复杂地质构造条件下长大深埋隧道综合勘察技术应用

王智毅 （安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

综合勘察技术是指根据地形、地质条件，结合勘察阶段、工程类型等，采用包括遥感、地质调绘、地质钻探、综合物探、综合测井和各种试验等在内的多种勘察手段，使取得的地质资料互相验证、取长补短，以最经济的勘察工作量达到最佳的勘察效果。并在地质资料整理的过程中采用综合分析方法，将不同手段取得的地质资料进行对比分析，使获得的地质资料更加全面、准确，为设计和施工提供可靠的地质资料。

西和至宕昌高速公路（简称“西宕高速”）全长100.49km，位于甘肃省南部，地处陇南山地，属于长江流域，为典型的山区高速项目。地质条件复杂，具有地形高差大、构造发育、地层结构复杂、不良地质发育等特点。

西宕高速共设16 座隧道，其中毛羽山隧道是一条左右分离式的双洞特长隧道，是西宕高速的关键控制性工程。右线长6208m，最大埋深640m；左线长6439m，最大埋深639m；设斜井1处，长1450m。该隧道于2023 年5 月完成地质勘察工作，进入施工图设计阶段。

1 隧址区地质概况

项目区地处中国大陆二级阶梯向三级阶梯的过渡地带，位于秦巴山区、青藏高原、黄土高原三大地形交汇区域，境内形成了崇山峻岭与河谷盆地相间的复杂地形。地形特点是沟谷发育、切割强烈、地表起伏大、山势陡峻、相对高差大，凸显出高山、高海拔、高烈度地震区与高速公路建设之间的矛盾。

图1 工程区地貌特征

1.1 地形地貌

隧址区属构造剥蚀中山区，地形起伏较大，最高点位于洞身山梁，高程约2417m，最低点位于出口处沟谷，高程约1738m，相对高差679m。山体走向近北西南东向，坡面自然坡度约30°～40°，洞身段发育多处冲沟。隧址区山体多基岩出露，或薄层坡积覆盖，隧道出口及洞身沟谷两侧缓斜坡覆盖较厚坡积层。隧址区植被覆盖率较高。

1.2 地层岩性

勘探深度范围内，地层主要为第四系坡积角砾（Qdl）、古近系砂砾岩（E）、三叠系官亭群中部建造层板岩（Tb）、泥盆系西汉水群第一岩性段粉细砂岩夹板岩（D22xh1）。

1.3 地质构造

工点处的大地构造属于青藏歹字形构造体系，受构造作用影响，褶皱断裂发育，地质构造十分复杂。工点范围内受区域地质构造作用影响，发育有断层、褶皱、岩层角度不整合接触带及节理密集带，地质构造发育。

2 综合勘察技术的应用

毛羽山隧道地质条件十分复杂，若仅采用地质调绘、钻探等单一的勘察手段，难以有效地查明长大、深埋隧道的工程地质、水文地质条件，无法为线路方案比选、工程设计等提供详细的工程地质资料，所以综合勘察技术的应用尤为重要。

在本项目工程地质勘察过程中，采用了工程地质调绘、地质钻探、综合物探、孔内测试及试验等方法和手段进行综合勘察，确定围岩分级，并提出了线路的优化建议。

2.1 地质调绘

毛羽山隧道共进行工程地质调绘点83 个，调绘面积6.4m2。利用1：10000路线平面图做底图，对路线两侧各500m 范围内进行路线地质调绘，同时采用1：2000的平面图，对重要工点和不良地质进行线路轴线两侧各200m 范围内的地质调绘工作。

隧址区工程地质条件较复杂，采用追索法、定点观察法辅以穿越法，地质观察点间距一般20～30m，遇地层分界线、构造线和不良地质现象进行追索；对岩性差异很大的地层分界线和不良地质周界采用仪器法定位。

2.2 地质钻探

毛羽山隧道共设置地质钻孔13 个，计2054Lm。初勘阶段，除在两洞口处布设有钻孔外，根据地质调绘资料，另在K90+350（2F5-1 破碎带）、K91+600（2F5 破碎带）、K94+750（2F6-2 破碎带）、K95+700（2F6 破碎带）等疑似断裂破碎带处布设地质钻孔。岩芯取样显示破碎带原岩成分多以三叠系中部建造层板岩、千枚岩及泥盆系砂岩为主，碎裂结构，节理裂隙发育，岩体破碎，多见方石英脉，岩芯呈碎块状、短柱状。钻探结果与地质调绘结论能相互验证。

详勘阶段，在地质调绘工作的基础上，结合初勘阶段综合物探的勘探成果，针对性地布设深孔钻探，通过钻芯取样、岩土试验，解决的主要地质问题如下文所示。物探反映重大异常区的验证，隧道围岩类型辨别，区域性大构造、断层产状、岩体破碎（软弱）程度、富（导）水性、重要地质界面等辨别，地应力测试等，查明了场地地基、岩土体稳定性及围岩的地质条件，为选择构造物结构和基础类型提供必要的地质资料。

根据初勘EH4 勘察结果，2F5、2F6-1、2F6-2、2F6 破碎带位置分布上与地质调绘、地质钻探成果基本相符，2F5-1 确认为节理密集带沟谷。另有K93+300、K94+000 区域附近电阻率出现条带状低阻异常，推断为断裂破碎带。由于地面表征不明显，初勘阶段地质调绘未能识别，在详勘阶段，对该两处位置进行补充钻探复测，该区域岩芯破碎，确定为2F6-3、2F6-4断裂破碎带。

