綜合勘察技術(shù)在云南某半成巖隧道勘察中的應(yīng)用研究

黃 彪 楊欽富

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽550001）

1 概述

云南某半成巖隧道是臨清高速公路的關(guān)鍵性控制工程，全長8010m，最大埋深1022m，縱坡-1.75%。該隧道在臨翔端有著連續(xù)長達(dá)2.3 公里的第三系半成巖富水特殊不良地質(zhì)，巖性為砂巖夾黏土巖互層，具有巖質(zhì)極軟、飽水狀態(tài)、圍巖自穩(wěn)極差、施工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)。采用傳統(tǒng)單一的勘察方法很難滿足隧道工程設(shè)計(jì)和施工的要求。

本次研究根據(jù)隧道具體工程地質(zhì)條件，半成巖特殊的巖性特點(diǎn)，多種勘察技術(shù)綜合運(yùn)用，綜合分析地質(zhì)資料，使取得的地質(zhì)資料相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證，為隧道的設(shè)計(jì)與施工提供了可靠的地質(zhì)資料。

2 半成巖公路隧道勘察的特點(diǎn)與難點(diǎn)

2.1 半成巖隧道具有復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，孔隙水賦存于半成巖砂巖的孔隙中，受大氣降水補(bǔ)給，通過溝谷及第四系孔隙潛水垂向滲入補(bǔ)給深層基巖，或沿著基巖層面徑流。半成巖砂巖的富水性及含水率在空間上存在差異性，其分布具有不均一性。尤其表現(xiàn)為溝谷地段的半成巖砂巖含水率偏高，地下水相對(duì)富集。

2.2 半成巖砂巖具有特殊的工程地質(zhì)性質(zhì)，具膠結(jié)差，巖質(zhì)極軟、孔隙比大、飽和度高、失水干裂、水穩(wěn)性差，受擾動(dòng)易發(fā)生潰砂、流土、突泥涌砂破壞等特點(diǎn)。半成巖隧道受地下水影響，掌子面受擾動(dòng)后，半成巖工程性質(zhì)迅速惡化，掌子面自穩(wěn)能力極差，易發(fā)生滑動(dòng)、涌砂、坍塌。

圖1 半成巖露頭

3 綜合勘察手段在該半成巖隧道勘察中的運(yùn)用

3.1 地質(zhì)調(diào)查與測繪

地質(zhì)調(diào)查與測繪是勘察工作中最有效、最基本的工作方法，其獲取的地質(zhì)資料是后續(xù)工作開展的基礎(chǔ)，本次地質(zhì)調(diào)查基于對(duì)區(qū)域資料的充分研究，隧道半成巖段調(diào)繪面積5km2，重要地質(zhì)點(diǎn)105 個(gè)，查明斷裂兩條，煤窯采空區(qū)1 處。

3.2 地球物理勘探

本次半成巖隧道勘察運(yùn)用了多種地球物理勘探方法?；贓H4 大地電磁法、高密度電法，地震微動(dòng)方法對(duì)半成巖隧道軸線進(jìn)行了探測。根據(jù)解譯結(jié)果，對(duì)半成巖隧道的含水性進(jìn)行了初步判斷。根據(jù)物探指導(dǎo)鉆探的原則，對(duì)半成巖隧道段落布設(shè)了五個(gè)鉆孔。并選取鉆孔進(jìn)行了鉆孔聲波試驗(yàn)，獲得了隧道圍巖評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對(duì)成孔條件較好的鉆孔進(jìn)行了鉆孔電視探測，獲得了直觀的鉆孔圖像。

3.3 地質(zhì)鉆探及取樣試驗(yàn)

根據(jù)物探解譯成果，在隧道重點(diǎn)部位布置了鉆孔，最深鉆孔259m，累計(jì)進(jìn)尺947.3m。本次鉆探采用雙管取芯，獲得了完整的半成巖巖芯，本次鉆探的主要目的為：（1）通過巖芯編錄以及孔內(nèi)鉆孔電視試驗(yàn)，獲得隧道圍巖的巖性直觀認(rèn)識(shí)。（2）通過取樣試驗(yàn)，獲得隧道圍巖的巖體物理參數(shù)。（3）驗(yàn)證物探異常部位的性質(zhì)及展布特點(diǎn)，并在孔內(nèi)進(jìn)行鉆孔聲波、抽水試驗(yàn)等綜合勘察方法。獲得隧道圍巖劃分的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及隧道含水性劃分的水文地質(zhì)參數(shù)。

3.4 水文地質(zhì)試驗(yàn)

為了確定隧道洞身段的水文地質(zhì)參數(shù)，本次勘察選取了4個(gè)鉆孔進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》（第五版）P1000，計(jì)算滲透系數(shù)K 值。

