复杂山区城市隧道勘察方法及应用

朱经亮，戴夏斌，燕 轲

(华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014)

1 工程概况

溧阳市焦尾琴旅游综合体—隧道项目路线起于104国道与长山路交叉处，桩号Z(Y)K0+000.000(坐标：77569.263，45864.294)，向北采用分离式隧道形式穿越西圣山，终于平陵西路与泓盛路交叉处，桩号ZK1+680.610(YK1+673.092)(坐标：78975.780，46706.310)，道路全长1.68 km。

本项目采用城市主干路的道路标准，设计速度60 km/h，路基宽度布置如下：机动车道2×2×3.75 m，中间带2.5 m(含左侧路缘带0.50 m)，右侧路缘带2×0.5 m，保护性路肩2×0.75 m。行车道横坡2.0%，保护性路肩横坡4%，路基设计标高为道路中心线处路面顶面标高。主要工点为焦尾琴隧道，为分离式隧道，单幅建筑限界净宽为10 m，净高为5 m，左线长630 m、右线长625 m，最大埋深约62 m，明洞及洞门段采用明挖法施工工艺、暗洞段采用矿山法施工工艺。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

项目区位于江苏省常州市溧阳市西圣山(仙人山)，为低山残丘地貌，场区海拔标高22～158 m。山体植被茂密，自然坡度20°～40°左右，山坡上存在大量滚石。

2.2 气象水文

项目区属亚热带季风气候区，干湿冷暖、四季分明、雨量充沛、无霜期长。全年平均温度17.5 ℃，一月份3.2 ℃，七月份31.1 ℃，极端最高气温为39.4 ℃，极端最低气温-15.5 ℃。年均降水量1 149.7 mm，一月份42.2 mm，七月154.1 mm。大约日照时间，一月份137.6 h，七月份229 h。雪期一般在12月24日～来年3月9日之间，平均76.5 d。境内偏东风为主，年均风速3.0 m/s，最大风速22.5 m/s，瞬时风速曾达28 m/s。隧址区附近无大型地表水体。

2.3 区域地质构造及地震

(1)区域地质构造

隧址区所处大地构造位于扬子板块下扬子褶皱冲断带。近场区主要断裂有金坛—南渡断裂(F2)、溧阳—南渡断裂(F4)、溧阳—庙西断裂(F5)。其中金坛—南渡断裂为晚第四纪活动断裂，距离本项目较远；其余断裂均非全新世活动断裂。总体而言，近场区断裂对本工程场地稳定性影响不大。

(2)地震

根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)，项目所在区域为常州市溧阳市溧城镇，II类场地基本地震动峰值加速度值为0.10 g，相当于抗震设防烈度7°，基本地震动反应谱特征周期为0.35 s。

2.4 地层岩性

隧址区主要地层为第四系全新统(Q)人工填土、残坡积黏土及碎石土、侏罗系上统大王山组(J)全～中风化安山岩、二叠系孤峰组(P)全～中风化硅质页岩、二叠系栖霞组(P)中风化灰岩。

2.5 水文地质条件

(1)地表水

项目区地表水主要以雨季洪流为主，局部分布鱼塘，水量受季节性影响变化较大，其自然排泄畅通，无其它大型地表水体。地表水位位于隧道底板以下，不会产生倒灌。

(2)地下水

根据地下水埋藏特征，场地地下水类型为潜水、基岩裂隙水(构造裂隙水)、岩溶水。

潜水主要赋存于浅部填土及碎石土中，其主要接受大气降水的入渗补给和地表水侧向补给，以垂直蒸发和径流方式排泄。据区域水文地质资料，隧址区潜水水位年变幅约为1.0 m，勘察期间量测钻孔内稳定水位埋深为0.25～7.60 m，标高为5.71～11.45 m。

基岩裂隙及构造裂隙水、岩溶水主要赋存于裂隙、岩溶管道中，主要接受大气降水、潜水的入渗补给，以径流方式排泄。项目区岩体破碎，裂隙及岩溶发育富水性较差。勘察期间未见裂隙水、岩溶水。

