高速公路隧道勘察综合方法研究

谢武平

（湖南省核工业地质局三0三大队，湖南 长沙 410119）

0 引言

随着科学技术的不断进步、成熟，各类勘察技术在高速公路隧道勘察中运用得越来越为广泛。目前的勘察技术种类已经足够多了，怎么选择最合理的技术，针对性的解决问题，使勘察成果与现实更接近，能更好地指导设计、施工，是我们应该重点研究的方向。

1 当前普遍高速公路隧道的勘察现况

我国地质环境非常复杂，因此高速公路隧道工程项目施工单位在施工时需要进行全面分析，了解隧址区地质情况，明确高速公路隧道勘察的进度和质量，及时发现水工环地质问题并且采取解决措施[1]，做到动态施工。纵观当前普遍水工环地质的勘察情况总体来看并不算太好，部分高速公路隧道工程项目施工单位并没有意识到水工环地质勘察在施工中的重要性，在开始施工前既没有对水工环地质勘察工作进行科学的规划，也没有制定明确的水工环地质检验评定标准。其次，没有结合水工环地质勘察的实际操作需求，对勘察人员工作内容合理划分，造成勘察人员的职责分工混乱，导致水工环地质勘察流程紊乱。并且开始勘察前的准备工作做的不到位，没有对平面图纸进行复核，导致后续施工中经常出现返工情况。部分勘察人员未经过专业培训，没有完全掌握专业的勘察技术[2]。

2 钟家山隧道项目情况简介

钟家山隧道位于吉安至莲花高速公路西段，隧道进口位于永新县龙回镇的刘家村，出口位于莲花县升坊镇的江口村。为分离式长隧道，左线起止里程ZK90+349～ZK92+835，长2486m，进出洞口设计底板标高分别为172.93m和195.0lm；右线起止里程YK90+335～YK92+829，长2494m，进出洞口设计底板标高分别为172.73m和194.82m。

3 钟家山隧道勘察综合方法选择及工作内容

基于隧道遭受到的突水突泥现状，严重威胁施工安全，为此有必要补充相应的水文地质调查工作，进一步查明隧道周边的水文地质条件，确定突水的来源与主要通道，分析突泥与塌陷形成的原因，为制定隧道安全施工方案提供必要的水文地质依据。工作内容如下：系统收集钟家山隧道勘察的钻探、物探及施工记录等资料（包括岩土工程初步勘察及隧道的施工阶段勘察），开展遥感地质分析，进行1:1万区域水文地质调查和1：5千专门水文地质调查，运用水文地质钻探、物探等工程手段，特别是地下水二元示踪现场实验和地下水化学、同位素分析等新技术和新方法，查明隧道周边水文地质条件，突水突泥处地下水来源及其补、径、排过程，综合分析突水突泥产生的原因，估算地下水水量，提出突水突泥的方案建议，为突水突泥治理设计和施工提供相关技术参数。

4 工作开展情况简介

4.1 野外调查

2013年1月15日至4月15日，对钟家山隧道周边进行详细的水文地质调查，开展以下野外调查工作：

（1）对调查区内主要地层的产状、岩性组合及地质构造的发育情况进行详细调查，查明区域西侧灰岩的分布范围。

（2）对工作区内的主要含水岩组及含水性与导水性进行调查，查明区内含水公与地下水的炎型与过要补径条作。

（3）调查隧道突水突泥后山顶塌陷的规模及影响范围。

（4）测量区内主要溪沟及隧道涌水水量，以查明隧道突水后对周围地下水的影响及范围，对隧道涌水量的分析提供基础。

（5）系统采集隧道区域地表水、地下水水样，通过地下水化学、同位素分析等先进技术手段，辅助分析钟家山隧道地下水来源以及补、径、排过程。

（6）通过地面调查，确定水文地质条件分析中存在的主要疑问区，补充布置物探线和水文地质钻孔，进一步查清隧址区构造发育及水文地质条件并获取水文地质参数，为查明突水水源、突水途径奠定基础。

（7）根据调查获得的初步认识，对可能成为隧道突水来源与突水途径的地区，布设2次共4组野外示踪试验，验证分析隧道突水水源与通道。

4.2 物探

本次物探工作的主要目的是探查钟家山隧道尚未掘进段的地质构造发育特征，为钟家山隧道区域水文地质条件分析提供依据。

本次物探工作共布置4条测线，其中2条南北向测线，2条东西向测线，总长3300m，有效测点660个。测量所用的DUK-2A测量系统最大采集通道为120道，可采用多种测量方式测量，根据勘探要求，本次测量方式选择温纳、单边三极以及施伦贝尔装置，采用全自动数据采集。为了获得更高质量的数据，增加反演深度，本次勘察选取5m的密集测点距布极。

