崇雒隧道工程地质勘察综合勘察方法运用

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  [摘要]详细介绍了宁武高速公路崇雒隧道的地质特征、勘察思路、勘察组织及质量管理工作,并对其取得的良好综合勘察效果进行了总结,对今后山区高速公路隧道的勘察具有一定的借鉴意义。
  [关键词]隧道工程 勘察 综合方法
  [中图分类号] P62 [文献码] B [文章编号] 1000-405X(2015)-4-200-10前言
  宁德至武夷山高速公路是规划的国家高速公路“二纵”沈阳至海口线的第四条联络线,贯穿闽东地区、闽北地区、赣东北地区。项目的建设将极大缩短赣东北、浙西南、皖南等地通往东南沿海的距离,对构筑国家高速公路路网,完善福建省公路主骨架,尽快发挥公路网络整体利益具有重要意义。S3合同段路线全长78.290公里,双向4车道高速公路标准,设计行车速度100km/h,整体式路基宽度26.0米。
  崇雒隧道位于福建省建阳市崇雒镇和水吉镇,进口位于建阳市水吉乡村后巷北东侧约900m的山体中,出口位于崇雒乡官田村北东侧约1000m的山体中;左洞长3684米,右洞长3473米,为分离式特长隧道,净空10.75m宽×5.0m高,进出洞口均为端墙式。该隧道隧址区覆盖层较厚,岩石风化层厚度变化较大,基岩主要为云母石英片岩与花岗岩、花岗斑岩及石英斑岩,场地处于剥蚀—侵蚀区。
  本项目中标后,我院精心组织,合理策划,集中优势力量组织项目部,克服现场艰苦的自然条件,于2008年5月底完成全线的工程勘察工作。
  1地质特征
  1.1地形地貌
  隧址区属低山地貌,地形起伏较大,山坡较陡,局部陡壁陡崖,山体浑厚,沟系发育,多为“V”字型。海拔高程在245.0~628.0m之间,相对高差约383.0m,植被发育,多为杉树,间有松木杂树,竹林。
  隧道进口地面高程为270~274m,出口高程为280m,隧道轴线最高点海拔高程为610.6m,进口段山体自然坡度20~30°,出口段为30~40°。
  1.2区域地质及构造
  工程场地处于闽东火山断裂带与闽西隆起带结合部位,位于前震旦系建瓯群上亚群第二段云母石英片岩(AnZjn2b)岩体与燕山期花岗岩(γ52(3))、花岗斑岩(γπ52(3))及石英斑岩(λπ)等岩体之上。
  隧址区断裂构造主要为区域上黄墩—虞墩—五峰岗断裂,由于燕山期构造运动强烈。因燕山期花岗岩、花岗斑岩沿断裂侵入,使该断裂细化为F1~F7断裂或接触破碎带,其中F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7断裂、接触带因后期的硅化对隧道影响不大。
  隧址发育这组北东40~50°走向的压性兼扭性断裂,这充分说明它们曾一致遭受一组向南东135°和北西325°方向水平压力作用,这种压力早期强烈,以后逐渐减弱。
  根据《中国区域地质分区表》,本场地处于稳定区。隧址区周围出露基岩为云母石英片岩(AnZjn2b)与花岗岩(γ52(3))、花岗斑岩(γπ52(3))及石英斑岩(λπ)。场地处于剥蚀—侵蚀区,浅部岩石风化强烈,风化裂隙极发育,深部岩石致密坚硬。隧址区覆盖层较厚,岩石风化层厚度变化较大。
  1.3隧址岩土组合
  隧址区覆盖地层为第四系坡积层Qdl、残积层Qel,下伏为前震旦系建瓯群上亚群第二段云母石英片岩(AnZjn2b)与燕山期花岗岩(γ52(3))、花岗斑岩(γπ52(3))、硅化带及石英斑岩(λπ)。
  1.4水文地质条件
  (1)地表水
