山岭隧道工程综合地质勘察方法探讨.pdf

山岭隧道工程综合地质勘察方法探讨 刘衡秋 （北京中色资源环境工程股份有限公司，北京 100012） 摘 要：山岭隧道工程具有隐蔽性、施工复杂性、地层条件和周围环境不确定性等特点，采用科学的勘察方法，是查 明隧道岩土体工程地质条件的有效手段。本文以海淀区西山隧道为依托，针对隧道工程勘察中的关键地质问题，运用 工程地质测绘、钻探、工程物探、水文地质勘查等综合勘察方法，有效地查明隧址区的地质构造、岩土体结构和地下 水分布特征，全面、客观地评价隧道进出口段边坡及仰坡稳定性、隧道围岩质量与稳定性、隧道涌水量、地应力及有 害气体等工程地质问题，并针对不良地质现象提出防治对策，以期为工期紧张、地形困难且日趋增多的山岭隧道工程 地质勘察，提供可以借鉴的模式和方法。 关键词：山岭隧道；勘察方法；综合分析；防治对策 中图分类号：U452.11 文献标识码：A 文章编号：1007-1903（2016）04-0034-05 The Discussion on the Comprehensive Geological Investigation Methods of Mountain Tunnel Engineering LIU Hengqiu (Resource Investigation methods; Comprehensive analysis; Prevention and control countermeasures 基金项目：中国地质调查局项目（水 201402-025-018） 作者简介：刘衡秋（1975- ），男，博士，高工，主要从事地质工程及防灾减灾工作。E-mail：qiu_gl 0 前言 随着城市山区高速公路建设的加快，越来越多 的山岭隧道需要修建。查明隧址区的地质条件和不 良地质作用是隧道安全建设的需要，亦是隧道工程 地质勘察工作的主要目的。但是，与一般岩土工程 doi:10.3969/j.issn.1007-1903.2016.04.006 Vo1.11 No.4 December，2016 第 11 卷 第 4 期 2016 年 12 月 城市地质第11卷 第4期35 相比，隧道工程的隐蔽性、施工复杂性、地层条件 和周围环境的不确定性更为突出，加大了施工技术 的难度（路美丽等，2004）。为克服地质条件复杂、 交通不便和工期紧迫的困难，并保证勘察质量，为 设计提供合理、可靠的岩土指标及围岩质量评定结 果，在勘察过程中采用多种技术手段相结合的综合 勘察方法，全方位验证，可以达到更佳的勘察效果。 1 工程概况 西山隧道位于北京市海淀区西部北京植物园附 近，是上庄路南延重要工程。隧道呈近南北走向 穿越北京西山余脉，其南侧洞口位于北京植物园 人工湖东侧约 60m，距五环路约 800m；北侧洞口 位于南羊坊村南，距黑龙潭路约 2.1km（图 1）。 隧道洞身地形呈锯齿状起伏，沟梁相间；地形复 杂，交通不便。该隧道设计为双洞分离式隧道， 隧道左线 1K3+9301K6+940，长 3010m，隧道右 线 2K3+9262K6+973， 长 3047m， 设 计 高 程 在 56.4772.80m 之间。隧道建筑限界为高 7.60m，净 宽 14.11m，两洞相距 15.077.0m（北京市勘察设计 研究院有限公司，2011）。 2 区域地质背景 隧址区位于太行山脉的延伸地带，靠近北京平原 的山前边缘地带，场区地形起伏较大，属构造剥蚀低 山、丘陵地貌，总体地势中部高、南北两侧低，最高 处位于线路中部寿安山山顶，高程约 407m，南北两 侧斜坡高程一般在 6585m。