劉衡秋

（北京中色資源環(huán)境工程股份有限公司，北京 100012）

山嶺隧道工程綜合地質(zhì)勘察方法探討

劉衡秋

（北京中色資源環(huán)境工程股份有限公司，北京 100012）

山嶺隧道工程具有隱蔽性、施工復(fù)雜性、地層條件和周圍環(huán)境不確定性等特點(diǎn)，采用科學(xué)的勘察方法，是查明隧道巖土體工程地質(zhì)條件的有效手段。本文以海淀區(qū)西山隧道為依托，針對(duì)隧道工程勘察中的關(guān)鍵地質(zhì)問題，運(yùn)用工程地質(zhì)測(cè)繪、鉆探、工程物探、水文地質(zhì)勘查等綜合勘察方法，有效地查明隧址區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、巖土體結(jié)構(gòu)和地下水分布特征，全面、客觀地評(píng)價(jià)隧道進(jìn)出口段邊坡及仰坡穩(wěn)定性、隧道圍巖質(zhì)量與穩(wěn)定性、隧道涌水量、地應(yīng)力及有害氣體等工程地質(zhì)問題，并針對(duì)不良地質(zhì)現(xiàn)象提出防治對(duì)策，以期為工期緊張、地形困難且日趨增多的山嶺隧道工程地質(zhì)勘察，提供可以借鑒的模式和方法。

山嶺隧道；勘察方法；綜合分析；防治對(duì)策

0 前言

隨著城市山區(qū)高速公路建設(shè)的加快，越來越多的山嶺隧道需要修建。查明隧址區(qū)的地質(zhì)條件和不良地質(zhì)作用是隧道安全建設(shè)的需要，亦是隧道工程地質(zhì)勘察工作的主要目的。但是，與一般巖土工程相比，隧道工程的隱蔽性、施工復(fù)雜性、地層條件和周圍環(huán)境的不確定性更為突出，加大了施工技術(shù)的難度（路美麗等，2004）。為克服地質(zhì)條件復(fù)雜、交通不便和工期緊迫的困難，并保證勘察質(zhì)量，為設(shè)計(jì)提供合理、可靠的巖土指標(biāo)及圍巖質(zhì)量評(píng)定結(jié)果，在勘察過程中采用多種技術(shù)手段相結(jié)合的綜合勘察方法，全方位驗(yàn)證，可以達(dá)到更佳的勘察效果。

1 工程概況

西山隧道位于北京市海淀區(qū)西部北京植物園附近，是上莊路南延重要工程。隧道呈近南北走向穿越北京西山余脈，其南側(cè)洞口位于北京植物園人工湖東側(cè)約60m，距五環(huán)路約800m；北側(cè)洞口位于南羊坊村南，距黑龍?zhí)堵芳s2.1km（圖1）。隧道洞身地形呈鋸齒狀起伏，溝梁相間；地形復(fù)雜，交通不便。該隧道設(shè)計(jì)為雙洞分離式隧道，隧道左線1K3+930—1K6+940，長(zhǎng)3010m，隧道右線2K3+926—2K6+973，長(zhǎng)3047m，設(shè)計(jì)高程在56.47～72.80m之間。隧道建筑限界為高7.60m，凈寬14.11m，兩洞相距15.0～77.0m（北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，2011）。

圖1 西山隧道工程位置示意圖Fig.1 Location map of Xishan tunnel

2 區(qū)域地質(zhì)背景

隧址區(qū)位于太行山脈的延伸地帶，靠近北京平原的山前邊緣地帶，場(chǎng)區(qū)地形起伏較大，屬構(gòu)造剝蝕低山、丘陵地貌，總體地勢(shì)中部高、南北兩側(cè)低，最高處位于線路中部壽安山山頂，高程約407m，南北兩側(cè)斜坡高程一般在65～85m。山體主體呈近東西向走向，地形切割一般，山坡坡度35～45，局部陡峭。

