復雜地質構造條件下長大深埋隧道綜合勘察技術應用

王智毅 （安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

綜合勘察技術是指根據地形、地質條件，結合勘察階段、工程類型等，采用包括遙感、地質調繪、地質鉆探、綜合物探、綜合測井和各種試驗等在內的多種勘察手段，使取得的地質資料互相驗證、取長補短，以最經濟的勘察工作量達到最佳的勘察效果。并在地質資料整理的過程中采用綜合分析方法，將不同手段取得的地質資料進行對比分析，使獲得的地質資料更加全面、準確，為設計和施工提供可靠的地質資料。

西和至宕昌高速公路（簡稱“西宕高速”）全長100.49km，位于甘肅省南部，地處隴南山地，屬于長江流域，為典型的山區高速項目。地質條件復雜，具有地形高差大、構造發育、地層結構復雜、不良地質發育等特點。

西宕高速共設16 座隧道，其中毛羽山隧道是一條左右分離式的雙洞特長隧道，是西宕高速的關鍵控制性工程。右線長6208m，最大埋深640m；左線長6439m，最大埋深639m；設斜井1處，長1450m。該隧道于2023 年5 月完成地質勘察工作，進入施工圖設計階段。

1 隧址區地質概況

項目區地處中國大陸二級階梯向三級階梯的過渡地帶，位于秦巴山區、青藏高原、黃土高原三大地形交匯區域，境內形成了崇山峻嶺與河谷盆地相間的復雜地形。地形特點是溝谷發育、切割強烈、地表起伏大、山勢陡峻、相對高差大，凸顯出高山、高海拔、高烈度地震區與高速公路建設之間的矛盾。

圖1 工程區地貌特征

1.1 地形地貌

隧址區屬構造剝蝕中山區，地形起伏較大，最高點位于洞身山梁，高程約2417m，最低點位于出口處溝谷，高程約1738m，相對高差679m。山體走向近北西南東向，坡面自然坡度約30°～40°，洞身段發育多處沖溝。隧址區山體多基巖出露，或薄層坡積覆蓋，隧道出口及洞身溝谷兩側緩斜坡覆蓋較厚坡積層。隧址區植被覆蓋率較高。

1.2 地層巖性

勘探深度范圍內，地層主要為第四系坡積角礫（Qdl）、古近系砂礫巖（E）、三疊系官亭群中部建造層板巖（Tb）、泥盆系西漢水群第一巖性段粉細砂巖夾板巖（D22xh1）。

1.3 地質構造

工點處的大地構造屬于青藏歹字形構造體系，受構造作用影響，褶皺斷裂發育，地質構造十分復雜。工點范圍內受區域地質構造作用影響，發育有斷層、褶皺、巖層角度不整合接觸帶及節理密集帶，地質構造發育。

2 綜合勘察技術的應用

毛羽山隧道地質條件十分復雜，若僅采用地質調繪、鉆探等單一的勘察手段，難以有效地查明長大、深埋隧道的工程地質、水文地質條件，無法為線路方案比選、工程設計等提供詳細的工程地質資料，所以綜合勘察技術的應用尤為重要。

在本項目工程地質勘察過程中，采用了工程地質調繪、地質鉆探、綜合物探、孔內測試及試驗等方法和手段進行綜合勘察，確定圍巖分級，并提出了線路的優化建議。

2.1 地質調繪

毛羽山隧道共進行工程地質調繪點83 個，調繪面積6.4m2。利用1：10000路線平面圖做底圖，對路線兩側各500m 范圍內進行路線地質調繪，同時采用1：2000的平面圖，對重要工點和不良地質進行線路軸線兩側各200m 范圍內的地質調繪工作。

隧址區工程地質條件較復雜，采用追索法、定點觀察法輔以穿越法，地質觀察點間距一般20～30m，遇地層分界線、構造線和不良地質現象進行追索；對巖性差異很大的地層分界線和不良地質周界采用儀器法定位。

2.2 地質鉆探

毛羽山隧道共設置地質鉆孔13 個，計2054Lm。初勘階段，除在兩洞口處布設有鉆孔外，根據地質調繪資料，另在K90+350（2F5-1 破碎帶）、K91+600（2F5 破碎帶）、K94+750（2F6-2 破碎帶）、K95+700（2F6 破碎帶）等疑似斷裂破碎帶處布設地質鉆孔。巖芯取樣顯示破碎帶原巖成分多以三疊系中部建造層板巖、千枚巖及泥盆系砂巖為主，碎裂結構，節理裂隙發育，巖體破碎，多見方石英脈，巖芯呈碎塊狀、短柱狀。鉆探結果與地質調繪結論能相互驗證。

詳勘階段，在地質調繪工作的基礎上，結合初勘階段綜合物探的勘探成果，針對性地布設深孔鉆探，通過鉆芯取樣、巖土試驗，解決的主要地質問題如下文所示。物探反映重大異常區的驗證，隧道圍巖類型辨別，區域性大構造、斷層產狀、巖體破碎（軟弱）程度、富（導）水性、重要地質界面等辨別，地應力測試等，查明了場地地基、巖土體穩定性及圍巖的地質條件，為選擇構造物結構和基礎類型提供必要的地質資料。

根據初勘EH4 勘察結果，2F5、2F6-1、2F6-2、2F6 破碎帶位置分布上與地質調繪、地質鉆探成果基本相符，2F5-1 確認為節理密集帶溝谷。另有K93+300、K94+000 區域附近電阻率出現條帶狀低阻異常，推斷為斷裂破碎帶。由于地面表征不明顯，初勘階段地質調繪未能識別，在詳勘階段，對該兩處位置進行補充鉆探復測，該區域巖芯破碎，確定為2F6-3、2F6-4斷裂破碎帶。

