大断面隧道地质勘察方法及成果分析研究

张昌欢 ZHANG Chang-huan

（深圳市工勘岩土集团有限公司，深圳 518000）

0 引言

隧道工程作为公路工程的重要组成部分，在建设期有诸多不确定且复杂的因素。因此在公路隧道建设阶段进行地质勘查是十分必要的，专业的勘察人员能够借助现代化的科学技术原理方法，通过实地考察调研，对将要修建的隧道进行取证，再结合所需建设工程的实际要求，对数据进行综合分析、验证及评价，了解拟修建隧道附近一定区域内的地理环境特点、地形地势、地质状况、岩土工程及力学性能等参数，并对工程勘察文件的编制及建设提出合理的意见及建议，便于科学地判断隧道工程顺利开展，并保障最终的工程质量及应用年限。

1 隧道概况

某隧道位于广东省清远市境内，全长1481m。隧道区属于丘陵地貌，山丘局部十分陡峭。隧道进出口位置坡度减缓，覆有全、强风化层，其余部分岩石裸露，隧道区域周边的山坡富有大量丛生杂草植被，进出口位置分别分布有水泥道路及泥泞小道，交通状况全然相反。

勘察区地形较为简单。隧道进出口段自然坡度51°～74°，植被发育。地面高程1366～1520m，相对高差约154m。在隧道经过的地段，基岩裸露，隧道体穿过下三叠统大冶组第三段（T1d3）的白云岩，为坚硬岩石。厚白云石段节理相对发育，岩层产状相对缓慢。可能遇到较大的突水，容易形成崩塌块体，对项目建设有一定影响。勘探区为出口端沿隧道轴线剖面布置在里程CYK63+400～CYK64+670 段、CYK63+500～CYK64+770 段。

隧道入口处的基岩裸露，地形陡峭。基岩为白云石。岩石产状为N70°E/20°SE，向线路左侧倾斜。基岩节理较发育，斜坡上有危岩和岩石。出口处基岩裸露，为浅埋段。

2 大断面隧道地质勘察方法

隧道地质勘察方法主要有遥感、物探、调绘、钻探及挖探等，应根据地质条件、环境条件及设计需要综合考虑。该隧道地质构造方面，隧道测绘区域内并未出现断层，隧体位置黑云母花岗岩及凝灰熔岩的接触点，该点附近存在大量地下水，岩体破碎状况明显；地震方面，测绘区域地震动峰值加速度为0.10g，地震动反应谱特征周期0.40s。针对隧道所经地区的自然、地质、地形状况及施工条件等对象，应用直接观察、工程地质调查、访问群众及工程地质测绘等方法，了解隧道途经线路的地理形貌、地层岩性、地质构造、特殊地质及不良表层、地层中水的流向，地震等状况，并结合工程经验及施工方法进行勘探方法分析，该隧道地质勘察方法主要采用地质调绘、综合物探及隧道钻探。

2.1 地质调绘

地质调绘可以先使用小的比例尺，以1:5000 的比例，针对重点水文带、构造带及岩性分解带的岩土露出状况及分布范围进行调查，应用1:2000 的大比例尺，重点针对该隧道进出口处进行调查，同时结合使用地质界限追踪及剖面调查的综合性方法，摸清隧道进出口位置地层的地貌、岩性构造及不良地质状况，设定的观测点需要精准把控隧道岩性状况，并使用GPS 定位方法，明确重要岩性分界带等观测点（如图1）。

图1 隧道纵剖面

结合地质调查测绘结果，可见隧道测区状况简单，表层附有2m 以下堆积土壤，下浮基岩主要由黑云母花岗岩凝灰熔岩及风化层构成。全、强风化层的进口及出口位置附近的厚度差最大为25m 及14m，而花岗岩残积层及全、强风化层受水流冲刷，可能会出现崩塌，软化及强度骤降的问题，再加上大断面隧道进出口位置贯穿花岗岩区域及全、强风化层等，可见隧道的进出口位置有相对较差的施工条件，而其余地段地质状况均为良好。

2.2 综合物探

为使隧道探测具有更高精度，需要考虑隧道周边地形、环境、数据采集等的限制，综合应用多种物探方法。该隧道进行的探测应用了高密度电法成像法、CSAMT 电磁法，通过电磁推断岩石的电性参数，采集所需数据信息。但若测得的参数较为接近，就会影响探测结果的精确性。所以应用物探方法，需要综合对钻探及地质测绘等信息资料进行分析，并且实地验测重点地下富水区、断裂处及褶皱处，并辅助使用微动探测法或是高密度电法等能够快速适应地形地貌、控制资金成本且具有良好探测效果的高密度探测方法，去探测隧道进出口位置以及浅埋沟谷段。

2.3 隧道钻探

为深入到隧道内部进行直观而确切的探查，并且判断隧道周边地形的岩性及其构造，可应用钻探方法，并进行其余的孔内测试。在依次经过地质调查测绘及综合物探的前提条件下，该隧道的勘探可以结合之前绘制的隧道区域地形地貌特点，在隧道的进出口位置、控制点、断裂点以及物探反常区域进行钻探。比如可以将钻孔打在隧道洞口处或隧身处，探寻水流在地下及地层表面的连通状况。

