大斷面隧道地質勘察方法及成果分析研究

張昌歡 ZHANG Chang-huan

（深圳市工勘巖土集團有限公司，深圳 518000）

0 引言

隧道工程作為公路工程的重要組成部分，在建設期有諸多不確定且復雜的因素。因此在公路隧道建設階段進行地質勘查是十分必要的，專業的勘察人員能夠借助現代化的科學技術原理方法，通過實地考察調研，對將要修建的隧道進行取證，再結合所需建設工程的實際要求，對數據進行綜合分析、驗證及評價，了解擬修建隧道附近一定區域內的地理環境特點、地形地勢、地質狀況、巖土工程及力學性能等參數，并對工程勘察文件的編制及建設提出合理的意見及建議，便于科學地判斷隧道工程順利開展，并保障最終的工程質量及應用年限。

1 隧道概況

某隧道位于廣東省清遠市境內，全長1481m。隧道區屬于丘陵地貌，山丘局部十分陡峭。隧道進出口位置坡度減緩，覆有全、強風化層，其余部分巖石裸露，隧道區域周邊的山坡富有大量叢生雜草植被，進出口位置分別分布有水泥道路及泥濘小道，交通狀況全然相反。

勘察區地形較為簡單。隧道進出口段自然坡度51°～74°，植被發育。地面高程1366～1520m，相對高差約154m。在隧道經過的地段，基巖裸露，隧道體穿過下三疊統大冶組第三段（T1d3）的白云巖，為堅硬巖石。厚白云石段節理相對發育，巖層產狀相對緩慢。可能遇到較大的突水，容易形成崩塌塊體，對項目建設有一定影響。勘探區為出口端沿隧道軸線剖面布置在里程CYK63+400～CYK64+670 段、CYK63+500～CYK64+770 段。

隧道入口處的基巖裸露，地形陡峭。基巖為白云石。巖石產狀為N70°E/20°SE，向線路左側傾斜。基巖節理較發育，斜坡上有危巖和巖石。出口處基巖裸露，為淺埋段。

2 大斷面隧道地質勘察方法

隧道地質勘察方法主要有遙感、物探、調繪、鉆探及挖探等，應根據地質條件、環境條件及設計需要綜合考慮。該隧道地質構造方面，隧道測繪區域內并未出現斷層，隧體位置黑云母花崗巖及凝灰熔巖的接觸點，該點附近存在大量地下水，巖體破碎狀況明顯；地震方面，測繪區域地震動峰值加速度為0.10g，地震動反應譜特征周期0.40s。針對隧道所經地區的自然、地質、地形狀況及施工條件等對象，應用直接觀察、工程地質調查、訪問群眾及工程地質測繪等方法，了解隧道途經線路的地理形貌、地層巖性、地質構造、特殊地質及不良表層、地層中水的流向，地震等狀況，并結合工程經驗及施工方法進行勘探方法分析，該隧道地質勘察方法主要采用地質調繪、綜合物探及隧道鉆探。

2.1 地質調繪

地質調繪可以先使用小的比例尺，以1:5000 的比例，針對重點水文帶、構造帶及巖性分解帶的巖土露出狀況及分布范圍進行調查，應用1:2000 的大比例尺，重點針對該隧道進出口處進行調查，同時結合使用地質界限追蹤及剖面調查的綜合性方法，摸清隧道進出口位置地層的地貌、巖性構造及不良地質狀況，設定的觀測點需要精準把控隧道巖性狀況，并使用GPS 定位方法，明確重要巖性分界帶等觀測點（如圖1）。

圖1 隧道縱剖面

結合地質調查測繪結果，可見隧道測區狀況簡單，表層附有2m 以下堆積土壤，下浮基巖主要由黑云母花崗巖凝灰熔巖及風化層構成。全、強風化層的進口及出口位置附近的厚度差最大為25m 及14m，而花崗巖殘積層及全、強風化層受水流沖刷，可能會出現崩塌，軟化及強度驟降的問題，再加上大斷面隧道進出口位置貫穿花崗巖區域及全、強風化層等，可見隧道的進出口位置有相對較差的施工條件，而其余地段地質狀況均為良好。

2.2 綜合物探

為使隧道探測具有更高精度，需要考慮隧道周邊地形、環境、數據采集等的限制，綜合應用多種物探方法。該隧道進行的探測應用了高密度電法成像法、CSAMT 電磁法，通過電磁推斷巖石的電性參數，采集所需數據信息。但若測得的參數較為接近，就會影響探測結果的精確性。所以應用物探方法，需要綜合對鉆探及地質測繪等信息資料進行分析，并且實地驗測重點地下富水區、斷裂處及褶皺處，并輔助使用微動探測法或是高密度電法等能夠快速適應地形地貌、控制資金成本且具有良好探測效果的高密度探測方法，去探測隧道進出口位置以及淺埋溝谷段。

2.3 隧道鉆探

為深入到隧道內部進行直觀而確切的探查，并且判斷隧道周邊地形的巖性及其構造，可應用鉆探方法，并進行其余的孔內測試。在依次經過地質調查測繪及綜合物探的前提條件下，該隧道的勘探可以結合之前繪制的隧道區域地形地貌特點，在隧道的進出口位置、控制點、斷裂點以及物探反常區域進行鉆探。比如可以將鉆孔打在隧道洞口處或隧身處，探尋水流在地下及地層表面的連通狀況。

