淺談山區(qū)高速公路隧道工程地質(zhì)勘察

【關(guān)鍵詞】高速公路；隧道；勘察方法 

　　1 公路隧道工程地質(zhì)勘察工作的目的 

　　隧道工程地質(zhì)勘察是指為隧道工程的設(shè)計(jì)、施工等進(jìn)行的專門(mén)工程地質(zhì)調(diào)查工作。查明隧址區(qū)的工程地質(zhì)條件，為公路隧道的設(shè)計(jì)提供依據(jù)是隧道建設(shè)的需要也是隧道工程地質(zhì)勘察工作的目的。主要包括以下幾個(gè)方面： 

　�。�1）隧址區(qū)所處的工程地質(zhì)環(huán)境及其穩(wěn)定性。 

　�。�2）查明影響隧道圍巖穩(wěn)定的不良地質(zhì)及特殊巖體，預(yù)測(cè)可能存在的工程地質(zhì)問(wèn)題，以及工程誘發(fā)的環(huán)境工程地質(zhì)問(wèn)題。 

　�。�3）對(duì)隧道圍巖進(jìn)行級(jí)別劃分，預(yù)測(cè)隧道開(kāi)挖可能產(chǎn)生的破壞，并提出防護(hù)建議。 

　�。�4）查明地表水的分布特點(diǎn)、埋藏條件，對(duì)隧址區(qū)水文地質(zhì)條件及地下水的腐蝕性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并預(yù)測(cè)隧道開(kāi)挖后的涌水量。 

　　2 公路隧道工程地質(zhì)勘察的手段及在各勘察階段的應(yīng)用 

　　2.1 公路隧道工程地質(zhì)勘察的手段 

　�。�1）工程地質(zhì)測(cè)繪及調(diào)查。工程地質(zhì)測(cè)繪及調(diào)查是初始階段勘察的主要手段，它能在較短的時(shí)間內(nèi)查明區(qū)域主要工程地質(zhì)條件，不需要復(fù)雜的設(shè)備和大量的資金、資料，而效果顯著。根據(jù)測(cè)繪工作對(duì)地面地質(zhì)了解的基礎(chǔ)上，往往可以對(duì)地下地質(zhì)情況作出初步判斷，為勘察試驗(yàn)工作奠定良好基礎(chǔ)，從而為合理布置勘察工作量節(jié)約勘察投資。地質(zhì)人員通過(guò)分析收集到的區(qū)域地質(zhì)資料和遙感解譯資料，現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)和描述對(duì)隧址區(qū)的工程地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)查研究，其目的是查明隧址區(qū)及其附近的地形地貌、地層巖性、水文地質(zhì)條件、構(gòu)造特征，并將有關(guān)的地質(zhì)要素以圖例、符號(hào)等按一定的比例尺如實(shí)地反映在地形底圖中，作為工程地質(zhì)預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。 

　�。�2）工程物探。地球物理勘探的簡(jiǎn)稱，它是以地下巖土層（或地質(zhì)體）的物性差異為基礎(chǔ)，通過(guò)儀器觀測(cè)自然或人工物理場(chǎng)的變化，確定地下地質(zhì)體的空間展布范圍（大小、形狀、埋深等）并可測(cè)定巖土體的物性參數(shù)，達(dá)到解決地質(zhì)問(wèn)題的一種物理勘探方法。與其它方法相比具有速度快、效率高、成本低、搬運(yùn)輕便、勘察面廣等特點(diǎn)，不僅能對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行定性解釋，在一定條件下還能給予定量分析。其方法一般包括淺層地震折射、超聲波測(cè)井、高密度電法、大地電磁法等。 

　�。�3）鉆探。鉆探是工程地質(zhì)勘察中極為重要的手段，它的特點(diǎn)是可以最為直接獲得地層巖性等地質(zhì)資料，可取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)的樣品，為孔內(nèi)波速和水文試驗(yàn)提供載體。但它在整個(gè)工程地質(zhì)勘察投資中的費(fèi)用往往很大，其進(jìn)出場(chǎng)條件困難，勘察周期長(zhǎng)，具有以點(diǎn)代面的局限，因此如何有效的使用鉆探和合理地布置其工作量顯得尤為重要，只有把物探與鉆探有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，才能提高物探的準(zhǔn)確性，同時(shí)提高鉆探的目的性、針對(duì)性和有效性。 

　　（4）試驗(yàn)及測(cè)試。試驗(yàn)包括巖土水的室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)，以及現(xiàn)場(chǎng)抽水、壓水等水文地質(zhì)試驗(yàn)等，目的是獲得巖土體的物理力學(xué)指標(biāo)、對(duì)巖土層地下水滲透及腐蝕性進(jìn)行評(píng)價(jià)。測(cè)試要包括配合鉆孔進(jìn)行的地應(yīng)力測(cè)試、地溫測(cè)試、放射性檢測(cè)等。 

　　2.2 公路隧道工程地質(zhì)各勘察階段的工作重點(diǎn) 