對(duì)單孔潛水完整孔抽水，采用近似巴布什金- 吉林斯基公式進(jìn)行滲透系數(shù)計(jì)算，抽水試驗(yàn)計(jì)算公式如下：

K- 滲透系數(shù)（m/d）；

Q- 抽水孔涌水量（m3/d）；

L- 過濾器長度（m）；

S- 抽水孔水位下降值（m）；

r- 抽水孔半徑（m）。

現(xiàn)場抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4 基于綜合勘察手段的半成巖隧道勘察成果

半成巖隧道含水區(qū)劃分與隧道涌水量計(jì)算：

（1）EH4 方法。

根據(jù)用Surfer 軟件繪制的ρs 等值線圖結(jié)果（見圖2、圖3），并結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料，兩條物探測線在ZK23+680 至ZK23+780 段和YK23+685 至YK23+780 經(jīng)歷了視電阻率呈現(xiàn)低阻特征的第三系半成巖（N1）到視電阻率呈現(xiàn)高阻特征的三疊紀(jì)侵入巖相（γ51(b)）二長花崗巖的巖性變化，視電阻率在斷面圖上表現(xiàn)出明顯的從低到高的漸進(jìn)梯變。第三系半成巖屬陸相湖盆及山間凹地沉積而成，結(jié)構(gòu)松散～較密，屬新生代沉積，下伏三疊紀(jì)侵入巖相二長花崗巖，斷面視電阻率規(guī)律表現(xiàn)為地表淺部視電阻率平緩遞變，地表深部呈現(xiàn)視電阻率中高值。根據(jù)半成巖砂巖的巖土特征，由于膠結(jié)程度、黏粒含量及補(bǔ)給途徑的不同，使地下水分布具有不均勻性，表現(xiàn)為局部溝谷地段砂巖含水率偏高或地下水相對(duì)富集，水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜。場區(qū)地下水主要由降雨入滲，斷面視電阻率規(guī)律表現(xiàn)為地表淺部的平緩梯變。特殊低阻異常區(qū)的具體解釋如下：

DC1-DC1'：測線沿隧道左幅軸線布置，剖面長度反應(yīng)的是路線總長度，測線總長度1945 米。測線地形條件一般。

共發(fā)現(xiàn)有2 個(gè)明顯異常區(qū)的位置經(jīng)過隧道或離隧道較近，第一個(gè)異常位于ZK22+142～ZK22+565 段，表現(xiàn)為豎向低阻，推測巖體極破碎，裂隙發(fā)育，含水性中等；第二個(gè)異常ZK22+565～ZK22+875 段，表現(xiàn)為貫穿地表到深部的豎向囊狀低阻，與隧道右幅物探測線DC2-DC2'同位置物探等值線圖相同位置樁號(hào)相比較，區(qū)別較大，推測該處低阻異常為大地電磁法在試驗(yàn)中受上方電線干擾影響，故在ZK22+200～ZK22+860 段、ZK22+765 左100m～ZK22+765 右100m 段布設(shè)受電線干擾小的微動(dòng)探測進(jìn)行補(bǔ)充探測。

DC2-DC2'：測線沿隧道右幅軸線布置，剖面長度反應(yīng)的是路線總長度，測線總長度1890 米。測線地形條件一般。

共發(fā)現(xiàn)有1 個(gè)明顯異常區(qū)的位置經(jīng)過隧道或離隧道較近，位于YK22+490～YK22+880 段，表現(xiàn)為云團(tuán)狀低阻異常，推測巖體極破碎，裂隙發(fā)育，含水性強(qiáng)，推測該處低阻異常一定程度上受上方電線干擾影響。

（2）微動(dòng)探測。

根據(jù)場地條件， 對(duì)EH4 測線中受電線影響的ZK22+200～ZK22+860 段進(jìn)行微動(dòng)探測，共布設(shè)兩條微動(dòng)斷面，解譯結(jié)果如下：

WD1-WD1'：測線布設(shè)于隧道左幅ZK22+200～ZK22+860段，測線總長660 米，由V/S 速度剖面圖，速度呈層性較好，淺部V/S 波速在200～500m/s 之間，厚度10～40m，推測為覆蓋層和全風(fēng)化層；中部基巖波速為500～750m/s，厚度20～120m，推斷為半成巖，極破碎，巖質(zhì)極軟，含水性好；底部波速＞750m/s，推斷為花崗巖，極破碎，巖質(zhì)極軟。

WD2-WD2'：測線布設(shè)于隧道垂直于左幅軸線ZK22+765 左100m～ZK22+765 右100m 段，由V/S 速度剖面圖，速度呈層性較好，淺部V/S 波速在250-500m/s，厚度10-34m，推測為覆蓋層和全風(fēng)化層；中部基巖波速為500-750m/s，厚度30-122m，推斷為半成巖，較破碎，巖質(zhì)極軟；底部波速＞750m/s，推斷為花崗巖，極破碎，巖質(zhì)極軟。

