李國(guó)橋
(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北武漢 430061)
近年來,隧道建設(shè)工程項(xiàng)目越來越多,工程建設(shè)時(shí)所面臨的地質(zhì)環(huán)境也較為復(fù)雜,對(duì)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(yán)格遵循因地制宜和規(guī)范性這兩點(diǎn)勘探原則。當(dāng)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(shì)??梢哉f,在長(zhǎng)時(shí)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(cè)繪、原位測(cè)試、挖探、鉆探、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)這些勘探方法,能夠確保隧道勘察數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本文結(jié)合當(dāng)前綜合地質(zhì)勘探方法的應(yīng)用與發(fā)展,進(jìn)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。
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(xiàng)目均需要地質(zhì)勘探技術(shù)的幫助,這對(duì)促進(jìn)地質(zhì)勘探方法發(fā)展有十分大的益處。在長(zhǎng)時(shí)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(zhǔn)確知曉勘察區(qū)的各項(xiàng)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(cè)軟土、煤層、圍巖、堆巖、地下水這些信息,從而為建設(shè)項(xiàng)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(shì),雖然是一種間接性的勘察方法,但依然可以精準(zhǔn)勘察地質(zhì)體的物理性質(zhì),并可以對(duì)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(shí)會(huì)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(huì)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(zhǔn)確。但綜合物探技術(shù)也有顯著的優(yōu)勢(shì),比如對(duì)場(chǎng)地條件沒有過高的要求,整體操作較為簡(jiǎn)單快捷,所使用的設(shè)備也較為輕便。
地質(zhì)測(cè)繪技術(shù)在各類項(xiàng)目工程的勘察中均有廣泛的應(yīng)用,比如隧道工程勘察時(shí)常用的技術(shù),優(yōu)勢(shì)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(cè)繪技術(shù)應(yīng)用過程中,需要勘察技術(shù)人員實(shí)地觀察和走訪,查明項(xiàng)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(xiàng)目工程沿線的地質(zhì)條件。鉆探技術(shù)的適用性和針對(duì)性較強(qiáng),可以精準(zhǔn)勘察項(xiàng)目工程的水文地質(zhì)特點(diǎn),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(duì)地質(zhì)調(diào)繪和物探技術(shù)的勘察結(jié)果作驗(yàn)證核實(shí)。以隧道工程勘察為例,在使用鉆探技術(shù)時(shí)可以直接鉆取巖芯,通過測(cè)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(yàn)可以確定巖體所具有的物理力學(xué)性質(zhì)。但鉆探技術(shù)使用過程中易受到勘察場(chǎng)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(zhǎng),甚至在一些特殊地層的鉆探作業(yè)中會(huì)存在風(fēng)險(xiǎn),所以應(yīng)謹(jǐn)慎使用??偟膩碚f,在當(dāng)前綜合地質(zhì)勘探方法的支撐下,地質(zhì)項(xiàng)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(cè)繪與調(diào)查→勘探→原位測(cè)試→室內(nèi)試驗(yàn)→繪制工程地質(zhì)平面圖→統(tǒng)計(jì)計(jì)算→編制報(bào)告,如圖1 所示。
圖1 地質(zhì)項(xiàng)目工程的勘察思路
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(cè)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(cè)繪工作中,勘察技術(shù)人員應(yīng)將重點(diǎn)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(zhǔn)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(shí)地觀察和走訪,有助于更加精準(zhǔn)的明確隧道工程沿線的地質(zhì)條件、地形地貌。針對(duì)隧道工程的特點(diǎn),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(zhǔn)劃分地貌單元,另一方面要對(duì)各個(gè)地貌單元的形成過程和構(gòu)造特點(diǎn)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(diǎn),地質(zhì)構(gòu)造類型、地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)特點(diǎn)均需要重點(diǎn)分析,勘察技術(shù)人員要認(rèn)真對(duì)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(shì)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(duì)提升遙感圖形地質(zhì)資料的準(zhǔn)確性會(huì)有十分大的益處。
為明確和掌握隧道洞身周圍土石分界、風(fēng)化層的厚度,需要使用電測(cè)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(cè)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(diǎn)。結(jié)合當(dāng)前隧道工程的地質(zhì)勘察工作來看,在勘探點(diǎn)的布設(shè)時(shí),通常情況下兩個(gè)勘探點(diǎn)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(diǎn)存在異?;蚩梢桑瑒t必須采取加密監(jiān)測(cè)方法,或者可以結(jié)合實(shí)際情況開展反復(fù)觀測(cè)。
在隧道工程的勘察作業(yè)中,物探測(cè)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(diǎn),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(dòng)提供參考資料,則此時(shí)可以聯(lián)合使用鉆探技術(shù)和物探技術(shù),當(dāng)前的一些鉆探設(shè)備有著體積小、進(jìn)尺較快、操作方便的特點(diǎn),適用于隧道工程的勘察作業(yè)中。若是要使用綜合測(cè)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(shí)要對(duì)隧道鉆探資料作一分析,對(duì)不同測(cè)井曲線的物性和分層進(jìn)行比對(duì)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(cè)井曲線這一方法開展基準(zhǔn)測(cè)試。