該區(qū)域出露的前第四系主要包括二疊系石盒子組、三疊系雙泉組、侏羅系南大嶺組和九龍山組，主要巖性以砂巖、礫巖為主，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育；第四系主要分布在山麓斜坡、沖溝及斜坡洼地地帶，成因較為復(fù)雜，包括殘坡積、洪坡積和人工堆積層等類型。

大地構(gòu)造處于華北地臺(tái)燕山臺(tái)褶帶－西山迭拗褶－門頭溝迭陷褶，地殼變形以褶皺方式為主，九龍山－香峪向斜屬區(qū)域主體構(gòu)造，西山隧道主體位于該向斜東端（圖2）。受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，山嶺隧道沿線及兩側(cè)一定范圍內(nèi)巖體中次生斷裂、節(jié)理裂隙較發(fā)育，對(duì)隧道工程建設(shè)具有一定影響。

圖2 隧址區(qū)綜合地質(zhì)剖面圖Fig.2 Comprehensive geological section of tunnel site area

隧址區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。其中，第四系孔隙水呈透鏡狀分布，主要分布于山麓斜坡帶、山間洼地和沖溝處碎石或碎石混粘性土中；基巖裂隙水主要賦存于二疊系、三疊系和侏羅系凝灰質(zhì)砂巖地層中，以側(cè)向徑流和泉為主要排泄方式。

3 山嶺隧道的綜合勘察方法

3.1 一般原則

隧址區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，洞身范圍內(nèi)巖土性質(zhì)變化很大，僅憑地質(zhì)測(cè)繪和鉆探難以查明地下地質(zhì)情況。針對(duì)隧址區(qū)的地質(zhì)特征，宜采用物探方法劃分土巖分界和確定風(fēng)化層的厚度，采用物探結(jié)合其他勘探手段的綜合勘探方法查明隧址區(qū)的地質(zhì)條件及不良地質(zhì)體分布，并對(duì)各種勘探方法得出的結(jié)果進(jìn)行比較和驗(yàn)證，給出綜合的評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.2 綜合勘察方法

（1）工程地質(zhì)測(cè)繪工作先行

“測(cè)繪為先、鉆探后行”，這一方面說明工程地質(zhì)測(cè)繪在工程地質(zhì)工作中的基礎(chǔ)地位，同時(shí)又能為后續(xù)的鉆探和物探工作做好鋪墊。在山區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下，以比例尺1∶1000地形圖為底圖，采用縱橫穿越、布點(diǎn)、追索等方法，調(diào)查隧道工程沿線及附近一定范圍（不少于200m）的地形地貌或微地貌單元、巖土分布特征及各巖層之間的接觸關(guān)系，查明控制和影響線路的各種不良地質(zhì)作用發(fā)育類型、成因、規(guī)模及危害程度，收集地質(zhì)構(gòu)造尤其是斷裂構(gòu)造的證據(jù)，進(jìn)而確定構(gòu)造斷裂帶的分布范圍、寬度、巖體破碎程度等。

（2）鉆探孔多樣化使用

地質(zhì)鉆探是綜合勘察中對(duì)地質(zhì)測(cè)繪成果進(jìn)行檢驗(yàn)的“直觀、有效的”手段，也是采集工程地質(zhì)主要參數(shù)的重要方法，同時(shí)也為物探資料的解釋提供可靠的參數(shù)。本次勘察根據(jù)不同地形條件、隧道路面設(shè)計(jì)縱斷圖、地層結(jié)構(gòu)及巖體類別等，合理選用鉆機(jī)進(jìn)行鉆探。鉆孔原則上沿隧道中心、洞壁外側(cè)5m以外布置，鉆孔深度不少于路線設(shè)計(jì)高程以下5m，遇不良地層適當(dāng)加深。全孔采芯，保證采取率滿足規(guī)范要求，詳細(xì)記錄地層巖性特征、地下水埋深、進(jìn)尺速度及鉆探異常等。