山体主体呈近东西向走 向，地形切割一般，山坡坡度 35 45 ，局部陡峭。 该区域出露的前第四系主要包括二叠系石盒子组、 三叠系双泉组、侏罗系南大岭组和九龙山组，主要岩 性以砂岩、砾岩为主，岩体节理裂隙较发育；第四系 主要分布在山麓斜坡、冲沟及斜坡洼地地带，成因较 为复杂，包括残坡积、洪坡积和人工堆积层等类型。 大地构造处于华北地台燕山台褶带西山迭拗 褶门头沟迭陷褶，地壳变形以褶皱方式为主，九 龙山香峪向斜属区域主体构造，西山隧道主体位 于该向斜东端（图 2）。受区域地质构造影响，山 岭隧道沿线及两侧一定范围内岩体中次生断裂、节 理裂隙较发育，对隧道工程建设具有一定影响。 隧址区地下水类型主要为松散岩类孔隙水和基岩裂 隙水。其中，第四系孔隙水呈透镜状分布，主要分布于 山麓斜坡带、 山间洼地和冲沟处碎石或碎石混粘性土中 ； 基岩裂隙水主要赋存于二叠系、三叠系和侏罗系凝灰质 砂岩地层中，以侧向径流和泉为主要排泄方式。 3 山岭隧道的综合勘察方法 3.1 一般原则 隧址区地形地质条件复杂，洞身范围内岩土性 西山山脉 北五环 西五环 京 藏 高 速 公 路 永 丰 路 上 庄 路 闵庄路 黑龙潭路 图 1 西山隧道工程位置示意图 Fig.1 Location map of Xishan tunnel 图 2 隧址区综合地质剖面图 Fig.2 Comprehensive geological section of tunnel site area 2016 年 36 质变化很大，仅凭地质测绘和钻探难以查明地下地 质情况。针对隧址区的地质特征，宜采用物探方法 划分土岩分界和确定风化层的厚度，采用物探结合 其他勘探手段的综合勘探方法查明隧址区的地质条 件及不良地质体分布，并对各种勘探方法得出的结 果进行比较和验证，给出综合的评价结果。 3.2 综合勘察方法 （1）工程地质测绘工作先行 “测绘为先、钻探后行”，这一方面说明工程 地质测绘在工程地质工作中的基础地位，同时又能 为后续的钻探和物探工作做好铺垫。在山区地形地 质条件复杂的情况下，以比例尺 1:1000 地形图为底 图，采用纵横穿越、布点、追索等方法，调查隧道 工程沿线及附近一定范围（不少于 200m）的地形地 貌或微地貌单元、岩土分布特征及各岩层之间的接 触关系，查明控制和影响线路的各种不良地质作用 发育类型、成因、规模及危害程度，收集地质构造 尤其是断裂构造的证据，进而确定构造断裂带的分 布范围、宽度、岩体破碎程度等。 （2）钻探孔多样化使用 地质钻探是综合勘察中对地质测绘成果进行检 验的“直观、有效的”手段，也是采集工程地质主 要参数的重要方法，同时也为物探资料的解释提供 可靠的参数。本次勘察根据不同地形条件、隧道路 面设计纵断图、地层结构及岩体类别等，合理选用 钻机进行钻探。钻孔原则上沿隧道中心、洞壁外侧 5m 以外布置，钻孔深度不少于路线设计高程以下 5m，遇不良地层适当加深。全孔采芯，保证采取率 满足规范要求， 详细记录地层岩性特征、 地下水埋深、 进尺速度及钻探异常等。 此外，在勘察时要发挥“一孔多用”的效果， 单个钻孔除钻探成孔和采集岩、土、水样外，还应 策划和设计进行物探和水文等综合测试，如波速测 试评价碎石土密实度及基岩风化程度，孔内超声评 价围岩的完整性和基本质量等级；根据需要进行抽 水、 提水和压水试验， 确定地层的孔隙率和渗透系数， 为隧道涌水量估算提供参考；必要时开展孔内水压 致裂地应力测试，确定围岩的地应力大小和方向。 （3）物探解译补充与验证 在地形困难、地质条件复杂的山区越岭段和特长 隧道地质勘察中，综合物探是伴随测绘和钻探必须开 展的一项工作，亦可解决搬运钻机的困难。同时，多 种物探方法配合进行往往能收到良好的效果，并且能 相互验证、取长补短、解决物探手段“多解性”问题。 在实际工作中综合探测对象范围、深度、规模 及周围介质的物性差异，采用高密度电法、大功率 激电测深的物探方法进行综合判识，并与钻孔验证 对照分析， 主要目的是查明隧道沿线的覆盖层厚度、 地质界线、断裂破碎带分布情况、基岩风化程度和 地下水赋存状况等。采用孔内电阻率法测试地层的 电阻率分布情况，通过孔内超声波和岩心超声波测 试分别获得岩体和岩块超声速度，并以此两项指标 作为围岩基本质量分级评价提供技术参数。 （4）综合评价与研究 在研究以往地质资料、现场地质调查、工程地 质钻探测试、水文地质勘察、地球物理勘探解译等 资料的基础上，分析隧址区的地质构造、岩土体结 构和地下水分布特征，全面、客观地评价隧道进出 口段边坡及仰坡稳定性，隧道围岩质量与稳定性， 隧道涌水量，地应力及有害气体等工程地质问题， 并评价隧道工程建设与当地环境的相互影响。综合 分析需要贯穿整个隧道工程勘察的全过程，这样才 能充分显示综合勘探的合理性、优越性，达到高质 量与高效率（吴长利，2006）。 4 综合勘察的主要技术成果 4.1 地层岩性特征及分布 根据地质调查、岩芯鉴定和土工试验的结果， 并结合物探解译成果，对地层岩性特征及分布进行 了归纳总结： 隧 道 进 口 段（ 桩 号 1K3+9301K4+035、 2K3+9262K4+066） 和 出 口 段（ 桩 号 1K6+585 1K6+940、2K6+6302K6+973）岩性主要由第四系 残坡积、洪坡积土层（碎石、碎石混粘性土、粘性 土及粉土）组成，局部为强风化中等风化的二叠 刘衡秋：北京地区不同介质的土柱淋滤水质试验研究 城市地质第11卷 第4期37 系砂岩和侏罗系凝灰质砂岩，围岩工程性质总体较 差，不易成洞，基本无自稳能力；局部碎石土呈透 镜状含水层分布，水量变化较大，地下水作用将使 围岩的力学性质降低。 山麓斜坡带洞身段（桩号 1K4+0351K4+819、 2K4+0662K5+000、1K6+4101K6+645、2K6+455 2K6+630）隧道围岩包括第四系碎石、碎石混粘性土 和二叠系强风化中等风化砂岩及三叠系和侏罗系强 风化中等风化凝灰质砂岩。 松散土层自稳能力很差， 基岩岩体较破碎较完整，以镶嵌碎裂或裂隙块状结 构为主， 局部地段赋存有构造裂隙水， 自稳能力一般； 此区段需注意土、岩接触面过渡段的掌子面会出现软 硬不均组合地层，围岩自稳能力差，拱部无支护时可 顺土岩接触面产生中大规模塌方。 山岭洞身段隧道围岩主要由三叠系和侏罗系凝 灰质砂岩、砾岩及局部玄武岩组成，以微风化为 主，局部（桩号 1K4+8191K5+040 和 2K5+000 2K5+060）强风化中等风化，岩质较坚硬坚硬， 整体稳定性较好，成洞性较好一般；由于构造 变形影响，桩号 1K5+9001K5+970 和 2K5+900 2K5+950 段围岩自稳能力较差。 4.2 隧道围岩分级 根据地质测绘、钻探、综合物探及室内岩土试 验结果，结合隧道所处地形地貌、围岩岩性及稳定 性特征、地下水赋存条件等，参照相关技术标准确 定围岩分级（表 1）。 