城市深埋隧洞勘察新技術(shù)與應(yīng)用

王銳 李愛國 馮建偉 曾劍華 何愛文 高健

摘要：城市深埋隧洞建設(shè)過程中要下穿城市建成區(qū)，既有建筑物、地鐵、鐵路、高速以及地表水體等，勘察難度大、地質(zhì)風險高。以羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程為例，圍繞城區(qū)勘察作業(yè)環(huán)境下穿建筑物多、聲磁電干擾強、勘探作業(yè)風險高、環(huán)境保護要求嚴等難點，開展了大頂角超深斜孔鉆探技術(shù)、抗干擾地面物探技術(shù)、地下管線排查技術(shù)等勘察技術(shù)的探索。針對嚴重影響TBM掘進和隧洞運行安全的不良地質(zhì)體，在隱伏斷裂精準定位、高保真取芯、孔內(nèi)巖體變形試驗、水文參數(shù)精細化測試等方面進行了技術(shù)或工藝上探索，并將BIM等信息化技術(shù)應(yīng)用于該項目不良地質(zhì)體勘察中，提高了各類不良地質(zhì)體分布、工程特性的勘探精度。

關(guān)鍵詞：城市深埋隧洞； 勘察技術(shù)； TBM； 地質(zhì)風險； 羅田水庫—鐵崗水庫

中圖法分類號： TV221.2

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.013

0引 言

隨著中國水網(wǎng)、交通網(wǎng)等工程的大規(guī)模建設(shè)，長距離深埋隧洞工程越來越多。隧洞圍巖巖性、巖石強度、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面特征和透水性等圍巖主要特性和地下水、地溫、地應(yīng)力、有毒有害氣體以及放射性物質(zhì)等圍巖賦存環(huán)境，決定了隧洞的圍巖類別、掘進工藝和工程投資等，甚至影響工程建設(shè)的成?。?-4］。

目前，國內(nèi)外深埋長隧洞的勘察技術(shù)還不成熟，存在的問題主要表現(xiàn)在：① 深埋長隧洞下穿城市建成區(qū)，地下管線、地表水體、地鐵、高速公路、鐵路等制約因素多，傳統(tǒng)勘察手段適宜性差［5］；② 隧洞穿越地層巖性多，城市建成區(qū)隱伏構(gòu)造發(fā)育，地質(zhì)條件復雜，傳統(tǒng)勘察技術(shù)手段難以全面獲取隧洞圍巖特性與賦存環(huán)境；③ 斷裂破碎帶［6-8］、風化深槽［6］、圍巖穩(wěn)定［6］、突水涌泥［6，9］、超硬巖［6］、蝕變巖體［6，10］等地質(zhì)風險高，傳統(tǒng)勘察技術(shù)針對性不強、精細化不夠；④ TBM施工對勘察成果的精度更敏感，對勘察準確性要求更高。

為總結(jié)一套針對城市深埋長隧洞圍巖特性與賦存環(huán)境的勘察技術(shù)，本文以羅田水庫—鐵崗水庫城市深埋輸水隧洞工程為例，開展深埋長隧洞綜合勘察技術(shù)研究，以查明隧洞圍巖特性與賦存環(huán)境，為優(yōu)化深埋長隧洞工程設(shè)計及施工方案、保障施工及運行安全、維護沿線生態(tài)環(huán)境提供技術(shù)支持。

1工程情況及勘察重難點

1.1工程概述

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程全長約21.6 km，隧洞埋深50～190 m，設(shè)計輸水規(guī)模260萬m3/d，開挖洞徑6.7 m，為城市深埋隧洞。主干線擬采用TBM施工，分為4個TBM 施工段，設(shè)2號、3號、5號3個工作井，2個地下閥室，2條施工隧洞。

1.2地質(zhì)條件

輸水隧洞沿線第四系分布廣泛，厚度不均，一般厚約8～20 m。城區(qū)段表層多為人工填土，其下為淤泥質(zhì)土、黏土、砂及砂礫石等。丘陵段地表主要為殘坡積砂質(zhì)黏土、黏土。