（3）高密度電法。

根據(jù)場地條件，在隧道左右幅基線設(shè)置14 條高密度電法測線，對(duì)地層淺部的含水性進(jìn)行探測。高密度電法解譯結(jié)果與音頻大地電磁法的解譯結(jié)果互相應(yīng)證，相互補(bǔ)充，效果較好。

（4）基于物探方法的隧道含水區(qū)劃分。

強(qiáng)含水區(qū)：隧道左幅主要分布于ZK22+410～ZK22+880 段；右幅主要分布于YK22+490～YK22+880 段?？傮w呈豎向或囊狀分布（見圖2、圖3），隧道開挖多呈淋雨?duì)罨蛴苛鳡畛鏊?，局部段落可能產(chǎn)生大面積突發(fā)性涌水、突泥危害。

中等含水區(qū)：隧道左幅分布于ZK22+142～ZK22+410、ZK22+880～ZK23+730 段；右幅分布于YK22+105～YK22+490、K22+870～K23+680；含水形態(tài)總體片狀，局部呈豎向或囊狀分布（見圖2、圖3），隧道開挖呈點(diǎn)滴狀、淋雨?duì)罨蛴苛鳡畛鏊?，局部段落可能產(chǎn)生大面積突發(fā)性涌水、突泥危害。

弱含水區(qū)：隧道左幅主要分布于ZK23+700～ZK23+780 以及花崗巖部分地段；隧道右幅主要分布于ZK23+680 之后的花崗巖地段；隧道開挖呈潮濕狀、點(diǎn)滴狀或淋雨?duì)畛鏊?，局部段落可能產(chǎn)生突發(fā)性涌水、突泥危害。

（5）基于綜合勘察技術(shù)的隧道涌水量計(jì)算。

根據(jù)抽水實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及含水區(qū)劃分結(jié)果，對(duì)該隧道采用地下水動(dòng)力學(xué)法（古德曼經(jīng)驗(yàn)公式）進(jìn)行涌水量預(yù)測：

式中：Q0- 隧道通過含水體地段的最大涌水量（m3/d）；

K- 含水體滲透系數(shù)（m/d）；

H- 靜止水位至洞身橫斷面等價(jià)圓中心的距離（m）；

d- 洞身橫斷面等價(jià)圓直徑（m）；

L- 隧道通過含水體的長度（m）

計(jì)算結(jié)果見表2。

（6）基于綜合勘察技術(shù)的隧道圍巖劃分。

根據(jù)鉆孔測試，結(jié)合工程類比法，參考《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20-2011）中第3.2 節(jié)巖石的分類進(jìn)行定性判斷，確定洞身段巖體完整系數(shù)Kv 值。（表3）

根據(jù)圍巖分析結(jié)果，結(jié)合半成巖極差的巖土性質(zhì)，本次勘察將半成巖段隧道圍巖等級(jí)皆劃分為V 級(jí)。

5 結(jié)論

5.1 巖體結(jié)構(gòu)松散，具孔隙率高、密度低、水穩(wěn)性差、含水性極強(qiáng)等特點(diǎn)。地表水下滲，絕大部分在砂巖層內(nèi)長年富集，致使砂巖層內(nèi)地下水含量處飽和狀態(tài)，砂巖層及粘土層長期受地下水浸泡極度軟化，圍巖自穩(wěn)能力極差，很容易發(fā)生塑性變形，且成洞條件差。隧道開挖支護(hù)不及時(shí)或支護(hù)強(qiáng)度不足時(shí)，圍巖極易發(fā)生突發(fā)性大面積坍塌、管涌、流土、流砂、涌水、突泥、冒頂?shù)任：?，危及建設(shè)安全，設(shè)計(jì)及施工應(yīng)高度重視。

表2 地下水動(dòng)力學(xué)方法預(yù)測隧道涌水量一覽表

圖2 隧道左幅半成巖地段含水性分布圖

圖3 隧道右幅半成巖地段含水性分布圖

表3 巖體完整性系數(shù)分析結(jié)果表

5.2 勘察過程中應(yīng)重視基礎(chǔ)地質(zhì)資料的獲取，地質(zhì)調(diào)繪先行，在地質(zhì)調(diào)查以及物探解譯結(jié)果的基礎(chǔ)上，針對(duì)重大異常部位，有的放矢地布置鉆孔，并做好鉆孔綜合測試。

5.3 半成巖隧道工程地質(zhì)條件差，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。本次勘察中運(yùn)用了地質(zhì)調(diào)繪、綜合物探、鉆探、取樣試驗(yàn)、水文地質(zhì)試驗(yàn)等綜合勘察技術(shù)手段，獲取了大量地質(zhì)資料，其結(jié)果在后期施工過程中得到了較好的印證，綜合勘察技術(shù)在該半成巖隧道的勘察中獲得了較好的應(yīng)用。