綜合地質(zhì)勘探方法在隧道勘察中的應(yīng)用探析

李國橋

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430061）

0 引言

近年來，隧道建設(shè)工程項目越來越多，工程建設(shè)時所面臨的地質(zhì)環(huán)境也較為復雜，對勘察工作有著較高的要求。從目前來看，隧道工程普遍有著體量較大、穿越地層較多、地質(zhì)環(huán)境較惡劣的特征，所以在隧道工程建設(shè)前便需要開展全面性的勘察工作，以求充分明確隧道工程所處的地質(zhì)環(huán)境，方便制定和完善隧道施工方案[1]?；诖?，正確使用地質(zhì)勘探方法顯得至關(guān)重要，必須嚴格遵循因地制宜和規(guī)范性這兩點勘探原則。當前應(yīng)用在隧道勘察中的地質(zhì)勘探方法較多，大體上可以分為三類，即綜合物探技術(shù)、鉆探技術(shù)、地質(zhì)調(diào)繪技術(shù)，均有著顯著的應(yīng)用優(yōu)勢?？梢哉f，在長時間的隧道勘察工作中已經(jīng)形成了整體的思路，即以地質(zhì)勘探方法為抓手，綜合使用地質(zhì)調(diào)查與測繪、原位測試、挖探、鉆探、室內(nèi)實驗這些勘探方法，能夠確保隧道勘察數(shù)據(jù)的準確性。本文結(jié)合當前綜合地質(zhì)勘探方法的應(yīng)用與發(fā)展，進一步探討綜合地質(zhì)勘探方法在隧道勘察中的應(yīng)用，現(xiàn)作如下的論述。

1 綜合地質(zhì)勘探方法的發(fā)展

地質(zhì)勘探工作的重要性是毋庸置疑的，隧道工程、高速工程、山區(qū)公路、環(huán)境治理等項目均需要地質(zhì)勘探技術(shù)的幫助，這對促進地質(zhì)勘探方法發(fā)展有十分大的益處。在長時間的應(yīng)用發(fā)展中，地質(zhì)勘探技術(shù)的應(yīng)用專業(yè)性大大提升，且可使用的技術(shù)越來越多，逐漸形成了綜合地質(zhì)勘探技術(shù)體系，其中的地質(zhì)調(diào)繪技術(shù)、綜合物探技術(shù)、鉆探技術(shù)應(yīng)用尤為廣泛，可以保證和提升勘探作業(yè)的質(zhì)量。在綜合地質(zhì)勘探方法的應(yīng)用過程中，通過結(jié)合勘查區(qū)的地質(zhì)情況選擇可行的地質(zhì)勘探方法，可以準確知曉勘察區(qū)的各項地質(zhì)信息，主要有地層構(gòu)造、自然地理環(huán)境、水文地質(zhì)條件、地形地貌。在勘察內(nèi)容上，需要借助綜合地質(zhì)勘探方法探測軟土、煤層、圍巖、堆巖、地下水這些信息，從而為建設(shè)項目的施工方案制定提供地質(zhì)信息支撐。

綜合物探技術(shù)有著顯著的應(yīng)用優(yōu)勢，雖然是一種間接性的勘察方法，但依然可以精準勘察地質(zhì)體的物理性質(zhì)，并可以對相關(guān)的地質(zhì)問題作解釋和推斷。相比之下，綜合物探技術(shù)使用時會受到較多因素的影響，主要有自然環(huán)境、人文環(huán)境、地質(zhì)地形，所以通常情況下會聯(lián)合使用地質(zhì)調(diào)繪技術(shù)和鉆探技術(shù)，以此確?？辈鞌?shù)據(jù)的準確。但綜合物探技術(shù)也有顯著的優(yōu)勢，比如對場地條件沒有過高的要求，整體操作較為簡單快捷，所使用的設(shè)備也較為輕便。

