白馬特長隧道綜合勘察及成效探討

謝勇謀

摘要：白馬特長隧道采用遙感、地質(zhì)調(diào)查測繪、物探、鉆探、各項(xiàng)試驗(yàn)及測試等綜合勘察手段，并對(duì)有害氣體進(jìn)行專項(xiàng)研究，查明了隧道的主要工程地質(zhì)條件，為設(shè)計(jì)及施工提供了重要指導(dǎo)。文章對(duì)各主要勘察方法的使用效果進(jìn)行了評(píng)述，尤其對(duì)原巖為沉積建造的巖層如何合理布設(shè)隧道洞身段深孔進(jìn)行了探討，為其它類似復(fù)雜地質(zhì)條件下深埋特長隧道勘察方案的優(yōu)化及勘察手段的選擇提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：白馬隧道;綜合勘察;地質(zhì)調(diào)查測繪;物探;鉆探

中圖分類號(hào)：U452 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.034

文章編號(hào)：1673-4874（2019）09-0117-04

0引言

復(fù)雜地質(zhì)區(qū)深埋特長隧道的勘察，既十分重要又往往難度極大，單一的勘察手段難以達(dá)到查明場地工程地質(zhì)條件的目的，需要根據(jù)隧道工程可能面臨的各主要工程地質(zhì)問題，采用包括遙感、地質(zhì)調(diào)查測繪、物探、鉆探、各項(xiàng)試驗(yàn)及測試等多種手段的綜合勘察方法。而復(fù)雜地質(zhì)條件下長大隧道的勘察工作，由于勘察方案不合理或勘察工作不到位，往往會(huì)給設(shè)計(jì)及施工帶來嚴(yán)重后患，如地層巖性判識(shí)不準(zhǔn)確，關(guān)鍵地層的界線位置在剖面上有誤，可能造成大范圍大比例的圍巖級(jí)別變更，使工程造價(jià)失控，并可能影響到整個(gè)隧道建設(shè)的正常推進(jìn);一些斷層破碎帶或軟弱破碎帶的位置及性質(zhì)沒有勘探準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)及施工沒有采取相應(yīng)防護(hù)措施，容易出現(xiàn)大的塌方事故，塌方的處理不僅耗費(fèi)人力物力，而且占用寶貴的工期，短則一二十天，長則可達(dá)數(shù)個(gè)月，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，對(duì)施工方的經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)造成直接影響;富水地層及富水構(gòu)造沒有查清楚，施工中沒有相應(yīng)預(yù)案，可能會(huì)遭遇較大的涌突水危害;有些非煤系地層但仍具生烴條件，忽視了弱生烴地層在某些條件下瓦斯可能聚集的不利影響，可能在施工中發(fā)生嚴(yán)重的瓦斯爆炸事故;巖溶地區(qū)巖溶洞穴、巖溶管道、巖溶地下水沒有查清，不僅容易發(fā)生涌突水，也容易發(fā)生涌突泥、洞頂或洞底坍塌等事故。另外，如勘察階段沒有將深埋隧道高地應(yīng)力條件下的硬質(zhì)巖巖爆、軟質(zhì)巖大變形問題科學(xué)合理地進(jìn)行預(yù)測評(píng)價(jià)及相應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)，則可能在施工中發(fā)生巖爆及大變形危害，嚴(yán)重制約施工進(jìn)度。上述事故在復(fù)雜地質(zhì)區(qū)長大隧道的施工中時(shí)有發(fā)生，對(duì)隧道工程的正常建設(shè)危害極大，充分說明了隧道的地質(zhì)勘察工作對(duì)于隧道設(shè)計(jì)及施工的重要指導(dǎo)作用，尤其是在復(fù)雜地質(zhì)區(qū)，前期地質(zhì)勘察工作的成敗在某種意義上直接決定了隧道工程建設(shè)的成敗。

