综合地质勘探方法在隧道勘察中的应用探析

2022-04-28李国桥

大科技 2022年15期

李国桥

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430061）

0 引言

近年来，隧道建设工程项目越来越多，工程建设时所面临的地质环境也较为复杂，对勘察工作有着较高的要求。从目前来看，隧道工程普遍有着体量较大、穿越地层较多、地质环境较恶劣的特征，所以在隧道工程建设前便需要开展全面性的勘察工作，以求充分明确隧道工程所处的地质环境，方便制定和完善隧道施工方案[1]。基于此，正确使用地质勘探方法显得至关重要，必须严格遵循因地制宜和规范性这两点勘探原则。当前应用在隧道勘察中的地质勘探方法较多，大体上可以分为三类，即综合物探技术、钻探技术、地质调绘技术，均有着显著的应用优势。可以说，在长时间的隧道勘察工作中已经形成了整体的思路，即以地质勘探方法为抓手，综合使用地质调查与测绘、原位测试、挖探、钻探、室内实验这些勘探方法，能够确保隧道勘察数据的准确性。本文结合当前综合地质勘探方法的应用与发展，进一步探讨综合地质勘探方法在隧道勘察中的应用，现作如下的论述。

1 综合地质勘探方法的发展

地质勘探工作的重要性是毋庸置疑的，隧道工程、高速工程、山区公路、环境治理等项目均需要地质勘探技术的帮助，这对促进地质勘探方法发展有十分大的益处。在长时间的应用发展中，地质勘探技术的应用专业性大大提升，且可使用的技术越来越多，逐渐形成了综合地质勘探技术体系，其中的地质调绘技术、综合物探技术、钻探技术应用尤为广泛，可以保证和提升勘探作业的质量。在综合地质勘探方法的应用过程中，通过结合勘查区的地质情况选择可行的地质勘探方法，可以准确知晓勘察区的各项地质信息，主要有地层构造、自然地理环境、水文地质条件、地形地貌。在勘察内容上，需要借助综合地质勘探方法探测软土、煤层、围岩、堆岩、地下水这些信息，从而为建设项目的施工方案制定提供地质信息支撑。

综合物探技术有着显著的应用优势，虽然是一种间接性的勘察方法，但依然可以精准勘察地质体的物理性质，并可以对相关的地质问题作解释和推断。相比之下，综合物探技术使用时会受到较多因素的影响，主要有自然环境、人文环境、地质地形，所以通常情况下会联合使用地质调绘技术和钻探技术，以此确保勘察数据的准确。但综合物探技术也有显著的优势，比如对场地条件没有过高的要求，整体操作较为简单快捷，所使用的设备也较为轻便。

地质测绘技术在各类项目工程的勘察中均有广泛的应用，比如隧道工程勘察时常用的技术，优势在于可以系统勘察隧道区域的地形地貌、地质环境，以此确定出隧道区的地层岩性条件和水文条件。在地质测绘技术应用过程中，需要勘察技术人员实地观察和走访，查明项目工程所处的地貌、地形和地质条件，在此基础上还需要绘制草图，全面揭示出项目工程沿线的地质条件。钻探技术的适用性和针对性较强，可以精准勘察项目工程的水文地质特点，尤其是适合应用在隧道区域水文地质条件的勘察中，并可以对地质调绘和物探技术的勘察结果作验证核实。以隧道工程勘察为例，在使用钻探技术时可以直接钻取岩芯，通过测试可以获得勘察区的岩石特性，室内所开展的岩石试验可以确定岩体所具有的物理力学性质。但钻探技术使用过程中易受到勘察场地和地理因素的影响，有着较大的应用缺陷，且勘察周期较长，甚至在一些特殊地层的钻探作业中会存在风险，所以应谨慎使用。总的来说，在当前综合地质勘探方法的支撑下，地质项目工程的勘察形成了具体的思路，即方案策划→野外踏勘→工程地质测绘与调查→勘探→原位测试→室内试验→绘制工程地质平面图→统计计算→编制报告，如图1 所示。

