山岭隧道工程综合地质勘察方法探讨

刘衡秋

（北京中色资源环境工程股份有限公司，北京 100012）

山岭隧道工程综合地质勘察方法探讨

刘衡秋

（北京中色资源环境工程股份有限公司，北京 100012）

山岭隧道工程具有隐蔽性、施工复杂性、地层条件和周围环境不确定性等特点，采用科学的勘察方法，是查明隧道岩土体工程地质条件的有效手段。本文以海淀区西山隧道为依托，针对隧道工程勘察中的关键地质问题，运用工程地质测绘、钻探、工程物探、水文地质勘查等综合勘察方法，有效地查明隧址区的地质构造、岩土体结构和地下水分布特征，全面、客观地评价隧道进出口段边坡及仰坡稳定性、隧道围岩质量与稳定性、隧道涌水量、地应力及有害气体等工程地质问题，并针对不良地质现象提出防治对策，以期为工期紧张、地形困难且日趋增多的山岭隧道工程地质勘察，提供可以借鉴的模式和方法。

山岭隧道；勘察方法；综合分析；防治对策

0 前言

随着城市山区高速公路建设的加快，越来越多的山岭隧道需要修建。查明隧址区的地质条件和不良地质作用是隧道安全建设的需要，亦是隧道工程地质勘察工作的主要目的。但是，与一般岩土工程相比，隧道工程的隐蔽性、施工复杂性、地层条件和周围环境的不确定性更为突出，加大了施工技术的难度（路美丽等，2004）。为克服地质条件复杂、交通不便和工期紧迫的困难，并保证勘察质量，为设计提供合理、可靠的岩土指标及围岩质量评定结果，在勘察过程中采用多种技术手段相结合的综合勘察方法，全方位验证，可以达到更佳的勘察效果。

1 工程概况

西山隧道位于北京市海淀区西部北京植物园附近，是上庄路南延重要工程。隧道呈近南北走向穿越北京西山余脉，其南侧洞口位于北京植物园人工湖东侧约60m，距五环路约800m；北侧洞口位于南羊坊村南，距黑龙潭路约2.1km（图1）。隧道洞身地形呈锯齿状起伏，沟梁相间；地形复杂，交通不便。该隧道设计为双洞分离式隧道，隧道左线1K3+930—1K6+940，长3010m，隧道右线2K3+926—2K6+973，长3047m，设计高程在56.47～72.80m之间。隧道建筑限界为高7.60m，净宽14.11m，两洞相距15.0～77.0m（北京市勘察设计研究院有限公司，2011）。

图1 西山隧道工程位置示意图Fig.1 Location map of Xishan tunnel

2 区域地质背景

隧址区位于太行山脉的延伸地带，靠近北京平原的山前边缘地带，场区地形起伏较大，属构造剥蚀低山、丘陵地貌，总体地势中部高、南北两侧低，最高处位于线路中部寿安山山顶，高程约407m，南北两侧斜坡高程一般在65～85m。山体主体呈近东西向走向，地形切割一般，山坡坡度35～45，局部陡峭。

该区域出露的前第四系主要包括二叠系石盒子组、三叠系双泉组、侏罗系南大岭组和九龙山组，主要岩性以砂岩、砾岩为主，岩体节理裂隙较发育；第四系主要分布在山麓斜坡、冲沟及斜坡洼地地带，成因较为复杂，包括残坡积、洪坡积和人工堆积层等类型。

大地构造处于华北地台燕山台褶带－西山迭拗褶－门头沟迭陷褶，地壳变形以褶皱方式为主，九龙山－香峪向斜属区域主体构造，西山隧道主体位于该向斜东端（图2）。受区域地质构造影响，山岭隧道沿线及两侧一定范围内岩体中次生断裂、节理裂隙较发育，对隧道工程建设具有一定影响。