此外，在勘察時(shí)要發(fā)揮“一孔多用”的效果，單個(gè)鉆孔除鉆探成孔和采集巖、土、水樣外，還應(yīng)策劃和設(shè)計(jì)進(jìn)行物探和水文等綜合測(cè)試，如波速測(cè)試評(píng)價(jià)碎石土密實(shí)度及基巖風(fēng)化程度，孔內(nèi)超聲評(píng)價(jià)圍巖的完整性和基本質(zhì)量等級(jí)；根據(jù)需要進(jìn)行抽水、提水和壓水試驗(yàn)，確定地層的孔隙率和滲透系數(shù)，為隧道涌水量估算提供參考；必要時(shí)開展孔內(nèi)水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試，確定圍巖的地應(yīng)力大小和方向。

（3）物探解譯補(bǔ)充與驗(yàn)證

在地形困難、地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)越嶺段和特長(zhǎng)隧道地質(zhì)勘察中，綜合物探是伴隨測(cè)繪和鉆探必須開展的一項(xiàng)工作，亦可解決搬運(yùn)鉆機(jī)的困難。同時(shí)，多種物探方法配合進(jìn)行往往能收到良好的效果，并且能相互驗(yàn)證、取長(zhǎng)補(bǔ)短、解決物探手段“多解性”問題。

在實(shí)際工作中綜合探測(cè)對(duì)象范圍、深度、規(guī)模及周圍介質(zhì)的物性差異，采用高密度電法、大功率激電測(cè)深的物探方法進(jìn)行綜合判識(shí)，并與鉆孔驗(yàn)證對(duì)照分析，主要目的是查明隧道沿線的覆蓋層厚度、地質(zhì)界線、斷裂破碎帶分布情況、基巖風(fēng)化程度和地下水賦存狀況等。采用孔內(nèi)電阻率法測(cè)試地層的電阻率分布情況，通過孔內(nèi)超聲波和巖心超聲波測(cè)試分別獲得巖體和巖塊超聲速度，并以此兩項(xiàng)指標(biāo)作為圍巖基本質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)提供技術(shù)參數(shù)。

（4）綜合評(píng)價(jià)與研究

在研究以往地質(zhì)資料、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、工程地質(zhì)鉆探測(cè)試、水文地質(zhì)勘察、地球物理勘探解譯等資料的基礎(chǔ)上，分析隧址區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、巖土體結(jié)構(gòu)和地下水分布特征，全面、客觀地評(píng)價(jià)隧道進(jìn)出口段邊坡及仰坡穩(wěn)定性，隧道圍巖質(zhì)量與穩(wěn)定性，隧道涌水量，地應(yīng)力及有害氣體等工程地質(zhì)問題，并評(píng)價(jià)隧道工程建設(shè)與當(dāng)?shù)丨h(huán)境的相互影響。綜合分析需要貫穿整個(gè)隧道工程勘察的全過程，這樣才能充分顯示綜合勘探的合理性、優(yōu)越性，達(dá)到高質(zhì)量與高效率（吳長(zhǎng)利，2006）。

4 綜合勘察的主要技術(shù)成果

4.1 地層巖性特征及分布

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、巖芯鑒定和土工試驗(yàn)的結(jié)果，并結(jié)合物探解譯成果，對(duì)地層巖性特征及分布進(jìn)行了歸納總結(jié)：

隧 道 進(jìn) 口 段（ 樁 號(hào)1K3+930—1K4+035、2K3+926—2K4+066）和出口段（樁號(hào)1K6+585—1K6+940、2K6+630—2K6+973）巖性主要由第四系殘坡積、洪坡積土層（碎石、碎石混粘性土、粘性土及粉土）組成，局部為強(qiáng)風(fēng)化—中等風(fēng)化的二疊系砂巖和侏羅系凝灰質(zhì)砂巖，圍巖工程性質(zhì)總體較差，不易成洞，基本無自穩(wěn)能力；局部碎石土呈透鏡狀含水層分布，水量變化較大，地下水作用將使圍巖的力學(xué)性質(zhì)降低。