2.3 综合物探

根据毛羽山隧道情况，本次采用了音频大地电磁法（EH4）、浅层地震、高密度电法进行综合物探。

根据初勘阶段EH4 勘察结果，在K90+200～K90+500 附近存在一向西倾斜的低阻条带异常，推断为断裂破碎带（2F5-1），破碎带宽度约为50m，向西倾斜，倾角约为70°，经详勘阶段复测，确认为节理密集带沟谷；在K91+600 附近电阻率呈两高夹一低形态，推断为断裂破碎带（2F5），破碎带宽度约为60m，向东倾斜，倾角约为85°；分别在K93+300、K94+000、K94+750 和K95+100附近，有四个条带状低电阻异常区，推断为断裂破碎带（2F6-4、2F6-3、2F6-2和2F6-1），4 条断层均往西倾，倾角分别为60°、70°、80°、80°，宽度分别为150m、120m、125m、70m；在K95+750附近有一向西倾斜的条带低阻异常，推断为断裂破碎带（2F6），破碎带宽度约为130m，向东倾斜，倾角约为55°。根据EH4 勘察结果，岩性判断与调绘、钻探资料基本相符，局部岩性判断略有差异，以调绘及钻探为准。揭示的7 处电阻率带状异常区，其中2F5、2F6、2F6-1、F6-2位置分布上与调绘、钻探成果基本相符，2F6-3、2F6-4 由于地面表征不明显，初勘阶段未能识别为断裂破碎带，在详勘阶段中补充钻探的勘探结果与物探结论相符。

图2 EH4电阻率断面图

本项目采取EH4 为主要物探手段，以高密度电法、浅层地震、声波测井为辅助手段，大致确定长大、深埋隧道围岩的结构特征，并评价可能影响工程的断层破碎带及异常区域，对隧道的深孔布置、地质资料的修正、工程地质和水文地质条件的分析判断提供了依据。

2.4 测试及试验

本次勘探选取隧道中部部分钻孔进行了地应力测试，从所测地应力得出的回归公式，较合理地揭示了地应力与深度的规律。根据岩石饱和抗压强度试验，统计标准值为18.34MPa，分析出埋深650m 时围岩强度应力比为1.04，不易发生软岩大变形。但根据钻探及取样情况，三叠系地层多软硬相间，板岩、千枚状板岩互层，千枚状板岩岩芯采取率较低，试验样品多集中于岩芯较好的板岩段，故分析统计的饱和抗压强度值偏大。结合附近兰渝铁路施工试验，将千枚状板岩及板岩中的软弱层，饱和抗压强度按照7.0MPa 考虑。因此当埋深大于520m 时，围岩强度应力比小于0.4～0.5，三叠系板岩段中的软弱夹层易发生软岩大变形。

2.5 隧道围岩分级

根据隧道围岩的岩土体特征、岩石的坚硬程度、岩体的完整程度、风化程度等地质条件，考虑地下水、软弱结构面、高地应力、围岩的纵波速度、隧道的埋藏深度等因素后，综合评价隧道的围岩分级。

2.6 地质选线

本项目地形地貌、地质条件复杂，新构造运动强烈。勘察设计过程中在大面积区域地质调绘的基础上，与路线方案研究相配合，进行了多方案的比选，始终坚持遵循越岭地区、不良地质及特殊性岩土区地质选线及重要工点地质选线优先的原则，始终坚持地质先行，各专业相互配合，共同分析论证，对该路段从工程地质的角度提出了线路优化建议。

经地质调绘发现，毛羽山隧道出口段路线最初位置附近存有一巨型滑坡（2HP06），且毛羽山隧道出口分布有多处滑塌。经稳定性计算分析，该滑坡体自然状况稳定性系数为1.03，处于欠稳定状态；暴雨工况稳定性系数为0.95，处于不稳定状态；地震工况下，滑坡体稳定性系数为0.86，处于不稳定状态。滑坡体在施工扰动下，可能发生变形，对构造物具有一定的影响，变形失稳处治费用高，因此建议路线避开该滑坡体。

3 结论

每一种勘察方法和测试手段都不可避免地存在局限性和弊端，因此，工程勘察中，特别是地质条件较为复杂的区域，应根据工程实际需要的勘察范围、勘察深度和勘察精度，选择几种恰当的勘察手段组成综合勘察手段。

综合勘察不是勘察手段的堆砌和罗列，而是各种手段环环相扣、相互补充、相互验证的过程。在本次毛羽山隧道的综合勘察工作中，首先通过对区域地质报告和前期资料的详细研究，对隧址区构造、地层岩性、水文地质、不良地质、特殊性岩土地段等的范围、类别、性质有了进一步的认识，然后进行工程地质调查与测绘，在此基础上对判断不明部分、大型构造物及主要场地进行物探、地质钻孔，同时钻探成果也对前期地质调绘、物探工作的成果进行验证，最后的综合测井等测试工作是对钻探的验证。

通过综合勘察手段，地质调绘工作探明最初隧道出口线路靠近巨型滑坡，对隧道有一定的影响，提出了优化路线的建议；物探工作探明了地质调绘中未能查明的2F6-3、2F6-4断层；地质钻探工作根据岩芯取样情况对地应力测试的结果进行了修正。实践证明，综合勘察技术的应用不仅能提高勘察质量，还可以取得良好的经济效益和社会效益。