图1 地质项目工程的勘察思路

2 隧道勘察中综合地质勘探方法的应用

2.1 地质调绘技术

在隧道工程的地质勘察作业中，最基础的便是调查与测绘，这可以借助地质调绘技术完成。具体来说，在隧道工程的调查与测绘工作中，勘察技术人员应将重点放在工程地质和水文地质信息的采集这一方面，从而获取精准的勘察信息。为明确隧道工程所在区域的工程地质条件，勘察技术人员需要实地观察和走访，有助于更加精准的明确隧道工程沿线的地质条件、地形地貌。针对隧道工程的特点，勘察技术人员一方面要按照要求勘察地形和地貌的特征，精准划分地貌单元，另一方面要对各个地貌单元的形成过程和构造特点作一分析，确定出因果关系。隧道工程的岩石厚度、性质、成因、分布范围均是地质调绘的重点，地质构造类型、地质构造活动特点均需要重点分析，勘察技术人员要认真对待。除此之外，在隧道工程的勘察作业中，勘察技术人员可以使用遥感图像资料，这样可以尽快找出断层所在位置，可获取到更多的地质资料，在此基础上展开地质调查工作，势必可以取得更好的成效，确定隧道工程的岩土条件和地质条件，对提升遥感图形地质资料的准确性会有十分大的益处。

2.2 物探测试技术

为明确和掌握隧道洞身周围土石分界、风化层的厚度，需要使用电测深法和地震折射法，可以顺利完成隧道地质勘察作业。若是要使用隧道洞身物探测试技术，则勘察技术人员需要前期开展一些工作，比如需要顺着中线放线，确定出最佳的勘探点。结合当前隧道工程的地质勘察工作来看，在勘探点的布设时，通常情况下两个勘探点之间的距离不能小于20m，且不超过50m。若是在勘察工作中发现勘探点存在异常或可疑，则必须采取加密监测方法，或者可以结合实际情况开展反复观测。

在隧道工程的勘察作业中，物探测试技术发挥着显著作用，比如可以与钻探方法联合使用，开展综合性的物探作业。若是勘察技术人员需要明确钻探孔内部岩石的结构特点，主要是岩石的破碎程度和地下水含水层的位置，以便为隧道内部地下水活动提供参考资料，则此时可以联合使用钻探技术和物探技术，当前的一些钻探设备有着体积小、进尺较快、操作方便的特点，适用于隧道工程的勘察作业中。若是要使用综合测井这一方法，则需要勘察技术人员合理选择勘察参数，同时要对隧道钻探资料作一分析，对不同测井曲线的物性和分层进行比对分析，由此确定出隧道地层的深度和厚度。若是在勘查过程中发现曲线深度存在异常，则可以借助声波测井曲线这一方法开展基准测试。

2.3 高密度电法

在隧道勘察工作中，高密度电法的应用较为常见，且多应用在埋深较大和钻探技术无法查证的隧道工程中，可取得较好的勘察效果。就高密度电法的应用特点来说，勘察技术人员主要是借助高密度电法测量系统收集所需要的地质资料，而后利用相应的软件推演二维电阻率成像，这可以得出隧道工程较多的信息[2]。在这些勘察信息的帮助下，勘察技术人员可以确定隧道工程的暗河管道、岩溶洞穴的埋深和位置，可因此确定隧道工程所受到的影响因素。

高密度电法作为一种新型的综合地质勘探方法，工作原理与常规电法没有太大的差异，可以测试两级间的电位差，获得记录点的电阻率值。但相比之下，高密度电法的应用优势明显高于传统的电法测试技术，一方面数据采集速度更快，且采集到的信息更加的丰富全面，另一方面因为有软件和二维成像的支撑，所以勘探精度可以有所保证。

2.4 钻探和勘探测试

在隧道工程的勘察作业中，遥感图像资料、地质测绘资料所发挥出的作用不容忽视，必须始终作为勘察作业的基础，在此基础上科学布置勘探点，便于开展钻探勘察作业。在使用钻探和勘探测试技术时，可以将勘探重点放在隧道地层层序和岩土特性这一方面，在隧道的出口位置和进口位置分别布置钻孔，钻孔位置可以分别选在浅埋段和物探异常段[3]。除此之外，为了明确隧道工程断层的具体位置，勘察技术人员可以在断层和接触带的连接位置布设钻孔，通常钻孔可以设计3个，还需要在丘陵斜坡土石分界位置布设勘探孔，所需要的勘探孔较为简易。