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞沿線自北向南分布變質(zhì)巖、沉積巖、巖漿巖三大類。變質(zhì)巖主要為震旦系黃婆山組（Zh）片麻巖；沉積巖為侏羅系塘廈組（J1-2t）、橋源組（J1q）、金雞組（J1j）以及三疊系小坪組（T3x）粉砂巖、泥巖、石英砂巖、砂礫巖等。巖漿巖為白堊紀燕山四期（ηγ5K1、γβ3K1）和奧陶紀加里東期（ηγO1）花崗巖（圖1）。

1.3勘察難點

（1） 環(huán)境制約因素多。

① 下穿建筑物多：隧洞沿線依次下穿城市建成區(qū)13個地表水體、4條鐵路、4條高速公路。② 聲磁電干擾強：城市高壓線、變電站、地鐵、輕軌、鐵路、大型廠礦、建筑等強大的電磁環(huán)境，對地面物探工作干擾強，易造成資料處理中的“假異?！?。③ 勘探作業(yè)風險高：通訊、電力、水務(wù)、燃氣等地下管道密布，管線權(quán)屬復雜、位置分布圖搜集難、非金屬管線和大埋深管線探測困難，勘探誤傷地下管線引起安全事故的風險高。④ 環(huán)境保護要求嚴：羅田水庫、鐵崗水庫為一級水源保護區(qū)，下穿省級羅田林場、鳳凰山生態(tài)保護區(qū)和寶安城市繁華建成區(qū)。

（2） 工程地質(zhì)條件復雜。

沿線分布有沉積巖、變質(zhì)巖、巖漿巖三大巖類，軟硬兼有，工程區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動頻繁，斷裂構(gòu)造發(fā)育，共有12條規(guī)模較大的斷裂；斷裂破碎帶、風化深槽、圍巖穩(wěn)定、突水涌泥、超硬巖、蝕變巖體等地質(zhì)風險高，將造成TBM刀具磨損、卡機、泥餅、塌方等問題，影響掘進效率。

（3） TBM施工對勘察精度要求高。

不良地質(zhì)體對TBM掘進的危害性大；超前地質(zhì)預報一般情況下并非全洞段均開展，也不能在TBM掘進過程中實時開展；前期勘察中對各類不良地質(zhì)體須進行精準勘察，為TBM設(shè)備選型、訂制提供依據(jù)。

2長距離深埋隧洞勘察技術(shù)

2.13D實景建模-傾斜攝影技術(shù)

通過對傾斜攝影影像進行質(zhì)量檢查、影像糾正、量測同名點、正射矯正、大地面鑲嵌、創(chuàng)建數(shù)據(jù)倉庫等步驟后，將所有的影像納入到一個統(tǒng)一的實景影像系統(tǒng)中。處理過程中需要使用本地高精度的DEM 數(shù)據(jù)，傾斜影像的數(shù)據(jù)處理不進行類似于4D數(shù)據(jù)生產(chǎn)的過程，其數(shù)據(jù)處理結(jié)果即為一個實景影像系統(tǒng)。

2.2地質(zhì)技術(shù)

（1） 野外地質(zhì)信息采集系統(tǒng)。

野外地質(zhì)信息采集系統(tǒng)、采集方法及采集系統(tǒng)的應(yīng)用方法為長江巖土工程有限公司自主研發(fā)的一款野外測繪數(shù)據(jù)采集、鉆孔數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用軟件?；谝苿悠脚_的GPS芯片和磁場、方向及重力傳感器，開發(fā)了智能數(shù)字地質(zhì)羅盤，實現(xiàn)了地質(zhì)點精準定位和地層產(chǎn)狀信息的自動采集。可快速采集地質(zhì)體特征信息，在后臺數(shù)據(jù)處理后可快速生成電子文檔，繪制鉆孔柱狀圖、地質(zhì)平面圖、地質(zhì)剖面圖，生成節(jié)理裂隙統(tǒng)計分析圖表，實現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性分析、滑坡穩(wěn)定性計算。

（2） BIM技術(shù)。

利用野外地質(zhì)信息采集系統(tǒng)完成工程區(qū)地形地質(zhì)信息收集，實時導入數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)終端，進行數(shù)據(jù)的存儲、統(tǒng)計、分析、處理，將處理后的地形及地質(zhì)信息導入三維協(xié)同設(shè)計平臺3DE平臺，建立動態(tài)可視化三維地質(zhì)模型，完成協(xié)同設(shè)計。