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(diǎn)來說,勘察技術(shù)人員主要是借助高密度電法測(cè)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(cè)試兩級(jí)間的電位差,獲得記錄點(diǎn)的電阻率值。但相比之下,高密度電法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯高于傳統(tǒng)的電法測(cè)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?yàn)橛熊浖投S成像的支撐,所以勘探精度可以有所保證。
在隧道工程的勘察作業(yè)中,遙感圖像資料、地質(zhì)測(cè)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(xué)布置勘探點(diǎn),便于開展鉆探勘察作業(yè)。在使用鉆探和勘探測(cè)試技術(shù)時(shí),可以將勘探重點(diǎn)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(jìn)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(jì)3個(gè),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(jiǎn)易。
EH4 大地電磁測(cè)深系統(tǒng)是一種較新型的大地電磁測(cè)量系統(tǒng),有效的勘探深度可以達(dá)到幾十米至三千米,主要使用被動(dòng)源電磁法。在使用EH4 大地電磁測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行隧道工程的勘察作業(yè)時(shí),勘察技術(shù)人員既可以使用天然場(chǎng)源的大地電磁信號(hào),也可以使用人工場(chǎng)源的電磁信號(hào)。在實(shí)際使用時(shí),考慮到人工場(chǎng)源的電磁信號(hào)較淺,所以應(yīng)該用在淺部構(gòu)造的探測(cè)作業(yè)中,而天然場(chǎng)源的大地電磁信號(hào)較強(qiáng),所以可以用來揭示深部構(gòu)造。通過聯(lián)合使用兩種信號(hào)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(zhǔn)確度高[4]。
隧道內(nèi)部的地層巖石特性是較為復(fù)雜的,隱節(jié)理發(fā)育的速度較快,同時(shí)地表會(huì)有較明顯的風(fēng)化,這導(dǎo)致鉆探技術(shù)使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)取芯率較低的情況,對(duì)整個(gè)隧道工程的勘探作業(yè)有很大的影響。針對(duì)于此,勘察技術(shù)人員可以使用地震勘探和鉆孔超聲波測(cè)井技術(shù),既可以減少人為因素的影響,也可以精準(zhǔn)判斷出巖石的風(fēng)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(cè)井、折射法,比如在使用地震測(cè)井這一方法時(shí),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(cè)量井深和時(shí)間差,計(jì)算出地層的平均速度,同時(shí)可以測(cè)定出震源信號(hào)到達(dá)每一個(gè)深度區(qū)間所花費(fèi)的時(shí)間與速度[5]。目前來看,地震測(cè)井在隧道工程中的應(yīng)用逐漸廣泛,可以精準(zhǔn)確定隧道工程的地質(zhì)構(gòu)造情況,后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步加大研究力度,掌握更多使用要點(diǎn)。
室內(nèi)試驗(yàn)是隧道工程勘察作業(yè)中的重要環(huán)節(jié),是隧道工程評(píng)價(jià)土石特性的重要手段,同時(shí)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(jìn)行定性評(píng)價(jià),但無法完成定量評(píng)價(jià),此時(shí)便需要使用到室內(nèi)試驗(yàn)這一方法。在室內(nèi)試驗(yàn)工作中,要充分明確地質(zhì)條件評(píng)價(jià)的要點(diǎn),確保室內(nèi)試驗(yàn)所選擇的指標(biāo)、因子均符合隧道工程的特性。除此之外,在室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)應(yīng)該對(duì)重要物理場(chǎng)進(jìn)行重點(diǎn)觀測(cè),判斷隧道工程的地質(zhì)情況。
隧道勘察中所使用的地質(zhì)勘探方法有著顯著優(yōu)勢(shì),可以推廣應(yīng)用在隧道勘察的各個(gè)場(chǎng)景中,當(dāng)前所使用的勘探技術(shù)主要包括挖探、簡(jiǎn)易鉆探、鉆探和地球物理勘探,各有優(yōu)勢(shì)和不足。比如挖探技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)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(chǎng)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(chǎng)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?yàn)橛袑iT的儀器,可以觀測(cè)物理場(chǎng)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(dāng)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(jìn)一步加大研究力度,一方面要突破當(dāng)前地質(zhì)勘探方法應(yīng)用時(shí)所面臨的困境,提升實(shí)際勘察作業(yè)的實(shí)用性和適用性,另一方面要依托現(xiàn)有的科學(xué)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(jìn)隧道工程勘察作業(yè)的開展。除此之外,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注隧道勘察的評(píng)價(jià)工作,這主要是因?yàn)樗淼赖闹穮^(qū)巖性較為復(fù)雜,穩(wěn)定性和安全性均易受到影響。在實(shí)際開展隧道勘察的評(píng)價(jià)工作時(shí),要分為隧道進(jìn)洞口段、出洞口段、洞身段這三部分進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)內(nèi)容必須包括圍巖分級(jí)、邊坡穩(wěn)定性、隧道洞口段工程地質(zhì),尤其是要評(píng)價(jià)好隧道洞口段工程地質(zhì)。
綜上所述,隧道工程的勘察作業(yè)有著較強(qiáng)的復(fù)雜性,對(duì)整個(gè)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(zhǔn)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(shì),應(yīng)結(jié)合隧道工程的特點(diǎn)合理使用,發(fā)揮好各種地質(zhì)勘探技術(shù)的優(yōu)勢(shì),從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期的勘察目標(biāo)。