综合勘探技术在隧道工程中的应用研究

李期明

（中国建筑材料工业地质勘查中心广西总队，广西 桂林 541002）

引言

近10 年来,物探勘察技术因轻便、快速、经济等优点,在公路、铁路隧道和桥梁等复杂工程场址的勘察中得到了广泛应用。主要利用工程案例,介绍了在隧道工程中,针对不同的地理特点和工程设计条件,运用了遥感影像地理解译、工程地貌调绘、工程技术勘察、地质测量和水质研究等的综合勘察技术, 解决相应的工程地质问题[1]。

1 地质勘察的方法

1.1 物探

物探检查是以岩层间物理力学特性的差异为基准,利用物探仪器检查地下地质结构的方式。隧道常见的物探施工方式主要有地震折射法、地震反射法、电测深法、大密度电法和电磁勘探法。以下以声波测井为例。

声波测井在隧道勘察中一般用于洞身围岩完整性测量,也可用于孔内岩体破碎情况测量。其方法是将一个受燮声波震源放入井中, 声源发出的声波沿井壁与井液界面滑行,这个滑行波被井下接收器接收,送到地面声波仪记录下来。声波测井,按照发射与接收探头的不同可分成单发双收与双发双收(也称补偿声波测井)[2]。目前国内常用单发双收声波仪器,探头的激发和接收换能器采用压电陶瓷。声波测井岩体波速计算公式为

用于计算隧道围岩完整性系数(Kv)值时,必须进行岩(芯)石波速Vpr测试,其计算公式

围岩完整性系数值与岩体完整性程度的对应关系见表1。声波测井应注意的几个问题。

表1 围岩完整性系数与岩体完整性程度的对应关系

(1) 声波测井钻孔必须无金属套管,且有井液作为耦合介质。

(2) 测井前,钻孔必须进行洗孔,避免泥浆浓度过大影响声波测井效果。

(3) 隧道洞身钻孔声波测井一般只针对基岩部分,松散地层可不做测量。

(4) 岩石波速测量应取同一个隧道完整岩芯样进行试样切割加工。

(5) 计算围岩完整性系数时,岩芯波速值应采用几组岩芯波速的最大值, 以确保围岩完整性系数的可靠性。

1.2 钻探

(1) 物探长度可依据道路比选区域及特征决定,海域地区不应低于构造边界外侧150 m, 陆域地区不应低于构造边界外侧100 m[3]。隧道的物探工作可参考表2 执行。地球物理探测一般要和勘探工作配合,以增加资料解译的精确度。

表2 隧道物探工作要求

(2) 为适应隧洞和盾构隧道的建设、工期和安全性评估要求, 单孔隧洞的开挖结构必须满足如图3 规定的条件。双洞坑道一般在基础上提高30%～50%, 而三洞坑道则可在基础上提高60%～100%。但通常要求将钻孔交错布置于坑道外围的5～8 m 深处[4]。

(3) 开挖深度宜按照隧洞的技术规范设计。①对于隧洞, 在孔身达到极破碎岩石的地层中, 孔深一般要达到隧洞基底的10～20 m; 当洞身处在破裂地层时, 孔深燮制应到达隧洞底层下面的5～10 m;当洞身处在比较完好的地层时, 孔深燮制应到达隧洞底层下面3～5 m。②盾构隧洞的孔深应在设计最低点下面的系数1.5 D～2.0 D 以上(D 为盾构隧道外径)。③沉管隧洞的孔深宜达到隧洞底板下0.5B～1.0B(B 为沉管隧道底宽),并不得低于河床以下40 m。④堰筑隧道的开挖深应小于桩基的地下连续墙底5～10 m,且应进入坑底板下的有风化作用的微自然风化地层不宜低于5～10 m,但如果遇到软土或降雨的需要时,应进入较软弱土质的透水层(含水层)[5]。

(4) 在隧道工可及初期施工阶段中, 宜布设相当总量的燮制性施工钻孔, 以适应施工方案综合分析的要求。隧洞内燮制性钻进的水深应到达隧洞底层下面30～40 m, 盾构掘进隧洞应到达隧洞底层下面2.0 D～3.0 D(D 为盾构掘进隧洞外径),沉管隧洞应到达隧洞底层下面1.5 B～2.0 B(B 为沉管隧洞底宽),堰筑隧洞应到达支护构造底端20～30 m。工可勘查阶段操燮性钻进总量不应少于总钻进量的50%, 初步设计勘查阶段燮制性钻进总量不应少于总钻进量的25%。

图1 声波测井结果示意图

表3 隧道地质钻孔纵向间距

2 隧道概况

2.1 地形地貌

隧道周围地形为剥蚀丘陵区。测区内的山地部分基石暴露,植物数量稀少,仅在黄土覆盖地带有人工林生长。隧洞区域的一般地形特点是东北高,西南低,隧洞上部山势巍峨,地势起伏复杂多变,冲沟发育明显,有山崖陡坡。而隧洞所经山区平均海拔通常为280～490 m 左右。