2.5 EH4 大地电磁测深系统

EH4 大地电磁测深系统是一种较新型的大地电磁测量系统，有效的勘探深度可以达到几十米至三千米，主要使用被动源电磁法。在使用EH4 大地电磁测深系统进行隧道工程的勘察作业时，勘察技术人员既可以使用天然场源的大地电磁信号，也可以使用人工场源的电磁信号。在实际使用时，考虑到人工场源的电磁信号较浅，所以应该用在浅部构造的探测作业中，而天然场源的大地电磁信号较强，所以可以用来揭示深部构造。通过联合使用两种信号源，可以确定隧道工程基底的埋深和起伏，并形成二维电阻剖面成像，准确度高[4]。

2.6 地震勘探和钻孔超声波测井

隧道内部的地层岩石特性是较为复杂的，隐节理发育的速度较快，同时地表会有较明显的风化，这导致钻探技术使用时会出现取芯率较低的情况，对整个隧道工程的勘探作业有很大的影响。针对于此，勘察技术人员可以使用地震勘探和钻孔超声波测井技术，既可以减少人为因素的影响，也可以精准判断出岩石的风化程度，值得推广应用。以地震勘探为例，勘察技术人员可以使用反射法、地震测井、折射法，比如在使用地震测井这一方法时，应确保震源位于井口的附近，检波器放置在钻孔内部，以此测量井深和时间差，计算出地层的平均速度，同时可以测定出震源信号到达每一个深度区间所花费的时间与速度[5]。目前来看，地震测井在隧道工程中的应用逐渐广泛，可以精准确定隧道工程的地质构造情况，后续应进一步加大研究力度，掌握更多使用要点。

2.7 室内试验

室内试验是隧道工程勘察作业中的重要环节，是隧道工程评价土石特性的重要手段，同时也是有效解决一些工程地质问题的主要途径。具体来说，通过常用的物探技术、钻探技术可以清楚土石的空间分布、形成条件等信息，只可以进行定性评价，但无法完成定量评价，此时便需要使用到室内试验这一方法。在室内试验工作中，要充分明确地质条件评价的要点，确保室内试验所选择的指标、因子均符合隧道工程的特性。除此之外，在室内试验时应该对重要物理场进行重点观测，判断隧道工程的地质情况。

3 对综合地质勘探方法在隧道勘察中应用的再思考

隧道勘察中所使用的地质勘探方法有着显著优势，可以推广应用在隧道勘察的各个场景中，当前所使用的勘探技术主要包括挖探、简易钻探、钻探和地球物理勘探，各有优势和不足。比如挖探技术的最大优势是可以获取到隧道工程的原状土样，勘察资料有着直观性的特性，但勘探深度是有限的。再比如钻探技术的使用场景较为特殊，多应用在挖探技术和钻探技术无法适用的场景中，不仅可以应用在隧道勘察作业中，也可以应用在桥梁和大型滑坡工程的勘察作业中[6]。地区物理勘探技术因为有专门的仪器，可以观测物理场的变化情况，可以帮助勘察技术人员掌握地下地质情况。

由此可以看出，在当前的隧道勘察作业中，虽然可以使用的地质勘探方法较多，但均不同程度的存在着缺陷和不足，为了能够实现最佳的勘察作业效果，应将这些地质勘查方法结合起来使用。另外，后续要进一步加大研究力度，一方面要突破当前地质勘探方法应用时所面临的困境，提升实际勘察作业的实用性和适用性，另一方面要依托现有的科学技术加大创新力度，使用新型、有发展潜力的地质勘探方法，更好的促进隧道工程勘察作业的开展。除此之外，应重点关注隧道勘察的评价工作，这主要是因为隧道的址区岩性较为复杂，稳定性和安全性均易受到影响。在实际开展隧道勘察的评价工作时，要分为隧道进洞口段、出洞口段、洞身段这三部分进行评价，评价内容必须包括围岩分级、边坡稳定性、隧道洞口段工程地质，尤其是要评价好隧道洞口段工程地质。