李期明

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心廣西總隊(duì)，廣西 桂林 541002）

引言

近10 年來(lái),物探勘察技術(shù)因輕便、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn),在公路、鐵路隧道和橋梁等復(fù)雜工程場(chǎng)址的勘察中得到了廣泛應(yīng)用。主要利用工程案例,介紹了在隧道工程中,針對(duì)不同的地理特點(diǎn)和工程設(shè)計(jì)條件,運(yùn)用了遙感影像地理解譯、工程地貌調(diào)繪、工程技術(shù)勘察、地質(zhì)測(cè)量和水質(zhì)研究等的綜合勘察技術(shù), 解決相應(yīng)的工程地質(zhì)問(wèn)題[1]。

1 地質(zhì)勘察的方法

1.1 物探

物探檢查是以巖層間物理力學(xué)特性的差異為基準(zhǔn),利用物探儀器檢查地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的方式。隧道常見的物探施工方式主要有地震折射法、地震反射法、電測(cè)深法、大密度電法和電磁勘探法。以下以聲波測(cè)井為例。

聲波測(cè)井在隧道勘察中一般用于洞身圍巖完整性測(cè)量,也可用于孔內(nèi)巖體破碎情況測(cè)量。其方法是將一個(gè)受燮聲波震源放入井中, 聲源發(fā)出的聲波沿井壁與井液界面滑行,這個(gè)滑行波被井下接收器接收,送到地面聲波儀記錄下來(lái)。聲波測(cè)井,按照發(fā)射與接收探頭的不同可分成單發(fā)雙收與雙發(fā)雙收(也稱補(bǔ)償聲波測(cè)井)[2]。目前國(guó)內(nèi)常用單發(fā)雙收聲波儀器,探頭的激發(fā)和接收換能器采用壓電陶瓷。聲波測(cè)井巖體波速計(jì)算公式為

用于計(jì)算隧道圍巖完整性系數(shù)(Kv)值時(shí),必須進(jìn)行巖(芯)石波速Vpr測(cè)試,其計(jì)算公式

圍巖完整性系數(shù)值與巖體完整性程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。聲波測(cè)井應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題。

表1 圍巖完整性系數(shù)與巖體完整性程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

(1) 聲波測(cè)井鉆孔必須無(wú)金屬套管,且有井液作為耦合介質(zhì)。

(2) 測(cè)井前,鉆孔必須進(jìn)行洗孔,避免泥漿濃度過(guò)大影響聲波測(cè)井效果。

(3) 隧道洞身鉆孔聲波測(cè)井一般只針對(duì)基巖部分,松散地層可不做測(cè)量。

(4) 巖石波速測(cè)量應(yīng)取同一個(gè)隧道完整巖芯樣進(jìn)行試樣切割加工。

(5) 計(jì)算圍巖完整性系數(shù)時(shí),巖芯波速值應(yīng)采用幾組巖芯波速的最大值, 以確保圍巖完整性系數(shù)的可靠性。

1.2 鉆探

(1) 物探長(zhǎng)度可依據(jù)道路比選區(qū)域及特征決定,海域地區(qū)不應(yīng)低于構(gòu)造邊界外側(cè)150 m, 陸域地區(qū)不應(yīng)低于構(gòu)造邊界外側(cè)100 m[3]。隧道的物探工作可參考表2 執(zhí)行。地球物理探測(cè)一般要和勘探工作配合,以增加資料解譯的精確度。

表2 隧道物探工作要求

(2) 為適應(yīng)隧洞和盾構(gòu)隧道的建設(shè)、工期和安全性評(píng)估要求, 單孔隧洞的開挖結(jié)構(gòu)必須滿足如圖3 規(guī)定的條件。雙洞坑道一般在基礎(chǔ)上提高30%～50%, 而三洞坑道則可在基礎(chǔ)上提高60%～100%。但通常要求將鉆孔交錯(cuò)布置于坑道外圍的5～8 m 深處[4]。

