黃星星

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004)

近年來(lái)隨著福建省公路網(wǎng)的快速發(fā)展， 城市人口的密集，交通流量的增大，城市交通網(wǎng)迫切地需要與周邊公路網(wǎng)進(jìn)行快捷的聯(lián)通，以減輕城市交通流通壓力，而對(duì)靠山發(fā)展的城市采用隧道穿越山嶺連通至省公路網(wǎng)， 有利于縮短里程，減少行車(chē)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快捷的交通，減少城市交通壓力；而此類(lèi)隧道往往地形地物、地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是山區(qū)，復(fù)雜地質(zhì)條件下的深埋特長(zhǎng)隧道勘察，成為公路勘察中的難點(diǎn)。

本文以福州城區(qū)北向第二通道工程北嶺隧道勘察工作為例， 探討綜合勘察技術(shù)方法在山區(qū)深埋特長(zhǎng)隧道勘察中的應(yīng)用。

1 工程概況

北嶺隧道位于福州市晉安區(qū)新店鎮(zhèn)廷坑村東北側(cè)至宦溪鎮(zhèn)湖中村南側(cè)山體中。 隧道右線(xiàn)起迄樁號(hào)YK4+695～YK12+678， 長(zhǎng)7983 m； 左線(xiàn)起迄樁號(hào)ZK4+695～ZK12+610，長(zhǎng)7915 m。設(shè)計(jì)隧道為雙洞分離式特長(zhǎng)隧道，最大埋深約465 m，凈空13.75×5.0 m(寬×高)；左右線(xiàn)進(jìn)口洞門(mén)采用削竹式，出口洞門(mén)采用端墻式。

2 隧址區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

隧址區(qū)位于構(gòu)造侵蝕低山地貌區(qū)， 地形起伏變化大， 進(jìn)出口段山坡坡度約15°～25°， 進(jìn)口處地面高程98.7～164 m，出口處地面高程93.5～123 m，隧道軸線(xiàn)地表最高點(diǎn)高程590 m，相對(duì)高差約366 m。 進(jìn)口段山坡坡度約為10°～15°，地形起伏不大，地表植被稍發(fā)育；出口段山坡自然坡度約為20°～25°，地形起伏較大，地表植被發(fā)育，山坡自然坡體穩(wěn)定。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造和地震

據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料， 本隧道位于閩東火山斷裂帶中北部，長(zhǎng)樂(lè)-南澳斷裂帶北側(cè)，斷裂構(gòu)造發(fā)育，區(qū)域上主要受北東東向的葉洋-貴安斷裂帶影響， 為永定-連江斷裂帶的北段，主要發(fā)育一系列北北東向斷裂，斷裂帶走向總體為NE60°，斷裂帶長(zhǎng)約28 km，寬約3.5～5 km，帶內(nèi)斷層以右旋張性或張扭性斷層為主， 各斷層平面呈平行排列，剖面呈階梯狀組合。 斷層表現(xiàn)為巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，并伴有綠泥石化、葉臘石化現(xiàn)象，部分?jǐn)鄬右?jiàn)花崗斑巖、輝綠巖及閃長(zhǎng)巖貫入，區(qū)域上呈透鏡狀或串珠狀展布。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)2016 版附錄A 及《福州城區(qū)北向第二通道工程(晉安段)線(xiàn)路工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》， 場(chǎng)區(qū)地震基本烈度為7 度區(qū)，設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度值為0.10 g，中硬場(chǎng)地土，地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期值為0.45 s[1]。

2.3 地層巖性

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆探成果表明， 本隧址場(chǎng)區(qū)表層為第四系沖洪積層(Q4al+pl)粉質(zhì)粘土層；第四系坡殘積土(Qel-dl)，下伏下伏基巖為侏羅系南園組凝灰熔巖(J3n)及其風(fēng)化層，局部見(jiàn)燕山晚期花崗閃長(zhǎng)巖(γδ53)侵入，花崗斑巖(γπ)、輝綠巖(β)、閃長(zhǎng)巖(δ)巖脈等多順構(gòu)造帶貫入。 隧址區(qū)縱斷面示意見(jiàn)圖1。

2.4 不良地質(zhì)