地質(zhì)測繪技術(shù)在各類項目工程的勘察中均有廣泛的應(yīng)用，比如隧道工程勘察時常用的技術(shù)，優(yōu)勢在于可以系統(tǒng)勘察隧道區(qū)域的地形地貌、地質(zhì)環(huán)境，以此確定出隧道區(qū)的地層巖性條件和水文條件。在地質(zhì)測繪技術(shù)應(yīng)用過程中，需要勘察技術(shù)人員實地觀察和走訪，查明項目工程所處的地貌、地形和地質(zhì)條件，在此基礎(chǔ)上還需要繪制草圖，全面揭示出項目工程沿線的地質(zhì)條件。鉆探技術(shù)的適用性和針對性較強，可以精準勘察項目工程的水文地質(zhì)特點，尤其是適合應(yīng)用在隧道區(qū)域水文地質(zhì)條件的勘察中，并可以對地質(zhì)調(diào)繪和物探技術(shù)的勘察結(jié)果作驗證核實。以隧道工程勘察為例，在使用鉆探技術(shù)時可以直接鉆取巖芯，通過測試可以獲得勘察區(qū)的巖石特性，室內(nèi)所開展的巖石試驗可以確定巖體所具有的物理力學性質(zhì)。但鉆探技術(shù)使用過程中易受到勘察場地和地理因素的影響，有著較大的應(yīng)用缺陷，且勘察周期較長，甚至在一些特殊地層的鉆探作業(yè)中會存在風險，所以應(yīng)謹慎使用。總的來說，在當前綜合地質(zhì)勘探方法的支撐下，地質(zhì)項目工程的勘察形成了具體的思路，即方案策劃→野外踏勘→工程地質(zhì)測繪與調(diào)查→勘探→原位測試→室內(nèi)試驗→繪制工程地質(zhì)平面圖→統(tǒng)計計算→編制報告，如圖1 所示。

圖1 地質(zhì)項目工程的勘察思路

2 隧道勘察中綜合地質(zhì)勘探方法的應(yīng)用

2.1 地質(zhì)調(diào)繪技術(shù)

在隧道工程的地質(zhì)勘察作業(yè)中，最基礎(chǔ)的便是調(diào)查與測繪，這可以借助地質(zhì)調(diào)繪技術(shù)完成。具體來說，在隧道工程的調(diào)查與測繪工作中，勘察技術(shù)人員應(yīng)將重點放在工程地質(zhì)和水文地質(zhì)信息的采集這一方面，從而獲取精準的勘察信息。為明確隧道工程所在區(qū)域的工程地質(zhì)條件，勘察技術(shù)人員需要實地觀察和走訪，有助于更加精準的明確隧道工程沿線的地質(zhì)條件、地形地貌。針對隧道工程的特點，勘察技術(shù)人員一方面要按照要求勘察地形和地貌的特征，精準劃分地貌單元，另一方面要對各個地貌單元的形成過程和構(gòu)造特點作一分析，確定出因果關(guān)系。隧道工程的巖石厚度、性質(zhì)、成因、分布范圍均是地質(zhì)調(diào)繪的重點，地質(zhì)構(gòu)造類型、地質(zhì)構(gòu)造活動特點均需要重點分析，勘察技術(shù)人員要認真對待。除此之外，在隧道工程的勘察作業(yè)中，勘察技術(shù)人員可以使用遙感圖像資料，這樣可以盡快找出斷層所在位置，可獲取到更多的地質(zhì)資料，在此基礎(chǔ)上展開地質(zhì)調(diào)查工作，勢必可以取得更好的成效，確定隧道工程的巖土條件和地質(zhì)條件，對提升遙感圖形地質(zhì)資料的準確性會有十分大的益處。

2.2 物探測試技術(shù)

為明確和掌握隧道洞身周圍土石分界、風化層的厚度，需要使用電測深法和地震折射法，可以順利完成隧道地質(zhì)勘察作業(yè)。若是要使用隧道洞身物探測試技術(shù)，則勘察技術(shù)人員需要前期開展一些工作，比如需要順著中線放線，確定出最佳的勘探點。結(jié)合當前隧道工程的地質(zhì)勘察工作來看，在勘探點的布設(shè)時，通常情況下兩個勘探點之間的距離不能小于20m，且不超過50m。若是在勘察工作中發(fā)現(xiàn)勘探點存在異?；蚩梢桑瑒t必須采取加密監(jiān)測方法，或者可以結(jié)合實際情況開展反復觀測。