(3) 開挖深度宜按照隧洞的技術(shù)規(guī)范設(shè)計(jì)。①對(duì)于隧洞, 在孔身達(dá)到極破碎巖石的地層中, 孔深一般要達(dá)到隧洞基底的10～20 m; 當(dāng)洞身處在破裂地層時(shí), 孔深燮制應(yīng)到達(dá)隧洞底層下面的5～10 m;當(dāng)洞身處在比較完好的地層時(shí), 孔深燮制應(yīng)到達(dá)隧洞底層下面3～5 m。②盾構(gòu)隧洞的孔深應(yīng)在設(shè)計(jì)最低點(diǎn)下面的系數(shù)1.5 D～2.0 D 以上(D 為盾構(gòu)隧道外徑)。③沉管隧洞的孔深宜達(dá)到隧洞底板下0.5B～1.0B(B 為沉管隧道底寬),并不得低于河床以下40 m。④堰筑隧道的開挖深應(yīng)小于樁基的地下連續(xù)墻底5～10 m,且應(yīng)進(jìn)入坑底板下的有風(fēng)化作用的微自然風(fēng)化地層不宜低于5～10 m,但如果遇到軟土或降雨的需要時(shí),應(yīng)進(jìn)入較軟弱土質(zhì)的透水層(含水層)[5]。

(4) 在隧道工可及初期施工階段中, 宜布設(shè)相當(dāng)總量的燮制性施工鉆孔, 以適應(yīng)施工方案綜合分析的要求。隧洞內(nèi)燮制性鉆進(jìn)的水深應(yīng)到達(dá)隧洞底層下面30～40 m, 盾構(gòu)掘進(jìn)隧洞應(yīng)到達(dá)隧洞底層下面2.0 D～3.0 D(D 為盾構(gòu)掘進(jìn)隧洞外徑),沉管隧洞應(yīng)到達(dá)隧洞底層下面1.5 B～2.0 B(B 為沉管隧洞底寬),堰筑隧洞應(yīng)到達(dá)支護(hù)構(gòu)造底端20～30 m。工可勘查階段操燮性鉆進(jìn)總量不應(yīng)少于總鉆進(jìn)量的50%, 初步設(shè)計(jì)勘查階段燮制性鉆進(jìn)總量不應(yīng)少于總鉆進(jìn)量的25%。

圖1 聲波測(cè)井結(jié)果示意圖

表3 隧道地質(zhì)鉆孔縱向間距

2 隧道概況

2.1 地形地貌

隧道周圍地形為剝蝕丘陵區(qū)。測(cè)區(qū)內(nèi)的山地部分基石暴露,植物數(shù)量稀少,僅在黃土覆蓋地帶有人工林生長(zhǎng)。隧洞區(qū)域的一般地形特點(diǎn)是東北高,西南低,隧洞上部山勢(shì)巍峨,地勢(shì)起伏復(fù)雜多變,沖溝發(fā)育明顯,有山崖陡坡。而隧洞所經(jīng)山區(qū)平均海拔通常為280～490 m 左右。

2.2 隧道存在的主要地質(zhì)問(wèn)題

隧道的經(jīng)過(guò)區(qū)域?yàn)閯兾g丘陵區(qū),地勢(shì)起伏很大,絕對(duì)高度大于200 m,而且是氣候嚴(yán)寒地帶。壤中出現(xiàn)的大規(guī)模堆積巖片和多次噴發(fā)的熔灰?guī)r片, 在大量的太空風(fēng)化剝蝕、地下水運(yùn)動(dòng)和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等的直接影響下,所出現(xiàn)的各種風(fēng)化作用程度的風(fēng)蝕層之間厚薄不均和變化起伏幅度較大的土石分邊界的特征等。土壤地表所覆的砂礫類土、風(fēng)積沙和較新濕陷性的黃土地層之下,有隱伏斷裂的溝谷或斷裂。而在凝灰?guī)r和凝灰色的角礫巖之間往往具有較高膨脹性, 膨脹潛勢(shì)必須通過(guò)事先進(jìn)行的測(cè)試證實(shí)[6]。欲查清本隧道所通過(guò)地區(qū)的工程地質(zhì)要求和水文特點(diǎn), 僅依靠土壤地表調(diào)繪和勘探技術(shù),在工程周期較短的情況下不易完成。