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3 地質勘查成果分析

在詳細勘察階段，勘察人員注重針對隧道途經地區兩旁的周邊地區的地形、地質、環境及水文進行詳細調查，并依據隧道的施工要求完成鉆探、物探等一系列的測試，而該隧道屬于大斷面特長隧道，相應的，其勘探范圍需進一步擴大，以獲取所需的設計及施工資料。

3.1 地質調繪勘探成果

3.1.1 巖石松落

根據勘探結果，發現在隧道入口處丘坡存在大量松落的堆積石塊，石塊最大直徑為數10m，許多巖石表面被侵蝕切割成尖錐直立狀，一小部分巖石已與山丘脫離。一旦巖石崩落，將徑直砸向山丘下方的水泥路面。因此，在隧道公路工程施工特別是爆破施工時，需要做好巖石松落的預防保護工作，防止巖石突然落下，對現場安全造成影響，特別是位于西方的進口隧道的丘陵上堆積有大量搖搖欲墜但直徑可觀的碎石，狀況極不穩定。而考慮到后續施工及應用中的安全性，設計人員經過分析探討，對隧道的洞口進行了整改，使隧道入口與這一段危險區域偏離，避免事故發生。

3.1.2 涌水現象

經過以上勘察，發現隧道圍巖巖石材質主要為花崗斑巖以及風化后的熔結凝灰巖。隧體主要不良地質僅為隧道出入口處的松動巖石。結合前文水文地質情況調查及鉆孔水文試驗結果，大略地估計隧道的涌水量，發現隧址區周邊的地質狀況及水文情況都并不復雜，但需要格外關注的是基巖中風化層出現的網狀裂隙積存的地下水，為防止隧道內由此引發涌水現象，需提前進行預防，做好排水防護。

計算隧道正常涌水量：

式中：

W：年均降水量；

X：日均降水量；

A：集水面積。

計算隧道最大涌水量Qmax：

Qmax=1.50Qs

應用以上公式進行估算，可獲得該隧道單洞的正常及最大涌水量。

3.2 綜合物探成果分析

在整個隧道工程中，為解決多項地質問題，要靈活應用基礎的物探方法，合理確定大多數勘探點，通過地質調查，發現地質問題，再進行鉆探。應用物探方法時，勘查人員可以應用瞬變電磁，貫通洞口及隧道的部分地段，并在隧道的進出口位置及富水區域應用CSAMT 探測法及高密度電法，多次對比觀察。物探結果表明，從隧道YK54+800～YK64+680 段的電阻率分布剖面來看，除局部斷裂帶和出口端電阻率較低外，總體電阻率較高，一般大于1000Ωm，最高大于2500Ωm，以YK62+000 附近為界，隧道入口端沿線路方向的圍巖電阻率高于出口端。斷裂帶圍巖電阻率為100～800Ωm，最低值小于50Ωm。

物探結果表明，隧道區發育有11 條具有一定規模的斷層。物探成果驗證了專項地質調查資料中的F5、F6 和F7 三條斷層。根據隧道圍巖電阻率分布及反演處理結果，參考地質資料，結合地質調查結果綜合分析，物探成果中新發現的8 條異常帶可能為斷層或構造斷裂帶，編號為Fw1～Fw8。從電阻率分布和反演結果圖以及物理地質剖面圖中可以清楚地看到這些斷層帶的位置、規模和影響深度。通過對現場資料的處理和解釋，結合地質條件，得到結果見圖2-圖4。

圖2 隧道高密度剖面YK63+510～YK64+680 段電阻率分布剖面圖

圖4 隧道物探地質解釋剖面圖

隧道電阻率分布剖面反映的隧道區地質特征與原始數據吻合良好，同時增加了新的地質內容。

3.3 鉆孔地應力測試結果

隧道區的水平地應力以構造應力為主，這也表明地應力場以水平應力為主。在試驗深度范圍內，根據《廣東隧道鉆孔地應力測試》的規定，本次試驗結果見表1。

表1 隧道圍巖可能發生巖爆的隧道埋深

從表1 可以看出，本工程試驗成果的最大水平主應力方向約為NW307°，最大和最小水平主應力隨巖層深度的增加呈增加趨勢。預計最大水平主應力為23.89MPa，最小水平主應力為18.13MPa，自重應力為22.92MPa。

4 結束語

在本次隧道勘探時，雖然屢次強調勘察中需要結合運用水文地質調查、鉆探、取樣及測試調查等物探方法，并針對隧道周邊地質、地理形貌、水文、地質構造及隧道下方富水區、裂縫等風險點做好事先應急防護及防爆防治工作。根據以上勘探方法的綜合應用，可發現在諸如廣東隧道等大斷面公路隧道的綜合勘查時，不可采用單一式的勘探方法，而是綜合使用，彼此配合。在隧道地質勘探前，需要勘察人員進行調查或實地走訪，了解隧道區域周邊的地質狀況、環境狀況及水文狀況等信息資料，最后有效結合鉆探、物探及試驗驗證等勘察程序，綜合對物探方法的多元化解釋，對所得的成果進行合理分析，在核查勘測結果的同時，也通過對鉆孔位置的有效布置，獲得更加詳細的地質信息，使公路隧道工程保質保量完成。