復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件下長大深埋隧道綜合勘察技術(shù)應(yīng)用

王智毅 （安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

綜合勘察技術(shù)是指根據(jù)地形、地質(zhì)條件，結(jié)合勘察階段、工程類型等，采用包括遙感、地質(zhì)調(diào)繪、地質(zhì)鉆探、綜合物探、綜合測井和各種試驗(yàn)等在內(nèi)的多種勘察手段，使取得的地質(zhì)資料互相驗(yàn)證、取長補(bǔ)短，以最經(jīng)濟(jì)的勘察工作量達(dá)到最佳的勘察效果。并在地質(zhì)資料整理的過程中采用綜合分析方法，將不同手段取得的地質(zhì)資料進(jìn)行對(duì)比分析，使獲得的地質(zhì)資料更加全面、準(zhǔn)確，為設(shè)計(jì)和施工提供可靠的地質(zhì)資料。

西和至宕昌高速公路（簡稱“西宕高速”）全長100.49km，位于甘肅省南部，地處隴南山地，屬于長江流域，為典型的山區(qū)高速項(xiàng)目。地質(zhì)條件復(fù)雜，具有地形高差大、構(gòu)造發(fā)育、地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不良地質(zhì)發(fā)育等特點(diǎn)。

西宕高速共設(shè)16 座隧道，其中毛羽山隧道是一條左右分離式的雙洞特長隧道，是西宕高速的關(guān)鍵控制性工程。右線長6208m，最大埋深640m；左線長6439m，最大埋深639m；設(shè)斜井1處，長1450m。該隧道于2023 年5 月完成地質(zhì)勘察工作，進(jìn)入施工圖設(shè)計(jì)階段。

1 隧址區(qū)地質(zhì)概況

項(xiàng)目區(qū)地處中國大陸二級(jí)階梯向三級(jí)階梯的過渡地帶，位于秦巴山區(qū)、青藏高原、黃土高原三大地形交匯區(qū)域，境內(nèi)形成了崇山峻嶺與河谷盆地相間的復(fù)雜地形。地形特點(diǎn)是溝谷發(fā)育、切割強(qiáng)烈、地表起伏大、山勢陡峻、相對(duì)高差大，凸顯出高山、高海拔、高烈度地震區(qū)與高速公路建設(shè)之間的矛盾。

圖1 工程區(qū)地貌特征

1.1 地形地貌

隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕中山區(qū)，地形起伏較大，最高點(diǎn)位于洞身山梁，高程約2417m，最低點(diǎn)位于出口處溝谷，高程約1738m，相對(duì)高差679m。山體走向近北西南東向，坡面自然坡度約30°～40°，洞身段發(fā)育多處沖溝。隧址區(qū)山體多基巖出露，或薄層坡積覆蓋，隧道出口及洞身溝谷兩側(cè)緩斜坡覆蓋較厚坡積層。隧址區(qū)植被覆蓋率較高。

1.2 地層巖性

勘探深度范圍內(nèi)，地層主要為第四系坡積角礫（Qdl）、古近系砂礫巖（E）、三疊系官亭群中部建造層板巖（Tb）、泥盆系西漢水群第一巖性段粉細(xì)砂巖夾板巖（D22xh1）。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

工點(diǎn)處的大地構(gòu)造屬于青藏歹字形構(gòu)造體系，受構(gòu)造作用影響，褶皺斷裂發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜。工點(diǎn)范圍內(nèi)受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造作用影響，發(fā)育有斷層、褶皺、巖層角度不整合接觸帶及節(jié)理密集帶，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育。

2 綜合勘察技術(shù)的應(yīng)用

毛羽山隧道地質(zhì)條件十分復(fù)雜，若僅采用地質(zhì)調(diào)繪、鉆探等單一的勘察手段，難以有效地查明長大、深埋隧道的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，無法為線路方案比選、工程設(shè)計(jì)等提供詳細(xì)的工程地質(zhì)資料，所以綜合勘察技術(shù)的應(yīng)用尤為重要。

在本項(xiàng)目工程地質(zhì)勘察過程中，采用了工程地質(zhì)調(diào)繪、地質(zhì)鉆探、綜合物探、孔內(nèi)測試及試驗(yàn)等方法和手段進(jìn)行綜合勘察，確定圍巖分級(jí)，并提出了線路的優(yōu)化建議。

2.1 地質(zhì)調(diào)繪

毛羽山隧道共進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)繪點(diǎn)83 個(gè)，調(diào)繪面積6.4m2。利用1：10000路線平面圖做底圖，對(duì)路線兩側(cè)各500m 范圍內(nèi)進(jìn)行路線地質(zhì)調(diào)繪，同時(shí)采用1：2000的平面圖，對(duì)重要工點(diǎn)和不良地質(zhì)進(jìn)行線路軸線兩側(cè)各200m 范圍內(nèi)的地質(zhì)調(diào)繪工作。