3 采用的勘察方法

本项目具有构造断裂发育、岩性种类多、外业开展难度大等特点，且路线穿越灰岩区，故本次勘察采用工程地质调绘、钻探、原位测试(包括标准贯入试验、重Ⅱ动力触探试验、孔内波速测试等)、注水水文试验、室内岩土水试验、物探等综合勘察手段。其中，物探先采用了高密度电法，后又结合场地条件及隧道埋深，采用了国内新近技术——反磁通瞬变电磁法。该物探方法从理论和仪器上实现了纯二次场的观测。其装置示意图详见图1。

图1 反磁通瞬变电磁法装置示意图

反磁通瞬变电磁测线的布设：沿左、右隧道、车行横洞、人行横洞洞轴线各布置1条测线；隧道进出洞口、路堑开挖段等垂直路线布设横向测线，其中进出洞口上中下各3条、路堑开挖段布设2条。

勘探孔的布设以机钻孔为主。隧道进、出洞口位置结合物探测线各布设2个钻孔；洞身钻孔位置结合地形、地质调绘和物探成果布设，布设在隧道结构外侧3～5 m，间距控制在50～100 m。

4 取得的成果

通过采用反磁通瞬变电磁法，结合传统的勘察手段，查明了工程地质水文地质条件如下。

4.1 断裂构造的分布及类型

项目区有二十多条断层及破碎带，其分布详见图2。这些断层根据上下盘相对位置，分为正断层、逆断层、平移断层等断层类型。按方向分为：北北西向，如图中f 6～f 8；北东东向，如图中f 13～f 16；北北东向，如图中f 24、f 25；北西西向，如图中f 26、f 29等。

图2 项目区断裂构造图

4.2 岩性种类及分布

项目区岩性主要有属于火成岩类的侏罗系安山岩，属于沉积岩类的二叠系页岩、灰岩及泥盆系石英砂岩。其分布详见图3。

图3 项目区岩性分布图

4.3 岩溶发育情况

初步拟定的设计方案穿越灰岩区约480 m，在分析物探成果的基础上实施了6个钻孔，均揭示溶洞发育，钻孔遇洞率100%，线岩溶率21.5%，综合分析属岩溶强发育区。溶洞高8.0～23.1 m，溶洞以半填充为主，充填物主要为可塑状态的碎石土，局部无填充。

5 对路线方案的优化

经过本次勘察，隧址区的工程地质条件总体较复杂，特别是岩溶强发育，对隧道的设计及施工均有较高要求，造价也较高，故经过地质选线，提出了绕避的优化方案A及方案B。

优化方案A：路线由入口一进洞，从出口二出洞。沿线穿越地层主要为安山岩与页岩。该方案局部穿越灰岩，经物探及钻探揭示长度约180 m，且仅1孔发育溶洞，洞高6.8 m，岩溶发育程度较原方案明显降低，且该方案虽与多条断层相交，但交角均较大。

优化方案B：路线由入口二进洞，从出口一出洞。沿线穿越地层主要为安山岩与石英砂岩。该方案穿越灰岩长度约180 m，但该路线与f7断层重叠，岩体极破碎。

地质必选情况：方案A和方案B虽仍穿越灰岩区，但长度较原方案减少了300 m，且岩溶发育程度较原方案低，均优于原方案；方案B断层重叠，岩体极破碎，原方案穿越多条断裂，且个别呈小角度相交，岩体较破碎，方案A虽穿越多条断裂，但都以大角度交叉，岩体相对完整。综合分析方案A优于原方案及方案B，故推荐方案A为最终优化方案。优化路线详见图4。

图4 路线优化方案图

经测算，优化后的方案A隧道长度较原方案减少300 m，工期减少6个月，造价减少约8 500万，产生了明显的效益。

6 结 论

(1)对于地质条件复杂、进场困难及埋深较浅的城市山区隧道，采用反磁通瞬变电磁法结合传统的勘察手段，可有效查明工程地质水文地质条件。

(2)通过对项目区构造断裂、岩性分布、不良地质及特殊性土的综合必选，选择最优路线方案，从而达到安全、经济、可行的设计目的。