　　高等級(jí)公路勘察一般應(yīng)按公路基本建設(shè)程序不同階段對(duì)地質(zhì)資料的深度要求分階段進(jìn)行，一般可分三階段進(jìn)行，即工程可行性研究階段的工程地質(zhì)勘察、初步設(shè)計(jì)階段的工程地質(zhì)勘察和施工圖設(shè)計(jì)階段的工程地質(zhì)勘察。因各個(gè)階段工程地質(zhì)勘察目的不同，所采用的勘察手段和側(cè)重點(diǎn)也有所不同。 

　　在工程可行性研究階段，應(yīng)盡可能詳細(xì)地收集區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)、巖石地層、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、地震地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等方面的資料。利用遙感資料（衛(wèi)片和航片），以工程地質(zhì)調(diào)查和測(cè)繪為主，對(duì)隧道不良地質(zhì)路段布置少量鉆探工作，以便初略掌握隧道地層巖性特征及不良地質(zhì)對(duì)隧道的影響。 

　　在初步設(shè)計(jì)階段，路線的走向和位置已基本確定，進(jìn)入線路比選階段，勘察工作以工程地質(zhì)調(diào)查和測(cè)繪為主，結(jié)合少量鉆探、物探工作。通過(guò)調(diào)繪和物探已初步探明影響隧道穩(wěn)定的不良地質(zhì)路段，然后針對(duì)性地布置鉆孔，查明不良地質(zhì)路段圍巖情況，對(duì)路段圍巖進(jìn)行分級(jí)。對(duì)于滑坡、崩塌、巖堆、泥石流等嚴(yán)重不良地質(zhì)地段，一般情況下路線應(yīng)設(shè)法繞避。實(shí)在無(wú)法繞避的要考慮工程措施的可能性與可靠性，以便進(jìn)行線路比選。 

　　施工圖設(shè)計(jì)階段，工程地質(zhì)勘察的目的是詳細(xì)查明公路隧道地質(zhì)情況，為施工圖設(shè)計(jì)提供依據(jù)。需要進(jìn)行1：2000工程地質(zhì)測(cè)繪，根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪和物探結(jié)果，針對(duì)隧址區(qū)的不良地質(zhì)路段布置勘探孔，查明構(gòu)造巖溶等的發(fā)育特征，采用調(diào)查、測(cè)繪、槽探、坑探、鉆探、物探等綜合勘察手段查明場(chǎng)地巖土體組成、性質(zhì)、分布以及風(fēng)化層、不良地質(zhì)、特殊性巖土等。利用鉆孔進(jìn)行抽注水試驗(yàn)、孔內(nèi)波速試驗(yàn)，以及孔內(nèi)取樣試驗(yàn)。綜合所有資料對(duì)隧道進(jìn)行路段圍巖分級(jí)，預(yù)測(cè)隧道開(kāi)挖后的涌水量。 

　　3 公路隧道工程地質(zhì)評(píng)價(jià)重點(diǎn) 

　　3.1 公路隧道圍巖級(jí)別的劃分及穩(wěn)定性評(píng)價(jià) 

　　公路隧道圍巖級(jí)別的劃分主要根據(jù)通過(guò)計(jì)算隧道圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)修正值[BQ]進(jìn)行定量分析，同時(shí)結(jié)合巖土體特征進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。 

　　根據(jù)交通部《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD70—2004）對(duì)公路隧道圍巖的分級(jí)規(guī)定，按照隧道圍巖受構(gòu)造影響程度、發(fā)育程度、巖體結(jié)構(gòu)特征、彈性波速（VP）、巖體完整性系數(shù)（KV）和隧道圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)修正值[BQ]等因素綜合確定圍巖級(jí)別。 

　　首先確定基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值，BQ值根據(jù)下式計(jì)算求�。� 

　　BQ=90+2Rc+250KV 

　　式中：Rc—巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度，根據(jù)室內(nèi)巖石試驗(yàn)確定； 

　　KV—巖體完整性系數(shù)，根據(jù)鉆孔聲波探測(cè)值求取，計(jì)算公式為KV=（Vpm/Vpr）； 

　　Vpm—巖體彈性縱波波速； 　　Vpr—巖石彈性縱波波速。 

　　當(dāng)Rc>90K+30時(shí)，以Rc=90K+30和KV代入公式計(jì)算；當(dāng)KV>0.04Rc+0.4時(shí)，以KV >0.04Rc+0.4和Rc代入公式計(jì)算。

　　在巖體基本質(zhì)量指標(biāo)分級(jí)基礎(chǔ)上考慮地下水、軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和圍巖初始應(yīng)力狀態(tài)等因素的影響，對(duì)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ 進(jìn)行修正，巖體基本質(zhì)量指標(biāo)修正值[BQ]值按下式計(jì)算求取： 

　　[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3） 

　　式中：BQ—巖體基本質(zhì)量指標(biāo)； 

　　K1—地下水影響修正系數(shù)； 

　　K2—主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正系數(shù)； 

　　K3—初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)。 

　　K1、K2、K3取值詳見(jiàn)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD70 2004）。 