4.3 水文地质钻探

共施工4个水文地质钻孔，并分别进行抽/注水试验。

4.4 水化学分析

本项目启动以来，共进行两批的水化学样品采集与测试工作，其中1月取样13组（编号zjs），3月取样16组（编号xzjs），取样点分布位置及编号见图1，在确定取样对象及取样点位置时主要考虑了以下几点∶

（1）尽可能全面控制隧道区域内不同类型的地下水，特别是获取灰岩裂隙水与砂岩裂隙水的典型水样，以便准确确定隧道区地下水化学特征的背景值。

（2）针对隧道突水的可能来源，分别采集隧道内的涌水水样、地下水与地表水水样，并分析其突水来源。

本次采样工作中，对地表水、隧道涌水的采样点分布较均匀，但是由于灰岩含水层分布范围较小，且被第四系覆盖，取样点较少，取样受到限制，仅采集3个与灰岩分布区有关的水样。

本次水样分析采用离子色谱仪测量主要阴离子组合，采用ICP-OES仪器测定水样中所有可测的阳离子，并采用滴定法测定了水体中HCO3、CO3离子和侵蚀性CO2，保证数据的准确性与可靠性。

4.5 地下水示踪试验

示踪试验依据的原理是水动力弥散效应，通过在地下水中加入示踪剂，观测其运动距离及弥散范围，绘制相关性曲线，试验中可以采用钻孔将示踪剂直接注入含水层，也可以借助地表水动力将示踪剂带入地下水中。对隧道涌水点来源和渠道的判断，则可以通过增设隧道监测点来实现。

水动力弥散是质点的运移，设地下水是稳定的一维流，示踪剂沿正的x方向运移，基本微分方程为：

式中：D-弥散系数；x-示踪剂运移距离；V-水流平均速度；C-示踪剂浓度；t-运移时间。表示弥散效应下示踪剂的运动情况，代表的则是对流或总水流运动情况。

由式（1）我们不难发现，示踪剂浓度和弥散系数与地下水流速之间是存在一定相关性的。理论上来说，示踪剂在地下水中的弥散范围会随时间推移而扩大，并呈现为顺水流方向的拉长椭圆形，弥散范围中心的示踪剂浓度应当高于前后两侧，并为整体浓度的最高值。因此，试验所绘制的浓度曲线也应为两侧大致对称的单峰线。

4.6 钻孔抽/注水试验

钻孔的抽/注水试验主要用来测定含水层的水文地质参数，并判断某些其他手段难以查明的水文地质条件根据钻孔的目的及水位特征，SK1、SK3两个钻孔进行三个落程的抽水试验及水位恢复试验，SK2、SK4两个钻孔进行变水头注水试验，见图1。

图1 钟家山隧道水文地质纵剖面

5 结论

（1）钟家山隧道主要受钟家山-界化垄断层和F2断层的影响，其中钟家山-界化垄断层为区域性逆冲断层，倾向东，倾角较缓，断层破碎带宽度较大，达100～200m；F2断层为一高角度断层，倾向西，断层破碎带宽度较小，约20～30m。

（2）钟家山—界化垄断层、F2两个断层破碎带岩性均为砂岩夹页岩，砂岩段导水、页岩段阻水，使得钟家山-界化垄断层、F2断层带本身导水，但横向阳水。由于F5断层的阳水作用，地下水并未在断层破碎带形成水网，同时也缩小了南部隧道区域地下水涌入可能影响的范围。

（3）涌入钟家山隧道的地下水主要来自赋存在砂岩的风化裂隙水及构造裂隙水，区域岩溶水无法构成隧道涌水的水源，隧道涌水主要来自于钟家山—界化垄断层、F2断层带内的构造裂隙水及由构造裂隙沟通的下南湾长流溪沟水与局部砂岩风化裂隙水。

（4）隧道突水突泥及地表塌陷的原因是：钟家山-界化垄断层、F2两个断层的破碎带在隧道里程K91+330附近相交，岩体特别破碎，隧道在揭露了断层破碎带中的砂岩导水段后，破碎带内储存的构造裂隙水在高水压作用下喷射而出，带出破碎带中的泥土，同时软化破碎带的泥质岩类，大大降低围岩的强度，造成突水突泥及地表塌陷。