论复杂地质条件下长大隧道的综合勘察技术

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　　摘  要：复杂地质条件下长大隧道的勘察工作是设计阶段的重点和难点，应当采用综合的勘察技术手段，包括遥感、地质调查测绘、物探、钻探、各项试验及测试、关键问题专项研究等，查明隧道的主要工程地质条件，并通过综合分析，做出合理的工程地质评价，为设计及施工提供科学指导。
　　关键词：隧道;综合勘察;遥感;地质调查测绘;物探
　　中图分类号：U452.1+1          文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）22-0154-03
　　Abstract： The investigation of long and large tunnels under complex geological conditions is the key and difficult point in the design stage， where comprehensive survey techniques should be adopted， including remote sensing， geological survey and mapping， geophysical exploration， drilling， various experiments and tests， and special research on key problems， so as to find out the main engineering geological conditions of the tunnel. Through comprehensive analysis， it is supposed to make a reasonable engineering geological evaluation， so as to provide scientific guidance for the design and construction.
　　Keywords： tunnel; comprehensive survey; remote sensing; geological survey and mapping; geophysical prospecting
　　1 概述
　　深埋長大隧道往往是工程建设中的重要控制性工程，尤其对于复杂地质条件下的深埋长大隧道更是如此。
　　在深埋长大隧道的施工中，往往可能面临岩爆、大变形、高压涌突水、高地温、放射性及有害气体、破碎围岩的大塌方等，对施工存在巨大的安全隐患，因此，在设计阶段详细查明隧道工程地质条件，为科学设计及施工提供可靠基础资料，是整个隧道建设中极其重要的一环。但深埋长大隧道一般处于地形及地质复杂区，穿越的地层岩性多样、构造形态复杂、地质作用强烈，要详细查明隧道工程地质条件往往极其困难。单一的勘探手段无法达到目的，只能采取遥感、地质调查测绘、物探、钻探、测试及试验等多种手段综合运用、相互补充、相互验证并进行综合分析的综合勘察方法，才能在合理的勘察成本及勘察周期内达到查明隧道工程地质条件的目的。
　　2 综合勘察方法概述
　　2.1 遥感
　　遥感技术在隧道工程中较广泛的应用主要开始于上世纪70年代的铁路建设，如1976年京广线南岭隧道（长6.06km）、1984年大秦线军都山隧道（长8.46km）、1986年京广线大瑶山隧道（长14.295km）、2000年渝怀线金洞隧道（长9.105km）等[1]，主要是在收集区域地质图及报告的基础上，通过小比例的卫片并适当结合航片进行遥感判释，可直观了解隧址区地形地貌、区域性断裂、典型褶皱、大型不良地质体、植被分布发育情况等。并可将判释图转绘编制成1：1万工程地质预判图，以指导地质测绘工作。
　　在遥感判释中，应当遵循先宏观再微观，先整体再局部的原则，即应先以卫片进行宏观把握，再以航片进行细节研判。先进行小比例的卫片进行宏观分析，再以大比例尺的航片进行细节判释。同时应注意针对不同的判释对象，应选择不同的遥感手段。对于区域性大断裂及地层的粗略划分，可采用卫片结合小比例尺航片进行判释;中等规模的断层和大型不良地质体，可采用小比例尺航片进行判释;小型断层、长大张性节理、小型不良地质体，则应采用大比例尺航片进行判释。同时，应通过判释成果与实地对比验证，确定工作区的各地质判释标志，才能增加判释成果的可靠性。