2.2 隧道存在的主要地质问题

隧道的经过区域为剥蚀丘陵区,地势起伏很大,绝对高度大于200 m,而且是气候严寒地带。壤中出现的大规模堆积岩片和多次喷发的熔灰岩片, 在大量的太空风化剥蚀、地下水运动和构造运动等的直接影响下,所出现的各种风化作用程度的风蚀层之间厚薄不均和变化起伏幅度较大的土石分边界的特征等。土壤地表所覆的砂砾类土、风积沙和较新湿陷性的黄土地层之下,有隐伏断裂的沟谷或断裂。而在凝灰岩和凝灰色的角砾岩之间往往具有较高膨胀性, 膨胀潜势必须通过事先进行的测试证实[6]。欲查清本隧道所通过地区的工程地质要求和水文特点, 仅依靠土壤地表调绘和勘探技术,在工程周期较短的情况下不易完成。

3 综合勘探技术应用

隧道综合勘测运用了遥感图像地理理解、工程地貌调绘、钻探、施工勘察、地质测量与环境研究的技术勘查方法,并对成果资源进行了分类整理和综合研究,以查清隧道的实际地质状况[7]。

3.1 综合勘察技术内容和方法

目前外业航空照相调绘工作主要按照: 图像资源整合→有关地物数据上线→勾绘判译范围→地物调绘→确定判释准则以及对数据的一致性条件→燮内判释→建立外业核查通道→场地调查核实等程序实施。在遥感技术解译系统建成后即刻开展了场景核实工作,对航空照相调绘数据加以了补充、调整、指导。同时,在经过场景核实后再对航、卫片进行复判,最后完成了卫星的影像图和地质解释图。

3.2 遥感图像地质解译及工程地质调绘

经过对地面遥感影像信号的解译与分析, 初步判断在1 号斜井附近疑似有断层穿过, 其方位约为大致东西走向。地面上的沟谷发育,对植被运动进行研究的机会比较少, 只在丘陵坡脚与丘间的沟谷上进行了零敲碎打,并发现有较多湿陷量的黄土岩层。但在经通过遥感技术的图像地质解译后,并未发现有任何崩塌、滑动和错落的发育不良地[8]。

用检索区域地质资料、地质调查访问等手段,对地形类型、地层岩性及其组合特征、复杂地质构造、水文地质现象、不良地质活动、特殊地质条件及工程地质要素等进行检查、测定,并核对遥感影像和地质解译的结果,绘制隧道施工地质图[9]。

3.3 综合物探测试

为查清地道洞身范围的土岩分界、风化层厚薄和水文地质状况等, 物探人员采取光电测深法和地震折射法开展工作。地道洞身深物勘探线通常沿中点方位布设,海深测量点距离通常为20～50 m,AB/2Max=210.5 m,共实现了海深测量点300 多个。对异常地点、可疑点实行了严密或重叠监测。据物探推算,第4 系厚通常为3～10 m,但部分地区的第四系地层和全风化作用基岩的混合层厚达5～14 m。

3.4 钻探、简易勘探及地质测试

在充分分析遥感图像地质解译成果、区域地质资料、地质调绘成果及物探成果的基础上,合理布置勘探点,以达到揭示地层层序和岩土工程特征,并验证物探异常点的目的[10]。隧道进出口各布置1 个钻孔,浅埋段及物探异常段共布置6 个钻探孔, 其中3 个为深孔兼做综合物探测井。为查明断层及不整合接触带布置3个钻孔,丘陵斜坡土石分界处布置6 个简易勘探孔。

4 勘察成果

通过遥感图像地质解译、工程特性调绘、施工勘察、地质测量与环境研究等技术勘查方法,对成果数据进行分类整理和综合研究, 测绘出隧道的地质图和施工的纵切面,发现了隧道的地质环境。

4.1 围岩分级

隧道洞身通过的地层有凝灰岩、凝灰质角砾岩、断层泥和安山岩,岩体多为较完整～完整,局部破碎,岩石为全风化、强风化及弱风化。凝灰岩具强膨胀性,凝灰质砾岩具中～强膨胀性。隧道围岩划分根据围岩基本分级,受地下水、高地应力和洞身埋深等影响的分级修正,综合分析后确定。隧道全长8 875 m,通过区Ⅲ级围岩长4 623 m,占总长的52.1%;Ⅳ级围岩长3 209 m,占总长的36.2%;Ⅴ级围岩长1 043 m,占总长的11.7 %。

4.2 地质构造

根据洞身物探成果, 发现1 号斜井洞身段存在高低阻接触异常带。结合地质调绘和钻孔资料,推断为断层。断层走向大致东西方向,倾角较陡,破碎带宽约20 m,断层产状为163°∠718°。

5 结论

通过综合勘探方式, 人们更好地重视利用遥感图像资料和地质调绘资料,在遵循从点到面、理论推断结果与实际实测成果有机地融合、钻探与物探交叉检验等综合研究原则的前提下,利用先进勘探技术手段,做到了对不同类型勘探资源的有机融合。对多特征地质数据进行综合利用和分析,提高了地质判别的准确性，从而达到了提高地质勘探性能和经济效益的目的,缩短了勘查时限,也提高了地质资料的精度和稳定性,因而充分显示了其优越性。

综合勘察注重不同的技术方法和常规技术方法的融合、注重间接勘察技术和直接勘察技术的融合、注重不同检测方法的工程与地质作用, 可以减少不同间接方法的错误率[11]。它是促使各类新技术手段充分发挥其效力,维持其活力的主要保障。工程地质勘察只有全面运用掌握各类新技术新手段, 不断创新勘察技术,才能使隧道地质勘查技术总体能力得以增强。