云山隧道工程地质综合勘察

2017-11-09李宏涛

山西交通科技 2017年1期

李宏涛

（山西省交通规划勘察设计院，山西太原 030012）

云山隧道是山西省和榆高速公路上的一座特长隧道，隧址位于山西省左权县城东北5 km处，横穿太行山脉西翼的阳曲山东南延。设计为分离式隧道，右洞全长11 377 m，底板最大埋深727.928 m，左洞全长11 408 m，底板最大埋深742.67 m，左右线间距30～35 m。共设附属工程斜井3处，竖井1处，累计长3 820.248 m。由于隧址地处山势陡峻、峰峦叠嶂、地层岩性多样、地形地貌极为复杂的中山区，因此给工程地质勘察工作带来严峻挑战。但勘察过程中因势利导、因地制宜，通过综合勘察手段，解决了一系列勘察难题，获得了较为完整的地质资料，为施工图设计提供了必要的地质依据。

1 综合勘察手段

云山隧道勘察工作由点到面、由表及里、从定性到定量，利用地质调绘、物探、钻探、试验等多种勘察手段进行综合勘察，从而基本控制和揭示了围岩工程地质条件，为洞室围岩等级划分和稳定性评价提供了必要的依据。

1.1 工程地质调绘

隧道位于太行山西翼的构造剥蚀侵蚀中山区，一方面隧址崇山峻岭、沟壑纵横、深谷断壁发育，最大相对高差855.37 m，勘察工作十分艰难；另一方面隧址区植被非常发育，覆盖层较厚，但较大沟谷断壁基岩出露情况较好，作为天然地层剖面较完整清晰，在其断面上岩体结构及地质构造形迹明显，局部段落地面地质信息量丰富，地质条件比较明朗。这就为工程地质调绘手段的充分应用提供了充足依据。

隧道初勘阶段首先收集与隧址走廊有关的航、卫片、1∶20万《左权幅地质图》和工可阶段地质调绘资料，针对性地开展地质遥感工作，初步了解隧址地形、地貌条件和岩土结构特征，然后通过穿越与追索相结合的地质调查手段，对隧址进行1∶10 000工程地质调绘，对不良地质类型及规模进行排查，充分发挥地质选线的作用，对隧址进行优化；在隧址方案基本选定的基础上，对隧址开展1∶2 000地质调绘，采集地形地质条件信息，并掌握其规律性，利用山高谷深、局部基岩出露情况较好、地质构造形迹明显的特点，突出重点、抓住要害。在地质调绘过程中，采取地面调查、断层追溯、实测断面、露头拍照相结合的方法，充分利用了天然地质断面。详勘阶段按照工作深度要求，在收集初勘已有调绘资料基础上，进行认真细致的1∶2 000补充工程地质调绘，最大限度地利用自然条件进行地质资料的调查、采集、拍照，在隧道进出口和适宜的地段进行围岩节理裂隙量测。

初、详勘两阶段总计完成1∶10 000地质调绘23 km2，1∶2 000 地质填图 6.8 km2，实测地层剖面8条，总长1 323 m，对重要地质节理裂隙点进行了详细量测。通过充分的地质调绘工作，对隧址区的地层岩性、地层结构、地质构造、不良地质、进出口边坡稳定性和水文地质条件有了清晰的认识和了解。

地调查明隧址区位于吕梁-太行断块之次级构造单元沁水块坳东北边缘的娘子关—坪头坳缘翘起带。总体表现为东翘西倾的单斜构造，岩层走向北北东，倾角10°左右。地层出露有规律可循，自左权侧洞口始至和顺侧洞口止，依次出露古生界奥陶系（O）、寒武系(∈)地层及元古界长城系(Ch）地层。其岩性组合依次为碳酸盐岩的石灰岩、白云岩夹角砾状、泥灰岩岩体及灰质、云质、泥质岩体；碎屑岩的泥页岩、石英岩状砂岩、长石砂岩、石英砂岩夹铁质砂岩。前者占隧道围岩的比例约为73%，软硬岩的比例约为3∶7，后者约占27%，软硬岩的比例约为4∶6。另外隧址地表发现溶洞，最大者直径约3～3.5 m，预示隧道碳酸盐岩围岩范围内局部可能岩溶发育。