　　随着科学技术的日新月异，高精度卫星影像技术、航测技术等在近年来取得了长足进度，遥感影像三维可视化技术在部分隧道勘察中开始尝试。三维可视化技术是GIS与虚拟现实技术、遥感技术相结合，叠加数字高程模型（DEM）、正射遥感影像（DOM）及线路方案、工程地质信息，实现地表工程地质信息的三维可视化，可以立体、直观展现线路地理环境和不良地质现象。该技术在向莆铁路的多个长大隧道工程中得到了应用[2]，在地貌特征、断裂构造、不良地质等方面的解译中效果突出。
　　2.2 地质调查测绘
　　地质调查测绘是隧道勘察的重要基础性工作，它应该在前期区域地质资料收集、遥感判释工作的指导下开展，并应当为后续勘探工作的开展提供重要指导。
　　地面调绘应重点查明场区地形地貌，地层岩性，褶皱的类型、规模、形态特征，断裂的位置、类型、规模、产状及其工程特性，地表水体、溪沟河流、煤层、采空区等的分布情况，进出口斜坡的植被、不良地质发育情况及坡体稳定性，在代表性岩石露头进行节理裂隙统计等。
　　实际上，随着遥感影像获取的便利性不断提高，无人机拍摄技术的不断普及，地面调绘工作与遥感技术工作结合越来越紧密，二者在地面测绘工作中往往互相穿插，相互配合，相互印证，密不可分。
　　2.3 物探
　　工程物探相较于钻探，其明显的优点是工作场地条件要求低、周期短、耗资小。隧道物探勘察方法主要有：浅层地震、高密度电法、可控源音频大地电磁测深法，另外对于断裂构造的判释，还可以辅助采用土壤氡浓度测量。 　　浅层地震勘探是利用地震波在不同岩、土中传播的特征，以探测浅部地质构造、测定岩土物理力学参数等的地球物理勘探。常用的方法有反射波法、折射波法，以及一些特殊技术，如瑞利波勘探、常时微动观测技术等。
　　高密度电法勘探实际上是集中了电剖面法和电测深法，其原理与普通电阻率法相同，所不同的是在观测中设置了高密度的观测点，是一种阵列勘探方法。
　　可控源音频大地电磁测深法是通过采集天然电磁场和人工建立的可控电磁场系统，在一定距离的远场区进行观测，绘制测区内视电阻率等值线图，结合测区地质（包括测区地层岩性、构造）情况进行分析计算目的体的范围和深度，判断目的体的性质及形态，以达到勘测地下目的体的一种较为特殊的勘探方法，其勘探深度可达上千米。
　　浅层地震及高密度电阻率法主要用来探明隧道进出口浅埋段围岩的构造发育情况、含水情况、及覆盖层厚度、覆盖层大致分层等。大地电磁测深法则主要用来探测深埋长大隧道整条隧道的岩层分布、断层和构造破碎带位置及延伸情况等。
　　土壤氡浓度测量，是基于断裂破碎带中氡的浓度一般远高于完整基岩中氡的浓度，通过实测绘制各测点的浓度等值线图，并结合物探解译成果，可较好地判释断裂的位置及延伸情况。
　　2.4 钻探
　　对于复杂地质条件下长大隧道的勘察，钻探工作往往代价大，周期长，但其作用也极为重要。钻探工作应当在遥感、调绘、物探的指导下布设，不仅仅是对前期各工作成果的验证，还承担着重要的取样测试任务，包括综合测井、地应力测试、瓦斯测试、水文试验等。
　　钻探工作应主要布设在如下地段：地层分界线、断层、物探异常点、储水構造或地下水发育地段;高地应力区可能产生岩爆或大变形的地段;特殊性岩土或可能产生严重施工病害的地段; 煤系地层、岩溶发育的地段;进出口存在稳定性问题的地段等。
　　近一二十年来，应该说，隧道钻探技术并未取得大的突破，钻探原理、设备及主要工艺等并未有大的发展，仅在深孔钻探中的部分工艺有一定改进，比如绳索取芯技术，较明显地提升了整个钻探进度。另外在浆液护壁上可能有一些新的材料开始应用。但总体上，钻探设备依然笨重，钻进速度依然较慢，对于越岭深埋长大隧道，在山岭斜坡地段实施深孔虽然重要，但往往修路搬运设备等辅助工作量太大，钻探总体进度较慢，周期较长。如我院约十年前完成勘察设计的雅西高速长度约10km的泥巴山隧道，最大埋深约1660m，实施大于1300m的深孔钻探两个，修筑能运送大型钻探设备的便道总长达三十公里，最深的钻孔历时1年5个月才完成，该隧道的钻探投入可谓巨大。