隧址區(qū)工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，采用追索法、定點(diǎn)觀察法輔以穿越法，地質(zhì)觀察點(diǎn)間距一般20～30m，遇地層分界線、構(gòu)造線和不良地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行追索；對(duì)巖性差異很大的地層分界線和不良地質(zhì)周界采用儀器法定位。

2.2 地質(zhì)鉆探

毛羽山隧道共設(shè)置地質(zhì)鉆孔13 個(gè)，計(jì)2054Lm。初勘階段，除在兩洞口處布設(shè)有鉆孔外，根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪資料，另在K90+350（2F5-1 破碎帶）、K91+600（2F5 破碎帶）、K94+750（2F6-2 破碎帶）、K95+700（2F6 破碎帶）等疑似斷裂破碎帶處布設(shè)地質(zhì)鉆孔。巖芯取樣顯示破碎帶原巖成分多以三疊系中部建造層板巖、千枚巖及泥盆系砂巖為主，碎裂結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，多見方石英脈，巖芯呈碎塊狀、短柱狀。鉆探結(jié)果與地質(zhì)調(diào)繪結(jié)論能相互驗(yàn)證。

詳勘階段，在地質(zhì)調(diào)繪工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合初勘階段綜合物探的勘探成果，針對(duì)性地布設(shè)深孔鉆探，通過鉆芯取樣、巖土試驗(yàn)，解決的主要地質(zhì)問題如下文所示。物探反映重大異常區(qū)的驗(yàn)證，隧道圍巖類型辨別，區(qū)域性大構(gòu)造、斷層產(chǎn)狀、巖體破碎（軟弱）程度、富（導(dǎo)）水性、重要地質(zhì)界面等辨別，地應(yīng)力測試等，查明了場地地基、巖土體穩(wěn)定性及圍巖的地質(zhì)條件，為選擇構(gòu)造物結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)類型提供必要的地質(zhì)資料。

根據(jù)初勘EH4 勘察結(jié)果，2F5、2F6-1、2F6-2、2F6 破碎帶位置分布上與地質(zhì)調(diào)繪、地質(zhì)鉆探成果基本相符，2F5-1 確認(rèn)為節(jié)理密集帶溝谷。另有K93+300、K94+000 區(qū)域附近電阻率出現(xiàn)條帶狀低阻異常，推斷為斷裂破碎帶。由于地面表征不明顯，初勘階段地質(zhì)調(diào)繪未能識(shí)別，在詳勘階段，對(duì)該兩處位置進(jìn)行補(bǔ)充鉆探復(fù)測，該區(qū)域巖芯破碎，確定為2F6-3、2F6-4斷裂破碎帶。

2.3 綜合物探

根據(jù)毛羽山隧道情況，本次采用了音頻大地電磁法（EH4）、淺層地震、高密度電法進(jìn)行綜合物探。

根據(jù)初勘階段EH4 勘察結(jié)果，在K90+200～K90+500 附近存在一向西傾斜的低阻條帶異常，推斷為斷裂破碎帶（2F5-1），破碎帶寬度約為50m，向西傾斜，傾角約為70°，經(jīng)詳勘階段復(fù)測，確認(rèn)為節(jié)理密集帶溝谷；在K91+600 附近電阻率呈兩高夾一低形態(tài)，推斷為斷裂破碎帶（2F5），破碎帶寬度約為60m，向東傾斜，傾角約為85°；分別在K93+300、K94+000、K94+750 和K95+100附近，有四個(gè)條帶狀低電阻異常區(qū)，推斷為斷裂破碎帶（2F6-4、2F6-3、2F6-2和2F6-1），4 條斷層均往西傾，傾角分別為60°、70°、80°、80°，寬度分別為150m、120m、125m、70m；在K95+750附近有一向西傾斜的條帶低阻異常，推斷為斷裂破碎帶（2F6），破碎帶寬度約為130m，向東傾斜，傾角約為55°。根據(jù)EH4 勘察結(jié)果，巖性判斷與調(diào)繪、鉆探資料基本相符，局部巖性判斷略有差異，以調(diào)繪及鉆探為準(zhǔn)。揭示的7 處電阻率帶狀異常區(qū)，其中2F5、2F6、2F6-1、F6-2位置分布上與調(diào)繪、鉆探成果基本相符，2F6-3、2F6-4 由于地面表征不明顯，初勘階段未能識(shí)別為斷裂破碎帶，在詳勘階段中補(bǔ)充鉆探的勘探結(jié)果與物探結(jié)論相符。

圖2 EH4電阻率斷面圖

本項(xiàng)目采取EH4 為主要物探手段，以高密度電法、淺層地震、聲波測井為輔助手段，大致確定長大、深埋隧道圍巖的結(jié)構(gòu)特征，并評(píng)價(jià)可能影響工程的斷層破碎帶及異常區(qū)域，對(duì)隧道的深孔布置、地質(zhì)資料的修正、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的分析判斷提供了依據(jù)。