1.2 地球物理勘探

地球物理勘探是指利用地球物理的方法来探测地层、岩性、构造等地质问题，具有“透视性”、效率高、成本低以及可以在现场进行原位岩土物理力学性质测试等优点，在工程勘察中日益得到重视和发展。但是各种物探方法都具有条件性和局限性，多数方法还存在多解性，因此正确选择和运用各种物探方法，进行综合物探，并与地质调绘、钻探资料作对比，才能获得较好的地质成果。

经全面地质调绘，云山隧道隧址地形复杂，地质构造和岩溶发育，地层岩性种类多，水文地质条件复杂，因此物探勘察手段的使用非常有必要性。同时考虑到隧址地层岩性电性差异较大，并有足够的分布厚度，具有明显而且稳定的电性标志层，且场区受电磁干扰影响较小等特点，所以在详勘阶段对隧道左右线选择采用EH-4高频大地电磁测深法进行了探测。EH-4高频大地电磁测深法系统可以适用于各种不同的地质条件和比较恶劣的野外环境，并能取得较好的工程效果。其使用天然磁场的频率为10～100 kHz，相对大地电磁测深法、音频电磁测深法的频率较高，探测深度一般在地下1 km以内；同时，较高的频率使得高频电磁测深法的抗干扰能力增强。

初勘阶段云山隧道左线完成EH-4高频大地电磁测测线长度11 610 m，测点402个，检查点12个，右线完成测线长度11 530 m，测点391个，检查点23个。另外对ZK2钻孔做了弹性波速测试，测试深度155.4 m。通过上述物探手段，对判定隧址区地质构造、岩溶及水文地质发育情况、岩石风化壳厚度，调整隧道的埋深，进行围岩工程地质分级，提供了基本地质依据。

有关构造的物探解释成果是隧址区存在3处明显的视电阻率突变现象，电阻率曲线密集变化较快，电阻率等值曲线呈现与隧道走向大角度交角，推测存在3处断层破碎带，F1、F2为正断层，F3为逆断层。由于地表覆盖植被及坡积物，调查未发现断裂痕迹。F1推测断层与洞体相交于K46+020、ZK45+910处，与路线右前夹角分别为63°、64°，物探解释电阻率等值曲线呈现与隧道大角度交角；F2推测断层与洞体相交于K46+550、ZK45+580处，与路线右前夹角分别为136°、109°，物探解释电阻率等值曲线呈现与隧道大角度交角；F3推测断层与洞体相交于K46+765、ZK46+680处，与路线右前夹角均为42°。F1、F2、F3三条推测断层均对隧道工程有影响，其物探解译位置关系见图1。

图1 物探解译断层

有关不良地质的物探解释成果是在洞身K46+280—K47+130、ZK46+290—ZK47+040 为大面积低阻异常，解译为岩溶陷落异常体，推测异常为大范围岩溶富水区，且F1、F2组成的低阻区形态为“倒置的漏斗状”的低阻。隧道围岩有可能破碎、充水，施工时必须加强地质超前预报，及时发现异常，采取防范措施。

1.3 地质钻探

钻探是在隧道工程地质勘察中最直观的勘探方法，可以鉴别描述岩土层，岩土采取试样，进行原位测试或波速测试等。云山隧道钻探工作主要在详勘阶段隧址确定以后大规模展开，本阶段在初步勘察基础上，根据现场地形地质条件及水文地质、工程地质评价的要求进行加密，勘探深度应至隧道底板设计高程以下不小于5 m。遇岩溶、地下暗河等不良地质时，钻探深度应至稳定底板以下不小于8 m。洞深段钻孔，在设计高程以上3～5倍洞径范围内采取岩石试样，同一地层中，岩石试样的数量不宜少于6组；进出口段钻孔，分层采取岩、土试样[1]。通过较为密集的钻探，首先探明了全线深部地层情况，为室内试验采取了大量的试样，为原位测试提供了便利，为隧道稳定性评价提供了保障，满足了隧道设计的要求；其次验证了隧道的物探解译异常区，也为隧道水文地质试验、地下水位的判断、量测、地下水试样采取及钻孔声波测试创造了条件。其中一些深钻孔设置为综合利用孔，不仅了解了地层、构造、岩溶、裂隙、地下水位等情况，还进行了各种测试工作，以获取更多的岩层参数，如物探测井、水文地质试验、地应力测试、地下水位长期观测等，每一项测试完成后都要保证钻孔的完整性，以便下一项测试工作的顺利进行。