　　求得巖體基本質(zhì)量指標(biāo)修正值[BQ]后，根據(jù)表1對(duì)圍巖進(jìn)行級(jí)別劃分。 

　　對(duì)于構(gòu)造帶及進(jìn)出口淺埋段，圍巖為松散土體或破碎巖體及其風(fēng)化巖體，應(yīng)根據(jù)巖土體主要特性進(jìn)行定性分級(jí)。 

　　根據(jù)隧道圍巖的路段分級(jí)結(jié)果對(duì)圍巖巖體的破碎情況進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)隧道開(kāi)挖后圍巖可能遭受的破壞，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，并提出防護(hù)建議。例如，Ⅰ、Ⅱ級(jí)圍巖，巖體一般為完整-較完整，側(cè)壁一般較穩(wěn)定，在無(wú)支護(hù)時(shí)局部可能產(chǎn)生小掉塊現(xiàn)象，一般只需簡(jiǎn)單防護(hù)即可。Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，巖體為較破碎—破碎，開(kāi)挖后易坍塌，需要進(jìn)行錨噴、鋼架支撐等復(fù)合式襯砌。 

　　3.2 公路隧道涌水量的預(yù)測(cè) 

　　目前公路隧道涌水量的預(yù)測(cè)一般根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)》及《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》（TB10049-2004/J339-2004），主要采用地下水動(dòng)力學(xué)法及水均衡理論的降水入滲法估算隧道涌水量。 

　　3.2.1 降水入滲法 

　　根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)》及根據(jù)水均衡理論的降水入滲法《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)范》（TB10049-2004/J339-2004），按隧道匯水面積范圍內(nèi)降水的入滲率，估算隧道涌水量。地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水，其補(bǔ)給量的多少受降水強(qiáng)度、降水持續(xù)時(shí)間、地形及地表節(jié)理、裂隙的發(fā)育程度控制。采用降水入滲法初步估算隧道的涌水量公式如下： 

　　Qs=2.74a×W ×A 

　　式中：Qs—隧道正常涌水量，m3/d； 

　　2.74—換算系數(shù)； 

　　a—降水入滲系數(shù)； 

　　W —多年年均降水量。 

　　3.2.2 地下水動(dòng)力學(xué)法 

　　隧道區(qū)地下水主要為基巖中的裂隙水，水量及水位埋深受季節(jié)影響較大。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)程》（TB10049-2004/J339-2004）采用地下水動(dòng)力學(xué)法估算隧道涌水量。 

　　最大涌水量： 

　　Qm=q0·L 

　　正常涌水量： 

　　Qs=qs·L 

　　qs=q0-0.584εKr（佐藤邦明經(jīng)驗(yàn)式） 

　　式中：L—隧道計(jì)算長(zhǎng)度，m； 

　　qo—隧道單位長(zhǎng)度最大涌水量，m3/（d·m）； 

　　K—含水層滲透系數(shù)； 

　　H—含水層中原始靜水位至隧道底板的距離，m； 

　　H-r—靜止水位至隧道橫斷面等價(jià)圓中心的距離，m； 

　　r—隧道洞身橫斷面的等價(jià)圓半徑，m； 

　　d—隧道洞身橫斷面的等價(jià)圓直徑，m； 

　　ε—試驗(yàn)系數(shù)，一般取12.8； 

　　qs—隧道單位長(zhǎng)度正常涌水量，m3/（d·m）。 

　　根據(jù)圍巖分級(jí)結(jié)果通過(guò)上述方法進(jìn)行分段計(jì)算隧道涌水量，各分段涌水量之和便為總的涌水量，對(duì)涌水量大的路段應(yīng)建議開(kāi)挖后采取必要的防排水措施。 

　　4 結(jié)語(yǔ) 

　　公路隧道工程地質(zhì)勘察是各種勘察手段和分析評(píng)價(jià)方法的綜合運(yùn)用。首先應(yīng)通過(guò)資料收集與研究、工程地質(zhì)測(cè)繪及調(diào)查、鉆探、物探及各種測(cè)試試驗(yàn)等綜合勘察手段獲得較為準(zhǔn)確可靠的工程地質(zhì)資料，其次應(yīng)利用前人總結(jié)的成熟方法及經(jīng)驗(yàn)公式從不同角度進(jìn)行分析對(duì)比，最終目的是獲得控制隧道圍巖穩(wěn)定的各項(xiàng)因素，分段確定圍巖級(jí)別，進(jìn)而對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)開(kāi)挖涌水量，為隧道施工布置、各段洞身掘進(jìn)方法及程序、支護(hù)及襯砌設(shè)計(jì)提供詳實(shí)可靠的工程地質(zhì)依據(jù)。 

　　參考文獻(xiàn)： 

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　　[4]鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1999. 

　　[5]張倬元.工程地質(zhì)勘察[M].北京：地質(zhì)出版社，1981.