3 綜合勘探技術(shù)應(yīng)用

隧道綜合勘測(cè)運(yùn)用了遙感圖像地理理解、工程地貌調(diào)繪、鉆探、施工勘察、地質(zhì)測(cè)量與環(huán)境研究的技術(shù)勘查方法,并對(duì)成果資源進(jìn)行了分類整理和綜合研究,以查清隧道的實(shí)際地質(zhì)狀況[7]。

3.1 綜合勘察技術(shù)內(nèi)容和方法

目前外業(yè)航空照相調(diào)繪工作主要按照: 圖像資源整合→有關(guān)地物數(shù)據(jù)上線→勾繪判譯范圍→地物調(diào)繪→確定判釋準(zhǔn)則以及對(duì)數(shù)據(jù)的一致性條件→燮內(nèi)判釋→建立外業(yè)核查通道→場(chǎng)地調(diào)查核實(shí)等程序?qū)嵤Ｔ谶b感技術(shù)解譯系統(tǒng)建成后即刻開展了場(chǎng)景核實(shí)工作,對(duì)航空照相調(diào)繪數(shù)據(jù)加以了補(bǔ)充、調(diào)整、指導(dǎo)。同時(shí),在經(jīng)過(guò)場(chǎng)景核實(shí)后再對(duì)航、衛(wèi)片進(jìn)行復(fù)判,最后完成了衛(wèi)星的影像圖和地質(zhì)解釋圖。

3.2 遙感圖像地質(zhì)解譯及工程地質(zhì)調(diào)繪

經(jīng)過(guò)對(duì)地面遙感影像信號(hào)的解譯與分析, 初步判斷在1 號(hào)斜井附近疑似有斷層穿過(guò), 其方位約為大致東西走向。地面上的溝谷發(fā)育,對(duì)植被運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究的機(jī)會(huì)比較少, 只在丘陵坡腳與丘間的溝谷上進(jìn)行了零敲碎打,并發(fā)現(xiàn)有較多濕陷量的黃土巖層。但在經(jīng)通過(guò)遙感技術(shù)的圖像地質(zhì)解譯后,并未發(fā)現(xiàn)有任何崩塌、滑動(dòng)和錯(cuò)落的發(fā)育不良地[8]。

用檢索區(qū)域地質(zhì)資料、地質(zhì)調(diào)查訪問(wèn)等手段,對(duì)地形類型、地層巖性及其組合特征、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)現(xiàn)象、不良地質(zhì)活動(dòng)、特殊地質(zhì)條件及工程地質(zhì)要素等進(jìn)行檢查、測(cè)定,并核對(duì)遙感影像和地質(zhì)解譯的結(jié)果,繪制隧道施工地質(zhì)圖[9]。

3.3 綜合物探測(cè)試

為查清地道洞身范圍的土巖分界、風(fēng)化層厚薄和水文地質(zhì)狀況等, 物探人員采取光電測(cè)深法和地震折射法開展工作。地道洞身深物勘探線通常沿中點(diǎn)方位布設(shè),海深測(cè)量點(diǎn)距離通常為20～50 m,AB/2Max=210.5 m,共實(shí)現(xiàn)了海深測(cè)量點(diǎn)300 多個(gè)。對(duì)異常地點(diǎn)、可疑點(diǎn)實(shí)行了嚴(yán)密或重疊監(jiān)測(cè)。據(jù)物探推算,第4 系厚通常為3～10 m,但部分地區(qū)的第四系地層和全風(fēng)化作用基巖的混合層厚達(dá)5～14 m。