云山隧道初详勘两阶段钻探共使用XL-150、XL-200、Y3型钻机6台，以回转钻进为主，冲击钻进为辅，共完成钻孔16个，总进尺3 919.7 m，包括4处斜竖井完成钻孔4个，累计进尺1 238 m，共采取岩石试样763件。

1.4 试验

长大隧道勘察中的试验手段是定量评价隧道围岩的工程性质不可或缺的。云山隧道勘察通过室内试验、原位测试和水文地质试验，获取了一系列设计所需的岩土物理力学指标，获取了隧道围岩分级指标及进出口地基容许承载力。

1.4.1 原位测试

根据云山隧道勘察的目的、岩土条件及测试方法的适用性，采用了重型动力触探试验，按深度对钻探揭示的碎石土和泥灰岩、页岩等软质岩石及强风化、全风化的灰岩、砂岩等硬质岩石进行了测试，根据修正后的锤击数，确定碎石土的密实度和岩石的风化界面。

1.4.2 室内试验

云山隧道围岩地层均为岩石，对钻探采取的岩石试样针对性地进行单轴饱和抗压强度、比重、密度、泊松比、弹性模量、弹性波速等室内试验项目；采取地下水试样，进行水质分析，评价水的腐蚀性。隧道各类围岩物理力学性质如表1。

表1 隧道围岩物理力学指标表

1.4.3 水文地质试验

地下水的活动和作用往往是形成隧道事故的主要因素，大量灾害性工程地质事件的发生，大都是由于地下水作用触发或诱发的。因此，地下水的勘察是隧道地质勘察中的重要一环。

云山隧道水文地质勘察方法主要包括水文地质调查、物探资料的分析应用及钻探验证、水文地质试验，同时利用类比的分析方法，对隧址区水文地质条件进行系统的分析评价。其中水文地质试验是隧道地下水勘察最主要的方法和手段。调查及钻探发现隧址区水文地质条件复杂，洞体围岩按含水介质主要分为岩溶裂隙水和碎屑岩裂隙水两个含水岩组，且节理裂隙密集带、岩溶裂隙发育处等易与地下水沟通，造成洞体坍塌、掉块、涌水、突水等灾害。云山隧道水文地质共布设3个水文试验综合利用钻孔，其中 SWZK1（ZK44+910右 5 m，深 120 m）、ZK2（K48+700左5 m，深240 m）位于碳酸盐岩地层中，孔内未见水位，水文测试进行了孔内注水试验；SWZK3（ZK53+610左5 m，深150 m）位于碎屑岩地层中，水位69.8 m，水文测试进行了孔内抽水试验。

通过水文地质试验取得的宝贵参数，对隧道涌水量进行了分段预测，左右洞含水段长度分别为2 120 m、2 090 m，左右线最大涌水量分别为565 cm3/d、643 cm3/d，左右线正常涌水量分别为183 cm3/d、185 cm3/d。

2 工程地质综合评价

根据隧道综合地质勘察成果，在隧道围岩3倍洞径范围内，结合水文地质条件、构造特征、岩石坚硬程度、岩体完整程度、围岩基本质量指标等规范要求的因素及物探报告，隧道围岩级别综合评价为Ⅲ～Ⅴ级，左右洞围岩级别长度及比例详细划分如表2。

表2 围岩级别详细划分比例表

云山隧道施工阶段结合地质超前预报，详勘阶段的工程地质综合评价成果与施工实际揭示的围岩情况整体吻合度很高，因围岩级别降低或提高引起的施工正负变更数基本抵消，总体变更情况符合相关规定。考虑到特长隧道勘察的难度和局限性，本隧道综合勘察成果经受了施工考验和验证，为隧道的顺利施工和按时贯通提供了坚实的地质保障，取得了良好的经济和社会效益。