图2 隧址区综合地质剖面图Fig.2 Comprehensive geological section of tunnel site area

隧址区地下水类型主要为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。其中，第四系孔隙水呈透镜状分布，主要分布于山麓斜坡带、山间洼地和冲沟处碎石或碎石混粘性土中；基岩裂隙水主要赋存于二叠系、三叠系和侏罗系凝灰质砂岩地层中，以侧向径流和泉为主要排泄方式。

3 山岭隧道的综合勘察方法

3.1 一般原则

隧址区地形地质条件复杂，洞身范围内岩土性质变化很大，仅凭地质测绘和钻探难以查明地下地质情况。针对隧址区的地质特征，宜采用物探方法划分土岩分界和确定风化层的厚度，采用物探结合其他勘探手段的综合勘探方法查明隧址区的地质条件及不良地质体分布，并对各种勘探方法得出的结果进行比较和验证，给出综合的评价结果。

3.2 综合勘察方法

（1）工程地质测绘工作先行

“测绘为先、钻探后行”，这一方面说明工程地质测绘在工程地质工作中的基础地位，同时又能为后续的钻探和物探工作做好铺垫。在山区地形地质条件复杂的情况下，以比例尺1∶1000地形图为底图，采用纵横穿越、布点、追索等方法，调查隧道工程沿线及附近一定范围（不少于200m）的地形地貌或微地貌单元、岩土分布特征及各岩层之间的接触关系，查明控制和影响线路的各种不良地质作用发育类型、成因、规模及危害程度，收集地质构造尤其是断裂构造的证据，进而确定构造断裂带的分布范围、宽度、岩体破碎程度等。

（2）钻探孔多样化使用

地质钻探是综合勘察中对地质测绘成果进行检验的“直观、有效的”手段，也是采集工程地质主要参数的重要方法，同时也为物探资料的解释提供可靠的参数。本次勘察根据不同地形条件、隧道路面设计纵断图、地层结构及岩体类别等，合理选用钻机进行钻探。钻孔原则上沿隧道中心、洞壁外侧5m以外布置，钻孔深度不少于路线设计高程以下5m，遇不良地层适当加深。全孔采芯，保证采取率满足规范要求，详细记录地层岩性特征、地下水埋深、进尺速度及钻探异常等。

此外，在勘察时要发挥“一孔多用”的效果，单个钻孔除钻探成孔和采集岩、土、水样外，还应策划和设计进行物探和水文等综合测试，如波速测试评价碎石土密实度及基岩风化程度，孔内超声评价围岩的完整性和基本质量等级；根据需要进行抽水、提水和压水试验，确定地层的孔隙率和渗透系数，为隧道涌水量估算提供参考；必要时开展孔内水压致裂地应力测试，确定围岩的地应力大小和方向。

（3）物探解译补充与验证

在地形困难、地质条件复杂的山区越岭段和特长隧道地质勘察中，综合物探是伴随测绘和钻探必须开展的一项工作，亦可解决搬运钻机的困难。同时，多种物探方法配合进行往往能收到良好的效果，并且能相互验证、取长补短、解决物探手段“多解性”问题。

在实际工作中综合探测对象范围、深度、规模及周围介质的物性差异，采用高密度电法、大功率激电测深的物探方法进行综合判识，并与钻孔验证对照分析，主要目的是查明隧道沿线的覆盖层厚度、地质界线、断裂破碎带分布情况、基岩风化程度和地下水赋存状况等。采用孔内电阻率法测试地层的电阻率分布情况，通过孔内超声波和岩心超声波测试分别获得岩体和岩块超声速度，并以此两项指标作为围岩基本质量分级评价提供技术参数。

（4）综合评价与研究

在研究以往地质资料、现场地质调查、工程地质钻探测试、水文地质勘察、地球物理勘探解译等资料的基础上，分析隧址区的地质构造、岩土体结构和地下水分布特征，全面、客观地评价隧道进出口段边坡及仰坡稳定性，隧道围岩质量与稳定性，隧道涌水量，地应力及有害气体等工程地质问题，并评价隧道工程建设与当地环境的相互影响。综合分析需要贯穿整个隧道工程勘察的全过程，这样才能充分显示综合勘探的合理性、优越性，达到高质量与高效率（吴长利，2006）。

