城市復雜環境下的深層排水隧洞勘察思路

［關鍵詞］深層排水隧洞；勘察方法；勘察工作布置；復合式盾構

隨著城市化快速發展，城市地下淺層空間已被大量市政管網占據，已無空間再布置大量的新增淺層排水管網，埋深大、尺寸大、規模大的排水方案——排水深隧系統應運而生。

本文以廣東省深圳市某深層排水隧洞系統工程為例，系統論述城市復雜環境下的深層排水隧洞的勘察方案確定思路。

1. 工程實例

1.1工程設計概況[5]

某深層排水隧洞系統工程位于深圳市近海一條主要市政道路旁，工程主要建設內容：深層排水隧道3.74 km（內徑6.0 m，外徑6.7 m），埋深40～45 m，含5座進水豎井（圓形，Φ10～21.6 m，井深43～46 m）；3條連接原水系的進水接駁工程、樞紐泵站1座（排澇規模為86 m3/s，Φ100 m，基坑最深處53 m）。

1.2 場地基本地質條件[5]

場地原始地貌為濱海灘涂地，后期填海造地而成，地表高程4～6.5 m，周邊環境復雜。

場地地層由上至下依次為：第四系人工堆積物、海相沉積物、海陸交互相沉積物、沖積物、殘積物和基巖風化物（燕山期花崗巖和加里東期混合花崗巖）。

場地主要為三類水：孔隙潛水、微承壓孔隙水、承壓基巖裂隙水。

場地中南部地質構造發育，以北西向斷裂構造為主；工程區地震動峰值加速度為0.10g，地震反應譜特征周期為0.35s，地震基本烈度為7度。

1.3 勘察方案的選定過程與思路

隧洞施工工法比選可為礦山、盾構、TBM，其他為明挖。

勘察工作主要分三個階段：可研、初設、施工圖，各階段勘察目的、手段、工作布置等均存在顯著差異，分述如下：

1.3.1 可行性研究階段

本階段勘察目的是為設計選定工程線位（場址）、建筑物基本形式和代表性工程布置方案等提供工程地質資料和地質論證[1]。

勘察內容以大范圍、宏觀上、控制性關鍵問題等地質內容為主，要解決場地的穩定性和適宜性問題，勘察重點是初步調查不良地質作用、特殊巖土、構造，勘察方法以搜集資料、現場踏勘、調查為主，輔以少量的實物勘察工作。

在本項目中應用情況如下：

（1）資料收集、整理、分析

本項目可研階段收集資料類型和作用（意義）分列如下：

（2）地質調查、測繪

現場實際進行踏勘、調查、測繪，掌握現場勘察作業條件和邊界條件；確定了人工填土、局部河道沖積土、山地原狀土的分布邊界和平面上可觀察到的各類地層的成分、狀態；在山體基巖裸露段查勘了區域構造位置、產狀、寬度、斷層性狀等；通過山體露頭了解了巖體結構特征、結構面狀態。

（3）少量勘察驗證

采用少量的鉆探、原位測試和室內試驗等手段，驗證前面已有資料分析整理得出的場地基本地質條件，勘探點沿設計擬定的多條線路軸線布置，縱向間距控制在500m以內[3]，結合線路上各典型建筑物布置（豎井、泵站等）、典型地形地貌單元（地形最高點、最低點）、構造（斷裂發育段）等關鍵特征點布置，保證每個關鍵點位置均有一個鉆孔控制，每個鉆孔均為控制線鉆孔，鉆孔深度超過可能線路埋深以下20～30 m[1]，且控制超過探明的最低基巖面不少于20 m，并不小于2倍洞徑，孔內布置各種取樣、原位測試工作。

通過鉆探基本上查明場地主要地層類型、基巖起伏和埋深、巖體和結構面狀態、構造特征、含水層分布和類型等；通過孔內開展的標貫、動力觸探、波速、孔內攝像等基本上查明各主要巖土層狀態；通過注水、壓水、抽水試驗等基本上查明各主要地層的滲透系數、補逕排關系、涌水量等；通過室內試驗基本上查明各主要巖土層的物理力學性質、水土化學成分和腐蝕性。

1.3.2初步設計階段

本階段勘察目的是在可研選定線位的基礎上查明各類建筑物的工程地質條件，為選定建筑物形式、軸線、工程總布置提供地質依據，對選定的各類建筑物的主要工程地質問題進行評價，并提供工程地質資料[1]。

勘察內容不再以區域性地質問題為主，而是縮小到各類擬建建筑物所在的場地工程地質、水文地質條件上，評價存在的主要工程地質問題，為建設物設計和地基處理方案提供地質資料。勘察方法以物探、鉆探、原位測試和室內試驗等手段為主。

各種勘察方法布置原則如下：

（1）物探

地質測繪和物探手段先行，其他勘察手段在其基礎上有針對性地布置。沿隧洞軸線布置地面物探測線，物探方法選擇應考慮周邊作業環境、調查地質對象特征（重點是基巖面、富水體、構造等），一般可選擇地震反射波、高密度電法、被動源面波等方法，有效探測深度要超過隧洞洞身不少于20m。

（2）鉆探

在物探調查的成果基礎上，結合可研階段探查的基本地質縱斷面，沿隧洞軸線兩側交叉布置（偏離洞邊界3～5m）[3]，縱向鉆孔間距控制在100～200 m[4]，勘探點布置在物探調查的基巖面關鍵點（次級基巖面高點和低點）、構造深槽和重要建筑物（豎井，布于井心處）等處，鉆孔深度超過最低隧洞方案洞底以下10～20 m，且不少于1倍洞徑。