圖1 北嶺隧道工程地質(zhì)縱斷面示意圖

隧址區(qū)未見(jiàn)有空洞、 臨空面、 采空區(qū)等不良地質(zhì)作用；根據(jù)場(chǎng)地周邊環(huán)境地質(zhì)條件分析，場(chǎng)地周邊未發(fā)現(xiàn)滑坡、泥石流等不良地質(zhì)作用，僅隧道進(jìn)口YK4+776 洞頂右側(cè)15 m 發(fā)育一土質(zhì)崩塌，長(zhǎng)度15～20 m，高度5～8 m，厚度約為1～2 m，陡壁坡度近垂直，其規(guī)模較小，系修筑山間道路開(kāi)挖形成陡峭臨空面， 在降雨作用下土體飽和而失穩(wěn)，崩塌土體主要為殘坡積層，現(xiàn)已清理，該土質(zhì)崩塌對(duì)隧道影響較小。

2.5 水文地質(zhì)條件

本隧道區(qū)地表水主要分布于山間溝谷溪流中， 主要為多為常年性水流，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，受季節(jié)性影響變化較大。

地下水主要為風(fēng)化帶網(wǎng)狀孔隙裂隙水、 基巖構(gòu)造裂隙水，風(fēng)化帶孔隙裂隙水賦存于基巖風(fēng)化帶，水量貧乏，主要對(duì)洞口及進(jìn)洞口段的隧洞施工和圍巖穩(wěn)定有影響；基巖構(gòu)造裂隙水賦存于基巖的裂隙中，受構(gòu)造發(fā)育情況控制，一般地區(qū)導(dǎo)水性弱，但構(gòu)造破碎帶附近，其導(dǎo)水性較好，主要接受大氣降水及地下水側(cè)向補(bǔ)給，水量變化較大。

3 綜合勘察技術(shù)應(yīng)用

為查明本隧道隧址區(qū)工程地質(zhì)條件， 本隧道勘察采用了工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、淺層地震、人工場(chǎng)源大地電磁法(即可控源大地電磁法CSAMT)、大功率激電測(cè)深法、孔內(nèi)聲波測(cè)繪、地應(yīng)力測(cè)試、鉆孔水位恢復(fù)試驗(yàn)、抽注水試驗(yàn)、室內(nèi)巖土試驗(yàn)等多種勘察手段。

3.1 工程地質(zhì)調(diào)繪

在研究區(qū)域地質(zhì)背景資料的基礎(chǔ)上， 對(duì)擬建隧道兩側(cè)250 m 范圍內(nèi)， 進(jìn)行精度1：2000 工程地質(zhì)測(cè)繪工作，對(duì)不良地質(zhì)、特殊巖土路段和地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育路段，若實(shí)際情況需要時(shí)， 應(yīng)擴(kuò)大測(cè)繪范圍； 本隧道累計(jì)完成1：2000帶狀工程地質(zhì)調(diào)繪4 km2，地質(zhì)調(diào)繪點(diǎn)340 個(gè)。

主要調(diào)繪內(nèi)容如下：

①地層巖性的特征、 分布、 成因年代及相互接觸關(guān)系；②地形地貌成因、類(lèi)型、分布、規(guī)模、形態(tài)特征等；③地質(zhì)構(gòu)造的類(lèi)型、產(chǎn)狀、規(guī)模、分布范圍及其對(duì)隧道的影響；④不良地質(zhì)的類(lèi)型、分布范圍、規(guī)模、形成條件及其對(duì)隧道的影響；⑤地下水的類(lèi)型、埋深、賦存、補(bǔ)給、排泄和徑流條件，以及水系、井、泉的分布位置、高程和動(dòng)態(tài)特征等；⑥特殊性巖土的類(lèi)型、分布范圍、工程性質(zhì)及其對(duì)隧道的影響；⑦隧道施工影響范圍內(nèi)地表既有建筑分布、使用情況及隧道施工對(duì)建筑的影響[2]。