4 综合勘察的主要技术成果

4.1 地层岩性特征及分布

根据地质调查、岩芯鉴定和土工试验的结果，并结合物探解译成果，对地层岩性特征及分布进行了归纳总结：

隧 道 进 口 段（ 桩 号1K3+930—1K4+035、2K3+926—2K4+066）和出口段（桩号1K6+585—1K6+940、2K6+630—2K6+973）岩性主要由第四系残坡积、洪坡积土层（碎石、碎石混粘性土、粘性土及粉土）组成，局部为强风化—中等风化的二叠系砂岩和侏罗系凝灰质砂岩，围岩工程性质总体较差，不易成洞，基本无自稳能力；局部碎石土呈透镜状含水层分布，水量变化较大，地下水作用将使围岩的力学性质降低。

山麓斜坡带洞身段（桩号1K4+035—1K4+819、2K4+066—2K5+000、1K6+410—1K6+645、2K6+455—2K6+630）隧道围岩包括第四系碎石、碎石混粘性土和二叠系强风化—中等风化砂岩及三叠系和侏罗系强风化—中等风化凝灰质砂岩。松散土层自稳能力很差，基岩岩体较破碎—较完整，以镶嵌碎裂或裂隙块状结构为主，局部地段赋存有构造裂隙水，自稳能力一般；此区段需注意土、岩接触面过渡段的掌子面会出现软硬不均组合地层，围岩自稳能力差，拱部无支护时可顺土岩接触面产生中—大规模塌方。

山岭洞身段隧道围岩主要由三叠系和侏罗系凝灰质砂岩、砾岩及局部玄武岩组成，以微风化为主，局部（桩号1K4+819—1K5+040和2K5+000—2K5+060）强风化—中等风化，岩质较坚硬—坚硬，整体稳定性较好，成洞性较好—一般；由于构造变形影响，桩号1K5+900—1K5+970和2K5+900—2K5+950段围岩自稳能力较差。

4.2 隧道围岩分级

根据地质测绘、钻探、综合物探及室内岩土试验结果，结合隧道所处地形地貌、围岩岩性及稳定性特征、地下水赋存条件等，参照相关技术标准确定围岩分级（表1）。

4.3 构造变形破碎带

高密度电法和激光测深法两种方法探测的低阻异常带空间分布具有较好的一致性，在23#钻孔和29#钻孔之间均探测到两个岩体破碎带（图3、图4）。其中，2线隧道2K5+540—2K5+660区段的破碎带D1仅发育于拟建隧道上部，没有向下穿越隧道工程，但受其影响隧道工程范围内岩体相对较为破碎，26#钻孔揭露此部位分布有地下水；1线隧道1K5+900—1K5+940区段的破碎异常带D2从浅部发育并向下延伸穿越拟建隧道工程，破碎带宽度约40～60m，倾向北，影响范围可达100～150m，岩体表现为破碎—极破碎。

5 不良地质条件下的防治措施

（1）稳定性差的围岩

在松散、软弱、破碎等稳定性差的围岩、锚喷支护应紧跟开挖工作面，一般是先素混凝土、再进行系统锚杆支护，再挂网喷混凝土、必要时加钢拱架等。围岩稳定性较差或者极差的情况下，采用小导管注浆、打超前锚杆或大管棚进行超前支护（樊治国，2014）。

表1 1线隧道洞身段围岩分级列表Tab.1 Lists of wall rock classifcation of line 1 tunnel hole

图3 测线Z3高密度电法视电阻率等值线图Fig.3 Contour map of apparent resistivity by high-density electrical method at line Z3