山麓斜坡帶洞身段（樁號(hào)1K4+035—1K4+819、2K4+066—2K5+000、1K6+410—1K6+645、2K6+455—2K6+630）隧道圍巖包括第四系碎石、碎石混粘性土和二疊系強(qiáng)風(fēng)化—中等風(fēng)化砂巖及三疊系和侏羅系強(qiáng)風(fēng)化—中等風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖。松散土層自穩(wěn)能力很差，基巖巖體較破碎—較完整，以鑲嵌碎裂或裂隙塊狀結(jié)構(gòu)為主，局部地段賦存有構(gòu)造裂隙水，自穩(wěn)能力一般；此區(qū)段需注意土、巖接觸面過渡段的掌子面會(huì)出現(xiàn)軟硬不均組合地層，圍巖自穩(wěn)能力差，拱部無支護(hù)時(shí)可順土巖接觸面產(chǎn)生中—大規(guī)模塌方。

山嶺洞身段隧道圍巖主要由三疊系和侏羅系凝灰質(zhì)砂巖、礫巖及局部玄武巖組成，以微風(fēng)化為主，局部（樁號(hào)1K4+819—1K5+040和2K5+000—2K5+060）強(qiáng)風(fēng)化—中等風(fēng)化，巖質(zhì)較堅(jiān)硬—堅(jiān)硬，整體穩(wěn)定性較好，成洞性較好—一般；由于構(gòu)造變形影響，樁號(hào)1K5+900—1K5+970和2K5+900—2K5+950段圍巖自穩(wěn)能力較差。

4.2 隧道圍巖分級(jí)

根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪、鉆探、綜合物探及室內(nèi)巖土試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合隧道所處地形地貌、圍巖巖性及穩(wěn)定性特征、地下水賦存條件等，參照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定圍巖分級(jí)（表1）。

4.3 構(gòu)造變形破碎帶

高密度電法和激光測(cè)深法兩種方法探測(cè)的低阻異常帶空間分布具有較好的一致性，在23#鉆孔和29#鉆孔之間均探測(cè)到兩個(gè)巖體破碎帶（圖3、圖4）。其中，2線隧道2K5+540—2K5+660區(qū)段的破碎帶D1僅發(fā)育于擬建隧道上部，沒有向下穿越隧道工程，但受其影響隧道工程范圍內(nèi)巖體相對(duì)較為破碎，26#鉆孔揭露此部位分布有地下水；1線隧道1K5+900—1K5+940區(qū)段的破碎異常帶D2從淺部發(fā)育并向下延伸穿越擬建隧道工程，破碎帶寬度約40～60m，傾向北，影響范圍可達(dá)100～150m，巖體表現(xiàn)為破碎—極破碎。

5 不良地質(zhì)條件下的防治措施

（1）穩(wěn)定性差的圍巖

在松散、軟弱、破碎等穩(wěn)定性差的圍巖、錨噴支護(hù)應(yīng)緊跟開挖工作面，一般是先素混凝土、再進(jìn)行系統(tǒng)錨桿支護(hù)，再掛網(wǎng)噴混凝土、必要時(shí)加鋼拱架等。圍巖穩(wěn)定性較差或者極差的情況下，采用小導(dǎo)管注漿、打超前錨桿或大管棚進(jìn)行超前支護(hù)（樊治國(guó)，2014）。

表1 1線隧道洞身段圍巖分級(jí)列表Tab.1 Lists of wall rock classifcation of line 1 tunnel hole

圖3 測(cè)線Z3高密度電法視電阻率等值線圖Fig.3 Contour map of apparent resistivity by high-density electrical method at line Z3

圖4 激電測(cè)深法電阻率等值線圖Fig.4 Contour map of resistivity by laser sounding method

（2）斷層破碎帶

施工應(yīng)遵循“先預(yù)報(bào)、預(yù)加固、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)、快反饋、控變形”的原則，配備水平鉆機(jī)、陸地聲納儀、地質(zhì)預(yù)報(bào)儀等儀器，結(jié)合常規(guī)地質(zhì)法、聲波法、地球物理法等手段進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，按照“石變我變”的動(dòng)態(tài)原則組織施工（周強(qiáng)，2013）。斷層破碎帶一般地段拱部采用長(zhǎng)管棚進(jìn)行預(yù)支護(hù)，管棚長(zhǎng)度20m，每次開挖16m。