3.2 物探

本隧道勘察在初勘階段根據(jù)地形、 地物條件采用人工場(chǎng)源大地電磁法(即可控源大地電磁法CSAMT)和大功率直流電阻率電測(cè)深法(大功率激電測(cè)深法，最大供電電流達(dá)到2A 以上)，對(duì)隧道縱軸線(xiàn)進(jìn)行雙向貫通測(cè)試；前段(K4+705～K8+240) 段受到地形起伏及遠(yuǎn)期人文干擾的影響，采用抗干擾能力強(qiáng)的人工場(chǎng)源大地電磁法(即可控源大地電磁法CSAMT)， 成果見(jiàn)左右洞可控源大地電磁法CSAMT 成果見(jiàn)圖2～3；后半段(K8+200～K12+660)由于受到鄉(xiāng)鎮(zhèn)民用電及附近幾條超高壓輸電線(xiàn)路的影響， 則采用抗交流干擾能力強(qiáng)的大功率直流電阻率電測(cè)深法(大功率激電測(cè)深法，最大供電電流達(dá)到2A 以上)，成果見(jiàn)左右洞大功率激電測(cè)深法成果見(jiàn)圖4～5； 洞口段橫向斷面則采用淺層面波法測(cè)試； 在詳勘階段對(duì)原初勘物探成果異常地段和可疑構(gòu)造發(fā)育地段采用鉆探進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證， 并充分利用鉆探成果， 對(duì)鉆孔基巖段采取聲波測(cè)井法，獲取巖體與巖塊的彈性縱波速度，為計(jì)算隧道圍巖巖體的完整性指數(shù)提供參數(shù)。

圖2 北嶺隧道右洞K4+705～K8+240 可控源大地電磁法CSAMT 解釋斷面圖

圖3 北嶺隧道左洞K4+705～K8+240 可控源大地電磁法CSAMT 解釋斷面圖

圖4 北嶺隧道右洞K8+200～K12+660 大功率激電測(cè)深解釋斷面圖

圖5 北嶺隧道左洞K8+200～K12+660 大功率激電測(cè)深解釋斷面圖

本隧道勘察累計(jì)完成人工場(chǎng)源大地電磁法(即可控源大地電磁法CSAMT)7340 m 和大功率直流電阻率電測(cè)深法(大功率激電測(cè)深法)9100 m，淺層面波200 m，孔內(nèi)聲波測(cè)試10 孔，4362 點(diǎn)。

3.3 鉆探

鉆探工作量布置主要在隧道工程地質(zhì)測(cè)繪、 物探解譯基礎(chǔ)上進(jìn)行， 隧道進(jìn)出口鉆孔按橫斷面在隧道左右洞兩側(cè)進(jìn)行布置，以查明隧道進(jìn)出口工程地質(zhì)條件；洞身鉆孔重點(diǎn)對(duì)構(gòu)造帶、富水帶、物探異常帶、重要巖性接觸帶在隧道外側(cè)進(jìn)行布置，以驗(yàn)證物探異常帶，查明異常帶特征和性質(zhì)。

本隧道勘察共布置鉆孔22 個(gè)，總進(jìn)尺3312.93 m。其中大于100 m 的隧道洞身鉆孔9 個(gè)， 最深鉆孔孔深347.99 m。

3.4 測(cè)試及試驗(yàn)

本隧道在鉆孔完成后， 主要進(jìn)行的測(cè)試試驗(yàn)包括孔內(nèi)聲波測(cè)試、地應(yīng)力測(cè)試、鉆孔水位恢復(fù)試驗(yàn)、抽注水試驗(yàn)、室內(nèi)巖土試驗(yàn)等。

孔內(nèi)波速測(cè)試主要對(duì)鉆孔中-微風(fēng)化基礎(chǔ)段進(jìn)行，累計(jì)完成10 個(gè)孔，測(cè)試深度2176 m，測(cè)點(diǎn)4362 個(gè)；水位恢復(fù)觀(guān)測(cè)22 次，抽水試驗(yàn)8 孔，注水試驗(yàn)1 孔；室內(nèi)試驗(yàn)完成土樣12 組，巖樣32 組，水樣6 組。