而我院于几年前完成勘察设计的另外一座省道303线上的巴朗山隧道，长约8km，最大埋深约880m，由于深埋段隧道轴线地段基本上均为悬崖峭壁，海拔多在4400m以上，长年冰雪覆盖，空气稀薄，寒冷异常，夜间温度可达-20°C以下，大型钻探设备根本无法到位，也无条件进行正常钻探施作。我院在对隧址区地质构造特征详细调绘研究的基础上，根据隧道轴线所穿越的各紧密褶皱呈彼此平行排列而与隧道轴线大角度相交这一重要特点，分别在距隧道轴线两侧平距约235～850m的交通相对便利地段布设深孔多个，孔深钻至隧道设计标高以下，并在不同钻孔分别进行水文地质试验、综合测井、地应力测试等，对不同地层不同岩性采取岩样进行抗压、变形等试验。并采用地质投影作图法，将钻孔中揭露的地层情况反映到地质纵断面上。通过这种创新型的钻探布设方案，并通过资料的综合分析利用，既达到了勘察目的，又节约了勘察投入，减短了勘察周期。
　　2.5 试验与测试
　　钻探不仅需要用来查明勘探点处的地层岩性及构造，还承担着大量的试验与测试任务。需要采取岩、土样来进行各项土工及岩石试验;在钻孔中采取地下水样进行水质分析;对钻孔内岩体进行波速测试，并采取岩样进行岩块波速测试;当岩芯采集困难或钻探难以判明孔内地质情况时，进行孔内综合物探测井;在代表性钻孔中进行水压致裂法地应力测试;对有害气体或放射性矿体进行相关测试;在钻孔中进行水文观测及水文地质测试;高寒地区或深埋隧道在钻孔中进行地温测试等。
　　2.6 专项研究
　　对于复杂地质区的长大隧道，往往在施工中可能面临多方面的复杂地质病害问题，有些问题带有特殊的专业性，对于这些极复杂或具特殊专业性的隧道施工地质问题，隧道的主体勘察设计单位常对这些问题设置专项研究课题，由自己或委托给其它更具优势的专业单位完成。比如：复杂构造区的隧道场地构造分布发育特征，常设置专项研究课题委托给地质院校完成;深埋长大隧道的岩爆、大变形问题，常设置专项研究课题委托给相关科研院校完成;岩溶区的岩溶分布发育规律及涌突水问题，常设置专项研究课题委托给相关水文地质单位或科研院校完成;煤矿采空区问题及煤系地层瓦斯或其它有害气体问题，常设置专项研究课题委托给相关煤田地质单位或煤炭科研院所完成。
　　3 结束语
　　（1）对于地质条件十分复杂的深埋长大隧道，采用遥感、地质调查测绘、物探、钻探、测试及试验等多种手段进行综合勘察，并针对复杂问题进行专项研究解决，是尽最大可能查明复杂地质区长大隧道工程地质条件的必要而可行的思路。
　　（2）由于地层岩性及地质构造的复杂性，要想准确获取地下数百米甚至上千米复杂地质体的各项工程地质特征，往往花费巨大勘探成本但效果并不理想，因此，我们不仅需要在如何有效提高我们的综合勘察手段上思考，还需要对现行的隧道工程勘察设计思路进行思考，以更好地指导我们勘察工作的技术路线，抓住主要矛盾，解决主要工程地质问题，而不是全部工程地质问题，在合理的勘探工作条件下取得满足当前设计阶段要求的地质基础资料。
　　（3）隧道勘察中深孔钻探不仅是对前期地质测绘、物
　　探等工作的必要验证，还承载着重要的试验与测试任务，非常重要，但往往代价大，周期长，如布设或利用不当，也可能并不能带来与投入相应的有用成果，长大隧道深孔布设的工作量多少合适，现行相关隧道勘察规范并未明确，在隧道的勘察实践中如何把握，是一个值得思考的问题。
　　（4）大量的隧道勘察设计及施工实例告诉我们，由于勘察手段与勘探工作量的制约，对于地质条件复杂的深埋长大隧道，勘察成果要想与实际开挖揭示完全一致，基本上是不可能做到的，因此，在施工阶段应加强施工地质工作，以设计阶段的地质勘察成果为基本依据，加强超前地质预报与开挖后围岩的实时判识工作，及时优化设计，才能使得隧道设计更具针对性，更加有利于科学设计、科学施工。
　　参考文献：
　　[1]张项铎.遥感技术在铁路长大隧道地质综合勘探中的应用[J].铁道工程学报，2006（S1）：208-213.
　　[2]高山.长大隧道三维可视化遥感地质解译技术应用[J].铁道工程学报，2011（11）：13-18.
　　[3]JTGC20-2011.公路工程地质勘察规范[S].北京：人民交通出版社，2011.
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