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3 地质勘查成果分析

在详细勘察阶段，勘察人员注重针对隧道途经地区两旁的周边地区的地形、地质、环境及水文进行详细调查，并依据隧道的施工要求完成钻探、物探等一系列的测试，而该隧道属于大断面特长隧道，相应的，其勘探范围需进一步扩大，以获取所需的设计及施工资料。

3.1 地质调绘勘探成果

3.1.1 岩石松落

根据勘探结果，发现在隧道入口处丘坡存在大量松落的堆积石块，石块最大直径为数10m，许多岩石表面被侵蚀切割成尖锥直立状，一小部分岩石已与山丘脱离。一旦岩石崩落，将径直砸向山丘下方的水泥路面。因此，在隧道公路工程施工特别是爆破施工时，需要做好岩石松落的预防保护工作，防止岩石突然落下，对现场安全造成影响，特别是位于西方的进口隧道的丘陵上堆积有大量摇摇欲坠但直径可观的碎石，状况极不稳定。而考虑到后续施工及应用中的安全性，设计人员经过分析探讨，对隧道的洞口进行了整改，使隧道入口与这一段危险区域偏离，避免事故发生。

3.1.2 涌水现象

经过以上勘察，发现隧道围岩岩石材质主要为花岗斑岩以及风化后的熔结凝灰岩。隧体主要不良地质仅为隧道出入口处的松动岩石。结合前文水文地质情况调查及钻孔水文试验结果，大略地估计隧道的涌水量，发现隧址区周边的地质状况及水文情况都并不复杂，但需要格外关注的是基岩中风化层出现的网状裂隙积存的地下水，为防止隧道内由此引发涌水现象，需提前进行预防，做好排水防护。

计算隧道正常涌水量：

式中：

W：年均降水量；

X：日均降水量；

A：集水面积。

计算隧道最大涌水量Qmax：

Qmax=1.50Qs

应用以上公式进行估算，可获得该隧道单洞的正常及最大涌水量。

3.2 综合物探成果分析

在整个隧道工程中，为解决多项地质问题，要灵活应用基础的物探方法，合理确定大多数勘探点，通过地质调查，发现地质问题，再进行钻探。应用物探方法时，勘查人员可以应用瞬变电磁，贯通洞口及隧道的部分地段，并在隧道的进出口位置及富水区域应用CSAMT 探测法及高密度电法，多次对比观察。物探结果表明，从隧道YK54+800～YK64+680 段的电阻率分布剖面来看，除局部断裂带和出口端电阻率较低外，总体电阻率较高，一般大于1000Ωm，最高大于2500Ωm，以YK62+000 附近为界，隧道入口端沿线路方向的围岩电阻率高于出口端。断裂带围岩电阻率为100～800Ωm，最低值小于50Ωm。

物探结果表明，隧道区发育有11 条具有一定规模的断层。物探成果验证了专项地质调查资料中的F5、F6 和F7 三条断层。根据隧道围岩电阻率分布及反演处理结果，参考地质资料，结合地质调查结果综合分析，物探成果中新发现的8 条异常带可能为断层或构造断裂带，编号为Fw1～Fw8。从电阻率分布和反演结果图以及物理地质剖面图中可以清楚地看到这些断层带的位置、规模和影响深度。通过对现场资料的处理和解释，结合地质条件，得到结果见图2-图4。

图2 隧道高密度剖面YK63+510～YK64+680 段电阻率分布剖面图

图4 隧道物探地质解释剖面图

隧道电阻率分布剖面反映的隧道区地质特征与原始数据吻合良好，同时增加了新的地质内容。

3.3 钻孔地应力测试结果

隧道区的水平地应力以构造应力为主，这也表明地应力场以水平应力为主。在试验深度范围内，根据《广东隧道钻孔地应力测试》的规定，本次试验结果见表1。

表1 隧道围岩可能发生岩爆的隧道埋深

从表1 可以看出，本工程试验成果的最大水平主应力方向约为NW307°，最大和最小水平主应力随岩层深度的增加呈增加趋势。预计最大水平主应力为23.89MPa，最小水平主应力为18.13MPa，自重应力为22.92MPa。

4 结束语

在本次隧道勘探时，虽然屡次强调勘察中需要结合运用水文地质调查、钻探、取样及测试调查等物探方法，并针对隧道周边地质、地理形貌、水文、地质构造及隧道下方富水区、裂缝等风险点做好事先应急防护及防爆防治工作。根据以上勘探方法的综合应用，可发现在诸如广东隧道等大断面公路隧道的综合勘查时，不可采用单一式的勘探方法，而是综合使用，彼此配合。在隧道地质勘探前，需要勘察人员进行调查或实地走访，了解隧道区域周边的地质状况、环境状况及水文状况等信息资料，最后有效结合钻探、物探及试验验证等勘察程序，综合对物探方法的多元化解释，对所得的成果进行合理分析，在核查勘测结果的同时，也通过对钻孔位置的有效布置，获得更加详细的地质信息，使公路隧道工程保质保量完成。