在筆者負(fù)責(zé)的白馬隧道工程地質(zhì)勘察中，即采用多種技術(shù)手段的綜合勘察方法，查明了隧道的各主要工程地質(zhì)問題，為工程設(shè)計(jì)及施工提供了科學(xué)依據(jù)。該隧道勘察工作起于2012年，止于2016年，并于2016年開始動(dòng)工修建，目前主洞已累計(jì)施工近4km。

1工程概況

白馬隧道為四川省九寨溝至綿陽高速公路上的重要控制性工程，為穿越四川省平武縣與九寨溝縣交界處的黃土梁山體而設(shè)，為分離式越嶺隧道，左線長13013m，右線長13000m，最大埋深1092m。

隧址區(qū)為構(gòu)造剝蝕高中山地貌，軸線附近地表最高海拔約3400m.隧址區(qū)在大地構(gòu)造上位于秦嶺造山帶、松潘甘孜造山帶和揚(yáng)子陸塊銜接部位，有多條區(qū)域斷裂及分支斷裂通過，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜。

場區(qū)地層主要為上古生界泥盆系中統(tǒng)三河口組板巖、砂巖及炭質(zhì)板巖，局部出露印支期中酸花崗斑巖。

該隧道的地質(zhì)勘察工作采用了遙感、地面地質(zhì)調(diào)繪、綜合物探、鉆探、測試與試驗(yàn)等多種勘察手段，并對(duì)有害氣體進(jìn)行專項(xiàng)研究。通過綜合分析及評(píng)價(jià)，查明了場地的主要工程地質(zhì)條件，對(duì)隧道圍巖級(jí)別進(jìn)行了劃分，合理評(píng)價(jià)了深埋隧道的巖爆、大變形、涌突水、地溫、放射性及有害氣體等重要問題，為科學(xué)設(shè)計(jì)及順利施工提供了重要指導(dǎo)。

2綜合勘察方法

2.1 遙感及地質(zhì)調(diào)查測繪

在勘察工作前期，首先通過小比例衛(wèi)星圖并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)圖，對(duì)場地區(qū)域性大斷裂的大致位置及延伸走向進(jìn)行了判識(shí)，對(duì)各主要地層及其界線根據(jù)其在地貌上的不同表現(xiàn)進(jìn)行了粗略劃分，對(duì)場地地形地貌、通行條件、河流溝谷及植被發(fā)育情況等進(jìn)行了直觀判識(shí)。

在遙感影像分析的基礎(chǔ)上，開展了不同階段、不同比例尺的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查測繪、巖體結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析及不同地層典型地質(zhì)剖面實(shí)測等工作。

隧道共完成1：10000調(diào)繪面積54.65km，完成1：2000調(diào)繪面積17.22km。大量地質(zhì)調(diào)繪基礎(chǔ)資料的獲取，為隧址區(qū)構(gòu)造格架的確定、地層巖性的劃分以及后續(xù)物探、鉆探工作的布設(shè)與開展等奠定了重要基礎(chǔ)。

2.2 綜合物探

初勘階段采用天然場音頻大地電磁法對(duì)隧道進(jìn)行了貫通性物探測試，布設(shè)物探剖面長度為17.02km，物探電阻率斷面見圖1。詳勘階段則采用EH4大地電磁法在隧道軸線附近針對(duì)F9斷層布設(shè)了3條物探橫剖面，布設(shè)剖面長度為1.35km。對(duì)隧道地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、巖體完整程度及相對(duì)的軟硬程度、斷層破碎帶的位置、規(guī)模等進(jìn)行了探測與解譯，另外還完成了多個(gè)鉆孔的孔內(nèi)物探測試工作。通過地表調(diào)繪、物探測試，并結(jié)合驗(yàn)證性鉆探，了解了場地的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