图4 激电测深法电阻率等值线图Fig.4 Contour map of resistivity by laser sounding method

（2）断层破碎带

施工应遵循“先预报、预加固、短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测、快反馈、控变形”的原则，配备水平钻机、陆地声纳仪、地质预报仪等仪器，结合常规地质法、声波法、地球物理法等手段进行地质超前预报，按照“石变我变”的动态原则组织施工（周强，2013）。断层破碎带一般地段拱部采用长管棚进行预支护，管棚长度20m，每次开挖16m。

（3）岩溶地段

对于隧道穿过可溶岩与非可溶岩接触带、断层破碎带等地段，预计地下水较大，根据实际情况采用“以堵为主，限量排放”的原则，达到堵水有效、防水可靠、经济合理的目的。岩溶处理主要以注浆加固、封堵、充填封闭、输导、跨越等措施，施工时根据不同的岩溶形态、规模、充填物情况、含水情况和地下水活动情况、地质情况等综合确定处理方案。

6 结论

对于重要且复杂的山岭长隧道工程来说，地质勘察要求方法可行、资料质量高、围岩分级准确，采用地质测绘、钻孔综合测试、综合物探和室内试验等综合勘察方法，是必要且行之有效的，并可克服地质条件复杂、交通不便和工期紧迫的困难。采用综合勘察方法，其优点是对自然界千变万化的地质体，使用多种手段进行探测，充分发挥各种手段的优势，相互验证，综合分析，可以获得更可靠的地质资料，尤其在确定复杂的不良地质体位置效果显著。综合勘察技术可为日趋增多的山岭隧道工程勘察提供了可借鉴的模式和方法。

致谢：笔者感谢北京市勘察设计研究院有限公司陈爱新教授级高工、彭有宝高级工程师在野外工作中给予的具体指导和帮助！

[1]路美丽，刘维宁，罗富荣，等. 隧道与地下工程风险评估方法研究进展[J]. 工程地质学报，2006，14(4)：462～469.

[2]吴长利. 综合勘探与综合分析[J]. 铁路勘察，2006，32(3)：61～63.

[3]北京市勘察设计研究院有限公司. 北京市海淀区上庄路南延（西山隧道）工程工程地质勘察报告[R].北京，2011：1～20

[4]樊治国. 浅谈引红济石调水工程人工钻爆法施工主要工序的质量控制[J]. 甘肃科技，2014，30(2)：112～114.

[5]周强. 试论高速公路隧道施工管理[J]. 科学创新与应用，2013，(18)：189～189.

The Discussion on the Comprehensive Geological Investigation Methods of Mountain Tunnel Engineering

LIU Hengqiu
(Resource & Environment Engineering (Beijing)co., Ltd, Beijing 100012)

Mountain tunnel engineering has these characteristics of concealment, complexity of the construction, uncertainty of formation conditions and the surrounding environment. By adopting the method of scientific investigation, it is to find out an effective method for tunnel engineering geological conditions in geotechnical engineering. This paper takes Xishan tunnel engineering of Haidian district as a investigation object, and uses the comprehensive investigation methods such as engineering geological surveying and mapping, drilling, engineering geophysical exploration, hydrogeological exploration, which can effectively find out the tunnel site area of the geological structure, rock mass structure and the distribution features of groundwater, comprehensively and objectively evaluate the stability of import-export slope and upward slope of the tunnel, quality and stability of surrounding rock and tunnel water infow, ground stress and engineering geological problems of harmful gas, and puts forward countermeasures against bad geological phenomenon, in order to provide a reference engineering geological investigation model for increasing mountain tunnel of tense construction period and diffcult terrain.

Mountain tunnel; Investigation methods; Comprehensive analysis; Prevention and control countermeasures

U452.11

A

1007-1903（2016）04-0034-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.04.006

中国地质调查局项目（水[2014]02-025-018）

刘衡秋（1975- ），男，博士，高工，主要从事地质工程及防灾减灾工作。E-mail：qiu_gl@163.com