2.3 綜合物探

根據毛羽山隧道情況，本次采用了音頻大地電磁法（EH4）、淺層地震、高密度電法進行綜合物探。

根據初勘階段EH4 勘察結果，在K90+200～K90+500 附近存在一向西傾斜的低阻條帶異常，推斷為斷裂破碎帶（2F5-1），破碎帶寬度約為50m，向西傾斜，傾角約為70°，經詳勘階段復測，確認為節理密集帶溝谷；在K91+600 附近電阻率呈兩高夾一低形態，推斷為斷裂破碎帶（2F5），破碎帶寬度約為60m，向東傾斜，傾角約為85°；分別在K93+300、K94+000、K94+750 和K95+100附近，有四個條帶狀低電阻異常區，推斷為斷裂破碎帶（2F6-4、2F6-3、2F6-2和2F6-1），4 條斷層均往西傾，傾角分別為60°、70°、80°、80°，寬度分別為150m、120m、125m、70m；在K95+750附近有一向西傾斜的條帶低阻異常，推斷為斷裂破碎帶（2F6），破碎帶寬度約為130m，向東傾斜，傾角約為55°。根據EH4 勘察結果，巖性判斷與調繪、鉆探資料基本相符，局部巖性判斷略有差異，以調繪及鉆探為準。揭示的7 處電阻率帶狀異常區，其中2F5、2F6、2F6-1、F6-2位置分布上與調繪、鉆探成果基本相符，2F6-3、2F6-4 由于地面表征不明顯，初勘階段未能識別為斷裂破碎帶，在詳勘階段中補充鉆探的勘探結果與物探結論相符。

圖2 EH4電阻率斷面圖

本項目采取EH4 為主要物探手段，以高密度電法、淺層地震、聲波測井為輔助手段，大致確定長大、深埋隧道圍巖的結構特征，并評價可能影響工程的斷層破碎帶及異常區域，對隧道的深孔布置、地質資料的修正、工程地質和水文地質條件的分析判斷提供了依據。

2.4 測試及試驗

本次勘探選取隧道中部部分鉆孔進行了地應力測試，從所測地應力得出的回歸公式，較合理地揭示了地應力與深度的規律。根據巖石飽和抗壓強度試驗，統計標準值為18.34MPa，分析出埋深650m 時圍巖強度應力比為1.04，不易發生軟巖大變形。但根據鉆探及取樣情況，三疊系地層多軟硬相間，板巖、千枚狀板巖互層，千枚狀板巖巖芯采取率較低，試驗樣品多集中于巖芯較好的板巖段，故分析統計的飽和抗壓強度值偏大。結合附近蘭渝鐵路施工試驗，將千枚狀板巖及板巖中的軟弱層，飽和抗壓強度按照7.0MPa 考慮。因此當埋深大于520m 時，圍巖強度應力比小于0.4～0.5，三疊系板巖段中的軟弱夾層易發生軟巖大變形。

2.5 隧道圍巖分級

根據隧道圍巖的巖土體特征、巖石的堅硬程度、巖體的完整程度、風化程度等地質條件，考慮地下水、軟弱結構面、高地應力、圍巖的縱波速度、隧道的埋藏深度等因素后，綜合評價隧道的圍巖分級。

2.6 地質選線

本項目地形地貌、地質條件復雜，新構造運動強烈?？辈煸O計過程中在大面積區域地質調繪的基礎上，與路線方案研究相配合，進行了多方案的比選，始終堅持遵循越嶺地區、不良地質及特殊性巖土區地質選線及重要工點地質選線優先的原則，始終堅持地質先行，各專業相互配合，共同分析論證，對該路段從工程地質的角度提出了線路優化建議。

經地質調繪發現，毛羽山隧道出口段路線最初位置附近存有一巨型滑坡（2HP06），且毛羽山隧道出口分布有多處滑塌。經穩定性計算分析，該滑坡體自然狀況穩定性系數為1.03，處于欠穩定狀態；暴雨工況穩定性系數為0.95，處于不穩定狀態；地震工況下，滑坡體穩定性系數為0.86，處于不穩定狀態?；麦w在施工擾動下，可能發生變形，對構造物具有一定的影響，變形失穩處治費用高，因此建議路線避開該滑坡體。

3 結論

每一種勘察方法和測試手段都不可避免地存在局限性和弊端，因此，工程勘察中，特別是地質條件較為復雜的區域，應根據工程實際需要的勘察范圍、勘察深度和勘察精度，選擇幾種恰當的勘察手段組成綜合勘察手段。

綜合勘察不是勘察手段的堆砌和羅列，而是各種手段環環相扣、相互補充、相互驗證的過程。在本次毛羽山隧道的綜合勘察工作中，首先通過對區域地質報告和前期資料的詳細研究，對隧址區構造、地層巖性、水文地質、不良地質、特殊性巖土地段等的范圍、類別、性質有了進一步的認識，然后進行工程地質調查與測繪，在此基礎上對判斷不明部分、大型構造物及主要場地進行物探、地質鉆孔，同時鉆探成果也對前期地質調繪、物探工作的成果進行驗證，最后的綜合測井等測試工作是對鉆探的驗證。

通過綜合勘察手段，地質調繪工作探明最初隧道出口線路靠近巨型滑坡，對隧道有一定的影響，提出了優化路線的建議；物探工作探明了地質調繪中未能查明的2F6-3、2F6-4斷層；地質鉆探工作根據巖芯取樣情況對地應力測試的結果進行了修正。實踐證明，綜合勘察技術的應用不僅能提高勘察質量，還可以取得良好的經濟效益和社會效益。