（3）巖溶地段

對(duì)于隧道穿過可溶巖與非可溶巖接觸帶、斷層破碎帶等地段，預(yù)計(jì)地下水較大，根據(jù)實(shí)際情況采用“以堵為主，限量排放”的原則，達(dá)到堵水有效、防水可靠、經(jīng)濟(jì)合理的目的。巖溶處理主要以注漿加固、封堵、充填封閉、輸導(dǎo)、跨越等措施，施工時(shí)根據(jù)不同的巖溶形態(tài)、規(guī)模、充填物情況、含水情況和地下水活動(dòng)情況、地質(zhì)情況等綜合確定處理方案。

6 結(jié)論

對(duì)于重要且復(fù)雜的山嶺長(zhǎng)隧道工程來說，地質(zhì)勘察要求方法可行、資料質(zhì)量高、圍巖分級(jí)準(zhǔn)確，采用地質(zhì)測(cè)繪、鉆孔綜合測(cè)試、綜合物探和室內(nèi)試驗(yàn)等綜合勘察方法，是必要且行之有效的，并可克服地質(zhì)條件復(fù)雜、交通不便和工期緊迫的困難。采用綜合勘察方法，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)自然界千變?nèi)f化的地質(zhì)體，使用多種手段進(jìn)行探測(cè)，充分發(fā)揮各種手段的優(yōu)勢(shì)，相互驗(yàn)證，綜合分析，可以獲得更可靠的地質(zhì)資料，尤其在確定復(fù)雜的不良地質(zhì)體位置效果顯著。綜合勘察技術(shù)可為日趨增多的山嶺隧道工程勘察提供了可借鑒的模式和方法。

致謝：筆者感謝北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司陳愛新教授級(jí)高工、彭有寶高級(jí)工程師在野外工作中給予的具體指導(dǎo)和幫助！

[1]路美麗，劉維寧，羅富榮，等. 隧道與地下工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法研究進(jìn)展[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2006，14(4)：462～469.

[2]吳長(zhǎng)利. 綜合勘探與綜合分析[J]. 鐵路勘察，2006，32(3)：61～63.

[3]北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司. 北京市海淀區(qū)上莊路南延（西山隧道）工程工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].北京，2011：1～20

[4]樊治國(guó). 淺談引紅濟(jì)石調(diào)水工程人工鉆爆法施工主要工序的質(zhì)量控制[J]. 甘肅科技，2014，30(2)：112～114.

[5]周強(qiáng). 試論高速公路隧道施工管理[J]. 科學(xué)創(chuàng)新與應(yīng)用，2013，(18)：189～189.

The Discussion on the Comprehensive Geological Investigation Methods of Mountain Tunnel Engineering

LIU Hengqiu
(Resource & Environment Engineering (Beijing)co., Ltd, Beijing 100012)

Mountain tunnel engineering has these characteristics of concealment, complexity of the construction, uncertainty of formation conditions and the surrounding environment. By adopting the method of scientific investigation, it is to find out an effective method for tunnel engineering geological conditions in geotechnical engineering. This paper takes Xishan tunnel engineering of Haidian district as a investigation object, and uses the comprehensive investigation methods such as engineering geological surveying and mapping, drilling, engineering geophysical exploration, hydrogeological exploration, which can effectively find out the tunnel site area of the geological structure, rock mass structure and the distribution features of groundwater, comprehensively and objectively evaluate the stability of import-export slope and upward slope of the tunnel, quality and stability of surrounding rock and tunnel water infow, ground stress and engineering geological problems of harmful gas, and puts forward countermeasures against bad geological phenomenon, in order to provide a reference engineering geological investigation model for increasing mountain tunnel of tense construction period and diffcult terrain.

Mountain tunnel; Investigation methods; Comprehensive analysis; Prevention and control countermeasures

U452.11

A

1007-1903（2016）04-0034-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.04.006

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目（水[2014]02-025-018）

劉衡秋（1975- ），男，博士，高工，主要從事地質(zhì)工程及防災(zāi)減災(zāi)工作。E-mail：qiu_gl@163.com