2.4 測試及試驗(yàn)

本次勘探選取隧道中部部分鉆孔進(jìn)行了地應(yīng)力測試，從所測地應(yīng)力得出的回歸公式，較合理地揭示了地應(yīng)力與深度的規(guī)律。根據(jù)巖石飽和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值為18.34MPa，分析出埋深650m 時(shí)圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比為1.04，不易發(fā)生軟巖大變形。但根據(jù)鉆探及取樣情況，三疊系地層多軟硬相間，板巖、千枚狀板巖互層，千枚狀板巖巖芯采取率較低，試驗(yàn)樣品多集中于巖芯較好的板巖段，故分析統(tǒng)計(jì)的飽和抗壓強(qiáng)度值偏大。結(jié)合附近蘭渝鐵路施工試驗(yàn)，將千枚狀板巖及板巖中的軟弱層，飽和抗壓強(qiáng)度按照7.0MPa 考慮。因此當(dāng)埋深大于520m 時(shí)，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比小于0.4～0.5，三疊系板巖段中的軟弱夾層易發(fā)生軟巖大變形。

2.5 隧道圍巖分級(jí)

根據(jù)隧道圍巖的巖土體特征、巖石的堅(jiān)硬程度、巖體的完整程度、風(fēng)化程度等地質(zhì)條件，考慮地下水、軟弱結(jié)構(gòu)面、高地應(yīng)力、圍巖的縱波速度、隧道的埋藏深度等因素后，綜合評(píng)價(jià)隧道的圍巖分級(jí)。

2.6 地質(zhì)選線

本項(xiàng)目地形地貌、地質(zhì)條件復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。勘察設(shè)計(jì)過程中在大面積區(qū)域地質(zhì)調(diào)繪的基礎(chǔ)上，與路線方案研究相配合，進(jìn)行了多方案的比選，始終堅(jiān)持遵循越嶺地區(qū)、不良地質(zhì)及特殊性巖土區(qū)地質(zhì)選線及重要工點(diǎn)地質(zhì)選線優(yōu)先的原則，始終堅(jiān)持地質(zhì)先行，各專業(yè)相互配合，共同分析論證，對(duì)該路段從工程地質(zhì)的角度提出了線路優(yōu)化建議。

經(jīng)地質(zhì)調(diào)繪發(fā)現(xiàn)，毛羽山隧道出口段路線最初位置附近存有一巨型滑坡（2HP06），且毛羽山隧道出口分布有多處滑塌。經(jīng)穩(wěn)定性計(jì)算分析，該滑坡體自然狀況穩(wěn)定性系數(shù)為1.03，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨工況穩(wěn)定性系數(shù)為0.95，處于不穩(wěn)定狀態(tài)；地震工況下，滑坡體穩(wěn)定性系數(shù)為0.86，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。滑坡體在施工擾動(dòng)下，可能發(fā)生變形，對(duì)構(gòu)造物具有一定的影響，變形失穩(wěn)處治費(fèi)用高，因此建議路線避開該滑坡體。

3 結(jié)論

每一種勘察方法和測試手段都不可避免地存在局限性和弊端，因此，工程勘察中，特別是地質(zhì)條件較為復(fù)雜的區(qū)域，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際需要的勘察范圍、勘察深度和勘察精度，選擇幾種恰當(dāng)?shù)目辈焓侄谓M成綜合勘察手段。

綜合勘察不是勘察手段的堆砌和羅列，而是各種手段環(huán)環(huán)相扣、相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證的過程。在本次毛羽山隧道的綜合勘察工作中，首先通過對(duì)區(qū)域地質(zhì)報(bào)告和前期資料的詳細(xì)研究，對(duì)隧址區(qū)構(gòu)造、地層巖性、水文地質(zhì)、不良地質(zhì)、特殊性巖土地段等的范圍、類別、性質(zhì)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，然后進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查與測繪，在此基礎(chǔ)上對(duì)判斷不明部分、大型構(gòu)造物及主要場地進(jìn)行物探、地質(zhì)鉆孔，同時(shí)鉆探成果也對(duì)前期地質(zhì)調(diào)繪、物探工作的成果進(jìn)行驗(yàn)證，最后的綜合測井等測試工作是對(duì)鉆探的驗(yàn)證。

通過綜合勘察手段，地質(zhì)調(diào)繪工作探明最初隧道出口線路靠近巨型滑坡，對(duì)隧道有一定的影響，提出了優(yōu)化路線的建議；物探工作探明了地質(zhì)調(diào)繪中未能查明的2F6-3、2F6-4斷層；地質(zhì)鉆探工作根據(jù)巖芯取樣情況對(duì)地應(yīng)力測試的結(jié)果進(jìn)行了修正。實(shí)踐證明，綜合勘察技術(shù)的應(yīng)用不僅能提高勘察質(zhì)量，還可以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。