在隧道工程的勘察作業(yè)中，物探測試技術(shù)發(fā)揮著顯著作用，比如可以與鉆探方法聯(lián)合使用，開展綜合性的物探作業(yè)。若是勘察技術(shù)人員需要明確鉆探孔內(nèi)部巖石的結(jié)構(gòu)特點，主要是巖石的破碎程度和地下水含水層的位置，以便為隧道內(nèi)部地下水活動提供參考資料，則此時可以聯(lián)合使用鉆探技術(shù)和物探技術(shù)，當前的一些鉆探設(shè)備有著體積小、進尺較快、操作方便的特點，適用于隧道工程的勘察作業(yè)中。若是要使用綜合測井這一方法，則需要勘察技術(shù)人員合理選擇勘察參數(shù)，同時要對隧道鉆探資料作一分析，對不同測井曲線的物性和分層進行比對分析，由此確定出隧道地層的深度和厚度。若是在勘查過程中發(fā)現(xiàn)曲線深度存在異常，則可以借助聲波測井曲線這一方法開展基準測試。

2.3 高密度電法

在隧道勘察工作中，高密度電法的應(yīng)用較為常見，且多應(yīng)用在埋深較大和鉆探技術(shù)無法查證的隧道工程中，可取得較好的勘察效果。就高密度電法的應(yīng)用特點來說，勘察技術(shù)人員主要是借助高密度電法測量系統(tǒng)收集所需要的地質(zhì)資料，而后利用相應(yīng)的軟件推演二維電阻率成像，這可以得出隧道工程較多的信息[2]。在這些勘察信息的幫助下，勘察技術(shù)人員可以確定隧道工程的暗河管道、巖溶洞穴的埋深和位置，可因此確定隧道工程所受到的影響因素。

高密度電法作為一種新型的綜合地質(zhì)勘探方法，工作原理與常規(guī)電法沒有太大的差異，可以測試兩級間的電位差，獲得記錄點的電阻率值。但相比之下，高密度電法的應(yīng)用優(yōu)勢明顯高于傳統(tǒng)的電法測試技術(shù)，一方面數(shù)據(jù)采集速度更快，且采集到的信息更加的豐富全面，另一方面因為有軟件和二維成像的支撐，所以勘探精度可以有所保證。

2.4 鉆探和勘探測試

在隧道工程的勘察作業(yè)中，遙感圖像資料、地質(zhì)測繪資料所發(fā)揮出的作用不容忽視，必須始終作為勘察作業(yè)的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上科學布置勘探點，便于開展鉆探勘察作業(yè)。在使用鉆探和勘探測試技術(shù)時，可以將勘探重點放在隧道地層層序和巖土特性這一方面，在隧道的出口位置和進口位置分別布置鉆孔，鉆孔位置可以分別選在淺埋段和物探異常段[3]。除此之外，為了明確隧道工程斷層的具體位置，勘察技術(shù)人員可以在斷層和接觸帶的連接位置布設(shè)鉆孔，通常鉆孔可以設(shè)計3個，還需要在丘陵斜坡土石分界位置布設(shè)勘探孔，所需要的勘探孔較為簡易。

2.5 EH4 大地電磁測深系統(tǒng)

EH4 大地電磁測深系統(tǒng)是一種較新型的大地電磁測量系統(tǒng)，有效的勘探深度可以達到幾十米至三千米，主要使用被動源電磁法。在使用EH4 大地電磁測深系統(tǒng)進行隧道工程的勘察作業(yè)時，勘察技術(shù)人員既可以使用天然場源的大地電磁信號，也可以使用人工場源的電磁信號。在實際使用時，考慮到人工場源的電磁信號較淺，所以應(yīng)該用在淺部構(gòu)造的探測作業(yè)中，而天然場源的大地電磁信號較強，所以可以用來揭示深部構(gòu)造。通過聯(lián)合使用兩種信號源，可以確定隧道工程基底的埋深和起伏，并形成二維電阻剖面成像，準確度高[4]。

2.6 地震勘探和鉆孔超聲波測井

隧道內(nèi)部的地層巖石特性是較為復雜的，隱節(jié)理發(fā)育的速度較快，同時地表會有較明顯的風化，這導致鉆探技術(shù)使用時會出現(xiàn)取芯率較低的情況，對整個隧道工程的勘探作業(yè)有很大的影響。針對于此，勘察技術(shù)人員可以使用地震勘探和鉆孔超聲波測井技術(shù)，既可以減少人為因素的影響，也可以精準判斷出巖石的風化程度，值得推廣應(yīng)用。以地震勘探為例，勘察技術(shù)人員可以使用反射法、地震測井、折射法，比如在使用地震測井這一方法時，應(yīng)確保震源位于井口的附近，檢波器放置在鉆孔內(nèi)部，以此測量井深和時間差，計算出地層的平均速度，同時可以測定出震源信號到達每一個深度區(qū)間所花費的時間與速度[5]。目前來看，地震測井在隧道工程中的應(yīng)用逐漸廣泛，可以精準確定隧道工程的地質(zhì)構(gòu)造情況，后續(xù)應(yīng)進一步加大研究力度，掌握更多使用要點。