2.3鉆探及測試

在進(jìn)出口地段布設(shè)淺孔（<100m）共11個(gè)，進(jìn)尺共423.5m。在洞身地段布設(shè)深孔（>100m）共8個(gè)，進(jìn)尺共2121.09m。隧道地質(zhì)結(jié)構(gòu)及深孔布設(shè)示意見圖2。利用鉆孔進(jìn)行巖體波速測試1孔共63.5m，綜合測井678.2m/2孔，地應(yīng)力測試2孔，水文試驗(yàn)2孔，巖石單軸抗壓62件，巖石變形試驗(yàn)9組，巖石抗剪試驗(yàn)10組，巖塊聲波13件，炭質(zhì)板巖自由膨脹率1件，水質(zhì)分析2組。

2.4有害氣體專項(xiàng)

隧道圍巖含炭質(zhì)板巖，據(jù)區(qū)域資料，隧道所穿越的地層局部可能含雞窩狀劣質(zhì)煤，隧道地層具備瓦斯生成和賦存條件，且由于隧址區(qū)斷裂發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜，深部或鄰近巖層中的有害氣體亦可向隧道運(yùn)移。鑒于瓦斯可能對(duì)本隧道造成的不利影響，本項(xiàng)目開展了有害氣體專項(xiàng)評(píng)價(jià)工作.現(xiàn)場共檢測隧道鉆孔4個(gè)，均有一定瓦斯含量。室內(nèi)4組氣樣分析均有瓦斯存在，瓦斯最大濃度為2.12%?；谒淼楞@孔瓦斯檢測濃度的隧道開挖掌子面瓦斯逸出速度估算值為0.78m/min。根據(jù)《公路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)程》（DB51/T2243-2016）規(guī)定，綜合判定白馬隧道為低瓦斯隧道。據(jù)施工中的瓦斯監(jiān)測，實(shí)測瓦斯?jié)舛纫恢本S持在一個(gè)較低的水平，一般均<0.15%，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求的0.3%的報(bào)警值。

3勘察成效探討

通過遙感、地質(zhì)調(diào)繪及物探，對(duì)隧址區(qū)區(qū)域性大斷裂的位置及延伸走向能做到較好地判識(shí)，物探剖面能對(duì)斷層傾向傾角等直觀反映，物探剖面電阻率等值線圖結(jié)合鉆探驗(yàn)證孔可大致圈定不同地段巖體的完整性及堅(jiān)硬狀態(tài)，結(jié)合地表調(diào)繪成果及鉆探取樣測試，可作為圍巖分級(jí)的參考依據(jù)。經(jīng)過BQ值計(jì)算，并考慮結(jié)構(gòu)面、地下水及地應(yīng)力的影響，本隧道在板巖為主的地段圍巖以V級(jí)為主，砂巖為主的地段圍巖以Ⅳ級(jí)為主，深埋高地應(yīng)力地段花崗斑巖劃為Ⅲ-Ⅳ級(jí)，斷層破碎帶劃為V級(jí)。通過整個(gè)隧道圍巖級(jí)別比例統(tǒng)計(jì)，左右線的V級(jí)圍巖占整個(gè)隧道的比例均超過了70%，這在四川地區(qū)長大越嶺公路隧道中是少見的。目前該隧道主洞已累計(jì)施工約4km，圍巖級(jí)別總體與勘察設(shè)計(jì)相符合，局部比勘察預(yù)判的圍巖條件差。值得一提的是，根據(jù)貫通性物探剖面，隧道中部有一異常高阻帶，結(jié)合區(qū)域資料及地質(zhì)調(diào)繪，推測該深埋段為花崗斑巖。由于隧道中部埋深已>1000m，且地形陡峭險(xiǎn)峻，大型鉆探設(shè)備無法到位，因此并未布設(shè)鉆孔對(duì)該段推測的花崗斑巖進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