進一步加密的鉆探孔是為了進一步調查縮小范圍的地層結構、界線、巖土特征等，并為原位測試和取樣等提供條件。

（3）原位測試

本項目主要采用原位測試手段為標貫、動力觸探、水文地質試驗（注水、壓水、抽水等），原位測試工作量應主要布置于工程影響范圍內，比如隧洞工程應主要布置于洞身及上下1～5倍洞身直徑范圍內，范圍外可少量布置能滿足地層判斷總體需要即可；豎井工程則應布置于基坑開挖深度范圍、地基作用力影響深度和支護結構嵌固深度兩者大值范圍內，平面上均勻布置，豎向上滿足控制地層性狀變化需要。

針對沿線水文地質結構，在各含水層布置典型抽水孔開展抽水試驗，查明地下水補逕排關系和涌水量，為基坑涌水、隧洞涌水等解決方案提供依據，并為因地下水位下降引起的周邊環境地面下沉提供基礎資料。鉆孔注水、壓水試驗主要用于調查建筑物影響范圍內滲透性小的巖土體滲透性，為基坑（隧洞）涌水量估算和地下水處理措施提供依據。

（4）綜合測井

選取典型鉆孔（巖體完整性好、較破碎、破碎；不同巖性；構造發育）進行孔內超聲波速和鉆孔攝像，查明巖體波速、結構裂隙發育情況，為巖石風化程度判別、地下水活動性判斷、巖體質量等級劃分、圍巖分級、洞室工法選擇等提供依據。

（5）取樣與室內試驗

在各建筑物地基荷載作用深度、隧洞應力釋放圈、基坑支護等影響范圍內取代表土樣、巖樣、水樣等進行室內試驗，取得土層常規物理力學指標；巖體常規指標［密度、吸水率、單軸抗壓強度（飽和、干燥、自然）等，如采用盾構和TBM，尚易進行巖礦鑒定、耐磨性試驗等］，并在洞身區域取代表性花崗巖、混合花崗巖進行放射性元素化驗（鐳-266、釷-232、鉀-40）；水質應進行腐蝕性分析，尤其要重點調查各層水的海浸程度，并細分亞區，同時取代表性水樣進行放射性化驗。

1.3.3施工圖設計階段

本階段勘察目的是在初步設計階段確定的建筑物形式、軸線、工程總布置、地基處理方案、基坑支護方案、隧洞施工方案等基礎上，檢驗、核定初設勘察的地質資料與結論，針對初設階段后變化部分和專門性工程地質問題進行勘察，為施工詳圖設計、優化設計、建設實施、竣工驗收等提供工程地質資料[1]。

勘察內容為特定的區段、特定的建筑物、特定的地質問題，不再是整個場地的廣泛調查?？辈旆椒ㄟx擇、勘察工作布置等均以具體問題需要而定。

本項目初設階段確定隧洞方案為采用復合土壓平衡盾構，施工圖階段需要解決的地質敏感問題為：

（1）孤石：工程區北段為花崗巖地區，該區孤石比較發育。采用加密鉆探孔、孔間CT等勘察手段進一步調查孤石發育情況。

（2）盾構工法隧洞：主要為三方面問題：掌子面橫跨土巖界面的特殊掘進地質結構；巖石強度和耐磨性；掌子面穿越富水層段。

①“上土下巖或左土右巖、右巖左土”的特殊掘進斷面——常常是次生地質災害發生頻次高、絕進設備異常損壞嚴重、更換維修設備地質風險高、掘進速度慢且成本高地段，也是復合式盾構施工關鍵節點、技術重點和難點，需要進一步調查此類地質結構特征段掌子面范圍巖面縱向、橫向的變化，多以施工前超前鉆探手段進行調查，鉆孔布置于隧洞軸線、洞兩側邊界線，每個斷面最少3個孔，縱向根據地層起伏程度而定，一般宜控制在10～30m[4] [3]范圍，特殊地段可進一步加密。

②巖石強度和耐磨性[4]——影響盾構機掘進效率、成本，需要進一步調查構造變質區段的巖石強度和耐磨性，有效控制場地巖石峰值，不能出現大段落的強度和耐磨性異常高的巖石區段，使刀具設計額定工作范圍能適應絕大多數巖體。在構造變質巖段的隧洞軸線上加密鉆孔，在洞身范圍內取代表性巖體進行巖石干燥抗壓強度、化學成分和耐磨性試驗。

③掌子面穿越富水層段—— 復合式土壓盾構在該類區段易出現噴砂、涌水、突泥等地質災害，對施工作業人員和設備的安全存在重大影響，需要在此類洞段加強水文地質抽水試驗，調查隧洞可能涌水量，以及由于隧洞排水引起的降水影響半徑，分析論證可能的環境影響（地面下沉、建（構）筑物破壞、市政設施和管道的損壞等）。

1.3.4施工地質階段

施工期間采取收集盾構機掘進參數（頂力、扭矩、震動聲響、掘進速度）、盾構姿態、超挖量、周邊環境反應、刀具（盤）磨損狀態和更換頻次、出渣狀態（渣土顆粒級配和含量、風化程度）、出水狀態（水量大小、化學成分、渾濁程度）等方面資料，結合前期勘察成果，綜合分析判斷掌子面巖體類型和地下水豐富程度，驗證和修正前期勘察成果，并實時進行地質預報，為施工工藝及時調整、環境保護措施的確定等提供地質依據。

2 . 結語

城市深層排水隧洞的工程地質勘察由宏觀到微觀、由整體到局部、由面到點、由主要地質問題到細節問題，勘察方法和手段也針對不同階段、不同勘察目的、不同地質條件而靈活選用，不能盲目、方法單一進行勘察，地質勘察技術人員不僅要精通專業知識，還要熟悉設計方案、施工工法等涉及地質的知識，使地質勘察工作更具針對性、實用性、有效性。