2.3物探技術(shù)

（1） 地下管線探測技術(shù)。

主要有電磁法、地質(zhì)雷達法、高密度電阻率法、瞬態(tài)瑞雷波法。

該項目對勘探點、工作井、分水支線均采用管線探測儀進行了斷面測量，以感應(yīng)法、夾鉗法和工頻法為主，管線平面定位以極大值法為主，深度定位以70%測深法為主。對工作井、分水支線管線探測儀（電磁法）綜合管線探測成果運用地質(zhì)雷達法進行了復核，對疑難位置勘探點進行了斷面測量。采用高密度電阻率法對深埋大直徑金屬管道進行了探測。采用瞬態(tài)瑞雷波法對大直徑非金屬管道進行了探測。

（2） 地面精細化綜合物探技術(shù)。

主要采用了微動探測、可控音源大地電磁法、高密度電阻率法。

微動探測技術(shù)是指對天然場源微動信號進行數(shù)據(jù)處理提取Rayleigh波頻散信息，通過反演該信息獲得地下介質(zhì)橫波速度結(jié)構(gòu)，分析地質(zhì)體與周圍介質(zhì)的波速差異，從而查明或解決有關(guān)工程地質(zhì)問題。

通過對微動探測、可控源音頻大地電磁法、高密度電阻率法成果與鉆探揭露地質(zhì)情況進行對比發(fā)現(xiàn)，在城市復雜環(huán)境條件下，微動探測線具有施工靈活、工效高等特點。根據(jù)視橫波速度斷面圖能夠進行覆蓋層厚度劃分、隱伏地質(zhì)構(gòu)造（斷層、風化深槽等）解譯等，整體探測效果較好；架空高壓線對可控源音頻大地電磁法、高密度電阻率法均存在干擾，在成果圖中存在“假異?！?，相較于可控源音頻大地電磁法，架空高壓線對高密度電阻率法的影響范圍較小。該項目城市復雜條件物探勘察所選用的方法技術(shù)，探測效果以微動探測最優(yōu)，高密度電阻率法次之，可控源音頻大地電磁法較差。

2.4鉆探技術(shù)

（1） 半合管取芯技術(shù)。

半合管取芯技術(shù)相比于普通單管取芯、雙管取芯技術(shù)，巖芯采取率高，對破碎巖體、蝕變巖體、風化巖體等有高取芯技術(shù)要求的特殊巖土體適應(yīng)性強。該項目大規(guī)模采用半合管取心技術(shù)，取得了良好的效果。即使在節(jié)理、裂隙極發(fā)育，巖體極破碎的地層中，巖芯采取率也能達到 95%以上，且?guī)r芯擾動小，能較好地反映出原地層的構(gòu)造特征。

（2） 大頂角超深斜孔鉆探技術(shù)。

為適應(yīng)隱伏陡傾斷裂、下穿地表水體、下穿城市建筑物等特殊部位的勘探需求，長江巖土工程有限公司研發(fā)了大頂角超深斜孔鉆探技術(shù)。采用塔機一體式斜孔鉆機、大頂角超深斜孔四腳鉆塔等設(shè)備，套管定向程序、斜孔鉆進泥漿工藝、高效碎巖電動式和機械式?jīng)_擊器等措施，完成大頂角超深斜孔鉆進。鉆探過程中，為有效預防鉆孔彎曲、控制鉆孔軌跡，采用測斜儀在鉆孔實施過程中對孔斜實時測量并糾偏。

在輸水隧洞下穿月亮湖、月牙湖、上下村排洪渠、合水口排洪渠、公明排洪渠、阿婆髻水庫隧洞段共完成8個大頂角斜孔，對物探解譯異常點中可能存在的陡傾斷裂完成了4個大頂角斜孔，共計1 258 m進尺，其中最大頂角達57°，最大孔深達160 m。

2.5檢測與測試技術(shù)

（1） 微水振蕩技術(shù)。

微水試驗是通過瞬間井孔內(nèi)微小水量的增加（或減少），而引起井孔水位隨時間的變化規(guī)律，確定含水層水文地質(zhì)參數(shù)的一種簡易方法。在輸水干線、TBM工作井共選取19個鉆孔開展微水震蕩試驗。