地應(yīng)力測(cè)試參照臨近貴新隧道施工圖設(shè)計(jì)階段成果， 由于已建成的福州繞城公路的貴新隧道隧底設(shè)計(jì)標(biāo)高為72.6～126.0 m，洞身最大埋深約為465 m，本隧道隧底設(shè)計(jì)標(biāo)高為77.72～84.0.0 m， 洞身最大埋深約為482 m，兩處隧道地應(yīng)力條件及工程地質(zhì)條件相似；參照貴新隧道施工圖設(shè)計(jì)階段對(duì)貴新隧道洞身鉆孔SS10 采用水壓致裂法進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力試驗(yàn)成果， 最大水平主應(yīng)力值為13.32 MPa，ZK6+350～ZK7+440、YK6+440～YK7+540強(qiáng)度應(yīng)力為6.5，隧道埋深超過(guò)340 m 屬高應(yīng)力區(qū)，開(kāi)挖過(guò)程中可能出現(xiàn)巖爆。

4 勘察成果

通過(guò)合理有序的綜合地質(zhì)勘察， 查明了北嶺隧道的工程地質(zhì)條件，得出了以下成果。

(1)根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆孔及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，隧道圍巖以中-微風(fēng)化侏羅系南園組凝灰熔(J3n)為主，局部見(jiàn)燕山晚期花崗閃長(zhǎng)巖(γδ53)侵入，花崗斑巖(γπ)、輝綠巖(β)、閃長(zhǎng)巖(δ)巖脈等順構(gòu)造帶貫入。

(2)根據(jù)工程地質(zhì)測(cè)繪、物探成果，隧址發(fā)育11 條斷層構(gòu)造帶及8 條節(jié)理裂隙密集帶， 并經(jīng)鉆探和地表測(cè)繪驗(yàn)證，斷層構(gòu)造帶表現(xiàn)為帶內(nèi)巖體極破碎，呈土狀?yuàn)A礫石狀，見(jiàn)綠泥石化、硅化等，部分見(jiàn)花崗閃長(zhǎng)巖、花崗斑巖、輝綠巖及閃長(zhǎng)巖巖脈貫入充填； 部分?jǐn)鄬拥乇頊y(cè)繪斷裂面呈鋸齒狀，發(fā)育反向階步，斷面見(jiàn)擦痕，兩側(cè)裂隙見(jiàn)泥狀物質(zhì)充填；斷層構(gòu)造帶對(duì)本隧道圍巖級(jí)別影響明顯，圍巖級(jí)別為IV-Ⅴ級(jí)。 節(jié)理裂隙密集帶表現(xiàn)為節(jié)理裂隙極發(fā)育，裂隙面見(jiàn)鐵錳質(zhì)渲染，巖體破碎，呈中風(fēng)化，巖芯呈碎塊狀，對(duì)隧道圍巖級(jí)別有一定影響，圍巖級(jí)別為IV 級(jí)。

(3)隧道涌水量主要采用兩種方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，一是根據(jù)鐵道部《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》中的地下水動(dòng)力學(xué)法， 分別采用古德曼經(jīng)驗(yàn)公式和佐藤邦明經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)隧道單洞最大涌水量和正常涌水量；二是根據(jù)《水文地質(zhì)手冊(cè)》及《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范》中水均衡理論的降水入滲法計(jì)算隧道涌水量，綜合兩種計(jì)算結(jié)果，該隧道正常涌水量建議值為13500 m3/d。

(4)擬建隧道洞底位于二水源通道洞頂標(biāo)高以上80 m左右，對(duì)二水源通道影響較小，但對(duì)宦溪鎮(zhèn)、黃田村等附近村莊影響較大， 且隧址區(qū)在宦溪鎮(zhèn)分布3 條構(gòu)造帶(F4、F5、F6)， 其中F4 構(gòu)造帶物探顯示為低阻富水段，同時(shí)地表測(cè)繪顯示，F(xiàn)4 構(gòu)造帶附近分布水井、泉及沖溝，水井水流量為5.5 m3/d，泉流量0.005～0.02 m3/s；由于3 條構(gòu)造帶相隔較近，彼此間易形成導(dǎo)水通道，結(jié)合二水源通道在宦溪鎮(zhèn)施工期間出水量較大， 本隧道標(biāo)高高于第二水源通道、更接近地表且斷面大于第二水源通道，施工期間可能會(huì)產(chǎn)生較大涌水量， 施工時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，同時(shí)做好涌水專(zhuān)項(xiàng)預(yù)案。