由于場地巖層大多陡傾，巖層傾角一般為55°-75°，深孔鉆探控制的巖層范圍有限，鉆孔巖芯RQD及波速測試所反映的巖體完整性均比實(shí)際開挖揭示的巖性略好。對(duì)于這種陡傾巖層，深孔鉆探對(duì)地層的控制作用大打折扣，對(duì)于巖體完整性的判識(shí)上也容易出現(xiàn)失真現(xiàn)象。對(duì)于類似陡傾巖層，在適當(dāng)?shù)奈恢貌荚O(shè)斜孔，或直接開挖相對(duì)較深的探槽，對(duì)地層巖性及斷層破碎帶的揭露可能要好得多?？梢栽谔讲壑兄苯舆M(jìn)行結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)，直接取巖樣進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)。

另外，對(duì)于這種原巖為沉積建造的巖層，鉆孔不一定非得布在隧道軸線附近，由于沉積巖順巖層走向巖體性狀的連續(xù)性總體較好，軸線兩側(cè)數(shù)百米范圍內(nèi)深部微-未風(fēng)化帶同一地層的巖性性狀一般基本相當(dāng)，只是由于埋深差別大，地應(yīng)力量級(jí)差別較大，另外水文地質(zhì)特征會(huì)有所差別。因此對(duì)于沉積巖地層，在隧道中部地段，可以考慮將鉆孔布設(shè)于距隧道軸線數(shù)十至數(shù)百米的溝谷處埋深相對(duì)較小的地段，并可采用作圖法將揭露的構(gòu)造或巖層投影于隧道軸線剖面上;鉆孔中采取的巖樣及測得的巖體完整性均可按照其所在構(gòu)造上的部位投影在隧道對(duì)應(yīng)段落上使用;至于地應(yīng)力，則可根據(jù)地應(yīng)力隨深度的變化曲線進(jìn)行線性回歸分析，從而推算出對(duì)應(yīng)隧道軸線大埋深地段的地應(yīng)力量級(jí)，這樣不僅可大大減小鉆孔深度，也節(jié)約了勘察周期，經(jīng)過綜合分析使用，完全能達(dá)到同樣的勘察效果.上述深孔布設(shè)思路在筆者負(fù)責(zé)勘察的四川省道303線巴朗山隧道中得到了成功應(yīng)用，大大節(jié)約了勘察成本及勘察周期。

4 結(jié)語

（1）由白馬隧道的綜合勘察實(shí)踐可知，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下的深埋長大隧道勘察，遙感、地質(zhì)調(diào)繪工作應(yīng)先行，物探工作是主體，并為后續(xù)鉆探工作的布設(shè)作指導(dǎo)，而鉆探工作則主要起到在關(guān)鍵地段對(duì)前期工作進(jìn)行驗(yàn)證并用以開展各項(xiàng)測試的作用。

（2）類似于白馬隧道這種陡傾巖層，深孔鉆探對(duì)于地層的控制作用有限，可考慮在適當(dāng)?shù)奈恢貌荚O(shè)斜孔，或直接開挖相對(duì)較深的探槽，這樣對(duì)地層巖性及斷層破碎帶的揭露會(huì)更加直接有效.

（3）類似于白馬隧道這種原巖主要為沉積建造的巖層，對(duì)于隧道中部深埋段沉積巖層的勘探，可考慮將鉆孔布設(shè)于距隧道軸線數(shù)十至數(shù)百米的溝谷處埋深相對(duì)較小的地段，通過作圖法和綜合分析進(jìn)行成果利用，可大大節(jié)約勘察成本并縮短勘察周期。

（4）本隧道主洞已施工近4km，據(jù)開挖揭示情況，總體而言，隧道主要工程地質(zhì)問題與勘察成果較一致，但局部地段比勘察預(yù)判的地質(zhì)情況還要差.結(jié)合其它復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道勘察與施工實(shí)踐，對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜的深埋長大隧道，勘察階段要想完全搞清楚場地工程地質(zhì)條件，受勘察手段及勘探工作量的限制，基本上是不可能做到的。因此，在施工階段應(yīng)大力加強(qiáng)施工地質(zhì)工作，加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)及現(xiàn)場圍巖實(shí)時(shí)判識(shí)，使施工地質(zhì)工作成為隧道勘察設(shè)計(jì)重要而必須的補(bǔ)充。