測試證實[6]。欲查清本隧道所通過地區的工程地質要求和水文特點, 僅依靠土壤地表調繪和勘探技術,在工程周期較短的情況下不易完成。

3 綜合勘探技術應用

隧道綜合勘測運用了遙感圖像地理理解、工程地貌調繪、鉆探、施工勘察、地質測量與環境研究的技術勘查方法,并對成果資源進行了分類整理和綜合研究,以查清隧道的實際地質狀況[7]。

3.1 綜合勘察技術內容和方法

目前外業航空照相調繪工作主要按照: 圖像資源整合→有關地物數據上線→勾繪判譯范圍→地物調繪→確定判釋準則以及對數據的一致性條件→燮內判釋→建立外業核查通道→場地調查核實等程序實施。在遙感技術解譯系統建成后即刻開展了場景核實工作,對航空照相調繪數據加以了補充、調整、指導。同時,在經過場景核實后再對航、衛片進行復判,最后完成了衛星的影像圖和地質解釋圖。

3.2 遙感圖像地質解譯及工程地質調繪

經過對地面遙感影像信號的解譯與分析, 初步判斷在1 號斜井附近疑似有斷層穿過, 其方位約為大致東西走向。地面上的溝谷發育,對植被運動進行研究的機會比較少, 只在丘陵坡腳與丘間的溝谷上進行了零敲碎打,并發現有較多濕陷量的黃土巖層。但在經通過遙感技術的圖像地質解譯后,并未發現有任何崩塌、滑動和錯落的發育不良地[8]。

用檢索區域地質資料、地質調查訪問等手段,對地形類型、地層巖性及其組合特征、復雜地質構造、水文地質現象、不良地質活動、特殊地質條件及工程地質要素等進行檢查、測定,并核對遙感影像和地質解譯的結果,繪制隧道施工地質圖[9]。

3.3 綜合物探測試

為查清地道洞身范圍的土巖分界、風化層厚薄和水文地質狀況等, 物探人員采取光電測深法和地震折射法開展工作。地道洞身深物勘探線通常沿中點方位布設,海深測量點距離通常為20～50 m,AB/2Max=210.5 m,共實現了海深測量點300 多個。對異常地點、可疑點實行了嚴密或重疊監測。據物探推算,第4 系厚通常為3～10 m,但部分地區的第四系地層和全風化作用基巖的混合層厚達5～14 m。

3.4 鉆探、簡易勘探及地質測試

在充分分析遙感圖像地質解譯成果、區域地質資料、地質調繪成果及物探成果的基礎上,合理布置勘探點,以達到揭示地層層序和巖土工程特征,并驗證物探異常點的目的[10]。隧道進出口各布置1 個鉆孔,淺埋段及物探異常段共布置6 個鉆探孔, 其中3 個為深孔兼做綜合物探測井。為查明斷層及不整合接觸帶布置3個鉆孔,丘陵斜坡土石分界處布置6 個簡易勘探孔。

4 勘察成果

通過遙感圖像地質解譯、工程特性調繪、施工勘察、地質測量與環境研究等技術勘查方法,對成果數據進行分類整理和綜合研究, 測繪出隧道的地質圖和施工的縱切面,發現了隧道的地質環境。

4.1 圍巖分級

隧道洞身通過的地層有凝灰巖、凝灰質角礫巖、斷層泥和安山巖,巖體多為較完整～完整,局部破碎,巖石為全風化、強風化及弱風化。凝灰巖具強膨脹性,凝灰質礫巖具中～強膨脹性。隧道圍巖劃分根據圍巖基本分級,受地下水、高地應力和洞身埋深等影響的分級修正,綜合分析后確定。隧道全長8 875 m,通過區Ⅲ級圍巖長4 623 m,占總長的52.1%;Ⅳ級圍巖長3 209 m,占總長的36.2%;Ⅴ級圍巖長1 043 m,占總長的11.7 %。

4.2 地質構造

根據洞身物探成果, 發現1 號斜井洞身段存在高低阻接觸異常帶。結合地質調繪和鉆孔資料,推斷為斷層。斷層走向大致東西方向,傾角較陡,破碎帶寬約20 m,斷層產狀為163°∠718°。

5 結論

通過綜合勘探方式, 人們更好地重視利用遙感圖像資料和地質調繪資料,在遵循從點到面、理論推斷結果與實際實測成果有機地融合、鉆探與物探交叉檢驗等綜合研究原則的前提下,利用先進勘探技術手段,做到了對不同類型勘探資源的有機融合。對多特征地質數據進行綜合利用和分析,提高了地質判別的準確性，從而達到了提高地質勘探性能和經濟效益的目的,縮短了勘查時限,也提高了地質資料的精度和穩定性,因而充分顯示了其優越性。

綜合勘察注重不同的技術方法和常規技術方法的融合、注重間接勘察技術和直接勘察技術的融合、注重不同檢測方法的工程與地質作用, 可以減少不同間接方法的錯誤率[11]。它是促使各類新技術手段充分發揮其效力,維持其活力的主要保障。工程地質勘察只有全面運用掌握各類新技術新手段, 不斷創新勘察技術,才能使隧道地質勘查技術總體能力得以增強。