3.4 鉆探、簡(jiǎn)易勘探及地質(zhì)測(cè)試

在充分分析遙感圖像地質(zhì)解譯成果、區(qū)域地質(zhì)資料、地質(zhì)調(diào)繪成果及物探成果的基礎(chǔ)上,合理布置勘探點(diǎn),以達(dá)到揭示地層層序和巖土工程特征,并驗(yàn)證物探異常點(diǎn)的目的[10]。隧道進(jìn)出口各布置1 個(gè)鉆孔,淺埋段及物探異常段共布置6 個(gè)鉆探孔, 其中3 個(gè)為深孔兼做綜合物探測(cè)井。為查明斷層及不整合接觸帶布置3個(gè)鉆孔,丘陵斜坡土石分界處布置6 個(gè)簡(jiǎn)易勘探孔。

4 勘察成果

通過(guò)遙感圖像地質(zhì)解譯、工程特性調(diào)繪、施工勘察、地質(zhì)測(cè)量與環(huán)境研究等技術(shù)勘查方法,對(duì)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理和綜合研究, 測(cè)繪出隧道的地質(zhì)圖和施工的縱切面,發(fā)現(xiàn)了隧道的地質(zhì)環(huán)境。

4.1 圍巖分級(jí)

隧道洞身通過(guò)的地層有凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)角礫巖、斷層泥和安山巖,巖體多為較完整～完整,局部破碎,巖石為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化及弱風(fēng)化。凝灰?guī)r具強(qiáng)膨脹性,凝灰質(zhì)礫巖具中～強(qiáng)膨脹性。隧道圍巖劃分根據(jù)圍巖基本分級(jí),受地下水、高地應(yīng)力和洞身埋深等影響的分級(jí)修正,綜合分析后確定。隧道全長(zhǎng)8 875 m,通過(guò)區(qū)Ⅲ級(jí)圍巖長(zhǎng)4 623 m,占總長(zhǎng)的52.1%;Ⅳ級(jí)圍巖長(zhǎng)3 209 m,占總長(zhǎng)的36.2%;Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)1 043 m,占總長(zhǎng)的11.7 %。

4.2 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)洞身物探成果, 發(fā)現(xiàn)1 號(hào)斜井洞身段存在高低阻接觸異常帶。結(jié)合地質(zhì)調(diào)繪和鉆孔資料,推斷為斷層。斷層走向大致東西方向,傾角較陡,破碎帶寬約20 m,斷層產(chǎn)狀為163°∠718°。

5 結(jié)論

通過(guò)綜合勘探方式, 人們更好地重視利用遙感圖像資料和地質(zhì)調(diào)繪資料,在遵循從點(diǎn)到面、理論推斷結(jié)果與實(shí)際實(shí)測(cè)成果有機(jī)地融合、鉆探與物探交叉檢驗(yàn)等綜合研究原則的前提下,利用先進(jìn)勘探技術(shù)手段,做到了對(duì)不同類型勘探資源的有機(jī)融合。對(duì)多特征地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合利用和分析,提高了地質(zhì)判別的準(zhǔn)確性，從而達(dá)到了提高地質(zhì)勘探性能和經(jīng)濟(jì)效益的目的,縮短了勘查時(shí)限,也提高了地質(zhì)資料的精度和穩(wěn)定性,因而充分顯示了其優(yōu)越性。

綜合勘察注重不同的技術(shù)方法和常規(guī)技術(shù)方法的融合、注重間接勘察技術(shù)和直接勘察技術(shù)的融合、注重不同檢測(cè)方法的工程與地質(zhì)作用, 可以減少不同間接方法的錯(cuò)誤率[11]。它是促使各類新技術(shù)手段充分發(fā)揮其效力,維持其活力的主要保障。工程地質(zhì)勘察只有全面運(yùn)用掌握各類新技術(shù)新手段, 不斷創(chuàng)新勘察技術(shù),才能使隧道地質(zhì)勘查技術(shù)總體能力得以增強(qiáng)。