2.7 室內(nèi)試驗

室內(nèi)試驗是隧道工程勘察作業(yè)中的重要環(huán)節(jié)，是隧道工程評價土石特性的重要手段，同時也是有效解決一些工程地質(zhì)問題的主要途徑。具體來說，通過常用的物探技術(shù)、鉆探技術(shù)可以清楚土石的空間分布、形成條件等信息，只可以進行定性評價，但無法完成定量評價，此時便需要使用到室內(nèi)試驗這一方法。在室內(nèi)試驗工作中，要充分明確地質(zhì)條件評價的要點，確保室內(nèi)試驗所選擇的指標、因子均符合隧道工程的特性。除此之外，在室內(nèi)試驗時應(yīng)該對重要物理場進行重點觀測，判斷隧道工程的地質(zhì)情況。

3 對綜合地質(zhì)勘探方法在隧道勘察中應(yīng)用的再思考

隧道勘察中所使用的地質(zhì)勘探方法有著顯著優(yōu)勢，可以推廣應(yīng)用在隧道勘察的各個場景中，當前所使用的勘探技術(shù)主要包括挖探、簡易鉆探、鉆探和地球物理勘探，各有優(yōu)勢和不足。比如挖探技術(shù)的最大優(yōu)勢是可以獲取到隧道工程的原狀土樣，勘察資料有著直觀性的特性，但勘探深度是有限的。再比如鉆探技術(shù)的使用場景較為特殊，多應(yīng)用在挖探技術(shù)和鉆探技術(shù)無法適用的場景中，不僅可以應(yīng)用在隧道勘察作業(yè)中，也可以應(yīng)用在橋梁和大型滑坡工程的勘察作業(yè)中[6]。地區(qū)物理勘探技術(shù)因為有專門的儀器，可以觀測物理場的變化情況，可以幫助勘察技術(shù)人員掌握地下地質(zhì)情況。

由此可以看出，在當前的隧道勘察作業(yè)中，雖然可以使用的地質(zhì)勘探方法較多，但均不同程度的存在著缺陷和不足，為了能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的勘察作業(yè)效果，應(yīng)將這些地質(zhì)勘查方法結(jié)合起來使用。另外，后續(xù)要進一步加大研究力度，一方面要突破當前地質(zhì)勘探方法應(yīng)用時所面臨的困境，提升實際勘察作業(yè)的實用性和適用性，另一方面要依托現(xiàn)有的科學技術(shù)加大創(chuàng)新力度，使用新型、有發(fā)展?jié)摿Φ牡刭|(zhì)勘探方法，更好的促進隧道工程勘察作業(yè)的開展。除此之外，應(yīng)重點關(guān)注隧道勘察的評價工作，這主要是因為隧道的址區(qū)巖性較為復雜，穩(wěn)定性和安全性均易受到影響。在實際開展隧道勘察的評價工作時，要分為隧道進洞口段、出洞口段、洞身段這三部分進行評價，評價內(nèi)容必須包括圍巖分級、邊坡穩(wěn)定性、隧道洞口段工程地質(zhì)，尤其是要評價好隧道洞口段工程地質(zhì)。

4 結(jié)語

綜上所述，隧道工程的勘察作業(yè)有著較強的復雜性，對整個勘察作業(yè)有著較高的要求，必須使用好地質(zhì)勘探技術(shù)，確?？辈旖Y(jié)果的準確與有效。隧道勘察作業(yè)中所使用的綜合物探技術(shù)、鉆探技術(shù)、地質(zhì)調(diào)繪技術(shù)各有優(yōu)勢，應(yīng)結(jié)合隧道工程的特點合理使用，發(fā)揮好各種地質(zhì)勘探技術(shù)的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)預期的勘察目標。