4.3 构造变形破碎带 高密度电法和激光测深法两种方法探测的低阻 异常带空间分布具有较好的一致性，在 23# 钻孔和 29#钻孔之间均探测到两个岩体破碎带 （图3、 图4） 。 其中，2 线隧道 2K5+5402K5+660 区段的破碎带 D1 仅发育于拟建隧道上部，没有向下穿越隧道工程， 但受其影响隧道工程范围内岩体相对较为破碎，26# 钻孔揭露此部位分布有地下水；1 线隧道 1K5+900 1K5+940 区段的破碎异常带 D2 从浅部发育并向下延 伸穿越拟建隧道工程， 破碎带宽度约4060m， 倾向北， 影响范围可达 100150m，岩体表现为破碎极破碎。 5 不良地质条件下的防治措施 （1）稳定性差的围岩 在松散、软弱、破碎等稳定性差的围岩、锚喷 表 1 1 线隧道洞身段围岩分级列表 Tab.1 Lists of wall rock classification of line 1 tunnel hole 分段里程工程地质特征围岩分级 1K4+0351K4+520碎石土及全风化强风化二叠系砂岩V2 1K4+5201K4+680全风化强风化二叠系砂岩V1 1K4+6801K4+720土岩接触面V2 1K4+7201K4+819强风化中风化侏罗系凝灰质砂岩 3 1K4+8191K5+040强风化中风化侏罗系凝灰质砂岩，局部玄武岩 3 1 1K5+0401K5+525微风化新鲜侏罗系凝灰质砂岩 1K5+5251K5+660微风化新鲜侏罗系凝灰质砂岩，构造破碎带 2 1K5+6601K5+850中风化侏罗系凝灰质砂岩 1 1K5+8501K5+900微风化新鲜侏罗系凝灰质砂岩，存在基岩裂隙水 1 1K5+9001K5+970微风化新鲜侏罗系凝灰质砂岩，构造破碎带V1 1K5+9701K6+220微风化新鲜侏罗系凝灰质砂岩，存在基岩裂隙水 2 1K6+2201K6+410微风化侏罗系凝灰质砂岩，上部分布基岩裂隙水 2 1K6+4101K6+500中等风化微风化侏罗系凝灰质砂岩，以镶嵌碎裂结构为主 1 3 1K6+5001K6+645强风化全风化凝灰质山岩与第四系土层V1 V2 2016 年 38 支护应紧跟开挖工作面，一般是先素混凝土、再进 行系统锚杆支护，再挂网喷混凝土、必要时加钢拱 架等。围岩稳定性较差或者极差的情况下，采用小 导管注浆、打超前锚杆或大管棚进行超前支护（樊 治国，2014）。 （2）断层破碎带 施工应遵循“先预报、预加固、短进尺、弱爆破、 强支护、早封闭、勤量测、快反馈、控变形”的原 则，配备水平钻机、陆地声纳仪、地质预报仪等仪 器，结合常规地质法、声波法、地球物理法等手段 进行地质超前预报，按照“石变我变”的动态原则 组织施工（周强，2013）。断层破碎带一般地段拱 部采用长管棚进行预支护，管棚长度 20m，每次开 挖 16m。 （3）岩溶地段 对于隧道穿过可溶岩与非可溶岩接触带、断层 破碎带等地段，预计地下水较大，根据实际情况采 用“以堵为主，限量排放”的原则，达到堵水有效、 防水可靠、经济合理的目的。岩溶处理主要以 注浆加固、封堵、充填封闭、输导、跨越等措 施，施工时根据不同的岩溶形态、规模、充填 物情况、含水情况和地下水活动情况、地质情 况等综合确定处理方案。 6 结论 对于重要且复杂的山岭长隧道工程来说， 地质勘察要求方法可行、资料质量高、围岩分 级准确，采用地质测绘、钻孔综合测试、综合 物探和室内试验等综合勘察方法，是必要且行 之有效的，并可克服地质条件复杂、交通不便 和工期紧迫的困难。采用综合勘察方法，其优 点是对自然界千变万化的地质体，使用多种手 段进行