(5)本次勘察地應(yīng)力測(cè)試參照臨近貴新隧道施工圖設(shè)計(jì)階段成果，對(duì)貴新隧道洞身鉆孔SS10 采用水壓致裂法進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力試驗(yàn)成果， 最大水平主應(yīng)力值為13.32 MPa，經(jīng)計(jì)算本隧道ZK6+350～ZK7+440、YK6+440～YK7+540 強(qiáng)度應(yīng)力為6.5，隧道埋深超過(guò)340 m 屬高應(yīng)力區(qū)，開(kāi)挖過(guò)程中可能出現(xiàn)巖爆。

(6)按照《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20-2011)進(jìn)行隧道圍巖的分級(jí)，根據(jù)巖石飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度(Rc)及物探測(cè)井的巖體的完整性(Kv)，結(jié)合地下水、節(jié)理裂隙、圍巖應(yīng)力狀態(tài)等進(jìn)行計(jì)算，隧道圍巖級(jí)別劃分為Ⅱ-Ⅴ級(jí)，其中Ⅱ級(jí)圍巖約占36.8%，Ⅲ級(jí)圍巖約占33.8%，Ⅳ級(jí)圍巖約占21.3%，Ⅴ級(jí)圍巖約占8.1%。

5 結(jié)論

(1)復(fù)雜地質(zhì)條件下的特長(zhǎng)隧道勘察應(yīng)在充分分析區(qū)域地質(zhì)背景基礎(chǔ)上，通過(guò)物探與工程地質(zhì)調(diào)繪相結(jié)合，采用鉆探、試驗(yàn)等多種勘察方法，相互驗(yàn)證、相互補(bǔ)充，可得出較為詳實(shí)的最終成果。

(2)隧道洞身鉆探往往花費(fèi)較大的人力、物力，應(yīng)在工程地質(zhì)調(diào)繪及物探工作完成的基礎(chǔ)上分重點(diǎn)、 分目的進(jìn)行布置，對(duì)本隧道的地層巖性復(fù)雜、構(gòu)造發(fā)育及水文地質(zhì)特殊等對(duì)圍巖級(jí)別和設(shè)計(jì)方案影響較大的地段進(jìn)行重點(diǎn)布置，同時(shí)開(kāi)展孔內(nèi)聲波測(cè)試、地應(yīng)力測(cè)試、鉆孔水位恢復(fù)試驗(yàn)、抽注水試驗(yàn)、室內(nèi)巖土試驗(yàn)等原位測(cè)試及試驗(yàn)，以充分利用鉆探成果。

(3)深埋特長(zhǎng)隧道的勘察，在選用物探方法時(shí)，應(yīng)充分考慮地形地貌、地物環(huán)境等因素，本項(xiàng)目為減少地表超高壓線(xiàn)的影響， 后半段采用抗交流干擾能力強(qiáng)的大功率直流電阻率電測(cè)深法(大功率激電測(cè)深法，最大供電電流達(dá)到2A 以上)，經(jīng)鉆探驗(yàn)證，效果較好，地質(zhì)異常均在鉆孔中有揭示；在布置物探時(shí)，可考慮先布置單軸線(xiàn)，在根據(jù)異常情況局部布置雙軸向或垂直軸向布置， 以確定異常帶走向。

(4)隧道施工應(yīng)根據(jù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、信息化施工的原則進(jìn)行，由于受地形地質(zhì)條件復(fù)雜、埋藏深度大等諸多因素的影響，無(wú)法較準(zhǔn)確判定圍巖級(jí)別，施工時(shí)應(yīng)做好開(kāi)挖斷面的觀(guān)測(cè)和描述工作， 并做好隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測(cè)工作。 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，建議采用開(kāi)挖掌子面、洞頂、 壁的巖土觀(guān)測(cè)和地質(zhì)雷達(dá)反射波法結(jié)合紅外線(xiàn)測(cè)量等方法進(jìn)行，對(duì)于可能出現(xiàn)突、涌水的富水地段，必要時(shí)建議采用超前水平鉆孔等方法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)； 并根據(jù)預(yù)報(bào)成果，相應(yīng)地調(diào)整施工方法或圍巖支護(hù)措施。