經(jīng)提水試驗、傳統(tǒng)壓水、隨鉆壓水、微水振蕩等多種試驗方法測試的隧洞圍巖水文地質(zhì)參數(shù)見表1，逐段壓水試驗反應(yīng)了孔內(nèi)某部位巖體滲透性，但對斷裂帶、裂隙密集帶、全—強風化帶等巖體破碎部位適應(yīng)性差；提水試驗、微水振蕩試驗反應(yīng)了鉆孔全孔段巖體綜合滲透性，有效補充了部分孔段無法開展壓水試驗而缺失的巖體滲透特性，為隧洞涌水量預測及施工方案設(shè)計提供了有力依據(jù)。

（2） 鉆孔孔內(nèi)變形試驗。

鉆孔徑向加壓法變形試驗是在鉆孔中通過對一定長度孔壁施加徑向壓力并測取孔壁的徑向變形，按彈性力學平面應(yīng)變問題求得測試部位巖體的彈性模量和變形模量。該工程共完成孔內(nèi)變形試驗6孔，測點86點，其中沉積巖區(qū)2孔，侵入巖區(qū)4孔?，F(xiàn)場孔內(nèi)變形試驗：燕山四期（γβ5K1）粗粒斑狀黑云二長花崗巖變形模量7.3～28.4 MPa、平均值199 MPa，彈性模量14.2～38.8 MPa、平均值28.8 MPa。室內(nèi)力學試驗：燕山四期（γβ5K1）粗粒斑狀黑云二長花崗巖變形模量19.3～39.9 MPa、平均值29.5 MPa，彈性模量25.1～50.4 MPa、平均值41.1 MPa。對比室內(nèi)力學試驗與現(xiàn)場孔內(nèi)變形試驗成果可知，變形模量、彈性模量的室內(nèi)力學試驗成果普遍高于現(xiàn)場孔內(nèi)變形試驗成果。

3結(jié)論與展望

3.1結(jié) 論

（1） 羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞沿線建（構(gòu)）筑物類型多，下穿丘陵、山地、河流、水庫、地鐵、高鐵、高速公路及城市建成區(qū)。地層時代自震旦系至侏羅系，沉積巖、變質(zhì)巖、巖漿巖三大巖類均有涉及。地層界線、斷裂構(gòu)造隱伏，斷裂數(shù)量多、規(guī)模大、性狀差。風化深槽、斷裂破碎帶、軟弱圍巖、蝕變花崗巖、有毒有害氣體及高地溫等不良地質(zhì)體可能導致的地質(zhì)風險和環(huán)境問題突出。受地下管線、聲磁電強干擾、城市交通、環(huán)境保護和文明施工等因素制約，勘察作業(yè)難。

（2） 依托羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程，圍繞城區(qū)勘察作業(yè)環(huán)境下穿建筑物多、聲磁電干擾強、勘探作業(yè)風險高、環(huán)境保護要求嚴等難點，開展了大頂角超深斜孔鉆探技術(shù)、抗干擾地面物探技術(shù)、地下管線排查技術(shù)等勘察技術(shù)的探索，并在勘察中進行了應(yīng)用，解決了制約城區(qū)勘察的不利因素。

（3） 針對嚴重影響TBM掘進和隧洞運行安全的不良地質(zhì)體，在隱伏斷裂精準定位、高保真取芯、孔內(nèi)巖體變形試驗、水文參數(shù)精細化測試等方面進行了技術(shù)或工藝上探索，同時在BIM等勘測信息化方面開展研究，并應(yīng)用于此項目不良地質(zhì)體勘察中，提高了各類不良地質(zhì)體分布、工程特性的勘探精度。

3.2展 望

隨著國家經(jīng)濟發(fā)展、工程建設(shè)不斷增多，長距離深埋隧洞TBM施工技術(shù)應(yīng)用愈加廣泛，TBM對勘察精度的敏感性更高，為此TBM施工超前地質(zhì)預報作用愈發(fā)明顯。目前國內(nèi)TBM施工超前地質(zhì)預報研究尚處于起步階段，未來應(yīng)探索形成一套完整的TBM施工超前預報技術(shù)和TBM施工超前預報管理系統(tǒng)。

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（編輯：黃文晉）