  隧址区地表水为雨源型山沟水,受大气降水和上游水补给,往下游排泄,一般枯水期流量为0.5-3L/s,丰水期10~30倍增。
  (2)地下水
  隧址区地下水主要为基岩裂隙水,受大气降水和上游水补给,往下游排泄。主要赋存于节理裂隙发育的基岩中,其分布和埋藏条件、水力特征受基岩节理裂隙的特征所控制。一般以面状渗流水在山沟边、山体斜坡低洼处排泄,未见有泉水点。
  进口段水位埋藏较浅,水位埋深在洞底板之下,标高在261.6436.m之下:出口段水位埋藏较浅,水位埋深在33.0 m~洞底板44.8m之下,标高在269.00m之下;洞身水位埋深在4.60~27.0m,标高在417.60~565.61;水体总量贫乏。F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7通过地段为岩性接触破碎带及硅化带,由于节理、裂隙被后期硅化物充填,另外地下水主要由地表水补给,隧道开挖时,不会造成突水现象。隧道洞身围岩地下水主要赋存于岩石节理、孔隙--裂隙中,并受其控制,地下水由地表水体补给,岩石中水量总体较贫乏,隧道开挖时,不会造成突水现象。
  (3)水质类型
  地下水环境类别为Ⅱ~Ⅲ类,钻孔地下水试验水质类型为Ca2+·SO42-、(Na++K+)·SO42-,经分析水质无分解类腐蚀、结晶类腐蚀、结晶分解类腐蚀。
  2隧道勘察工作思路
  本次为详勘阶段,隧道详勘阶段首先在已确定的路线范围内,对初勘地质调绘资料进行核实、补充和修正,进一步查清隧址区地形地貌、地层岩性、工程岩土类型、水文地质以及不良地质、特殊岩土的分布范围和规模等情况。然后根据隧道长短、规模及地质复杂程度等,在隧道进出口、控制不同地层岩性界面处、断层构造破碎带、软岩或含水层、不良地质部位以及竖井、斜井、车行横洞等处布置钻孔。对具备条件的部分钻孔完成后进行孔内测试孔内电视录像等,不仅可直观地观察井壁岩层的完整程度,还可准确发现地下水含水层的位置和出水量的大小。本来详勘阶段以钻探手段为主,有针对性地选择其他勘探手段,勘探工作量的大小以能够解决工程地质问题和满足施工图设计要求为原则。但是由于初勘质量极差,原调查报告显示,横切隧道轴线有47条规模大小不等的断裂,隧址围岩种类和相互关系也没有查清。业主一度想改线,但全面比选后,还是决定暂不改线,重新从初勘起步,一次性作详细勘察。   本项目隧道工程地质勘察总体勘察思路是综合运用资料收集、地质调绘、钻探、物探、挖探、室内试验、测量等多种勘察方法和手段,各自发挥其优势,相互验证相互补充,达到因地制宜,取得较好、较多成果和提高勘察精度的目的。
  3加强勘察组织及质量管理
  3.1创新勘察组织管理
  由于本项目隧址区均位于中低山和低中山区,地形整体起伏大,道路崎岖或纯粹无路、需要修筑便道,隧址缺乏水源,钻机重量大、体积大、搬运困难,油料供应非常不易,钻探人员在此恶劣条件下作业,亦极其困难,直接影响勘察安全、进度。针对重重困难,本着珍惜地勘力量,根据地形的复杂程度和不同工程部位的钻孔深度要求,针对性地选择相对轻便,易于拆卸,搬迁经济的XY-200、XY-300、Y-500等型号钻机。一方面加快了勘察进度,缩短了搬迁设备的时间;另一方面也节省了搬迁费用,合理减少人力、物力和财力开支。在钻机搬迁队伍选择方面,在当地通过市场行为组织了经验丰富的专业队伍,充分利用当地人的人脉关系,减少了地方干扰,降低了搬迁费用和耗时,提高了工作效率。针对施工钻机在因接触带、风化发育破碎遇到的程度不等的掉块、塌孔、卡钻、掉钻、漏水等事故,一方面从管理、教育等方面采取预防的措施,减少人为事故;另一方面事先对钻探技术人员进行技术培训,加强科研工作力度,为解决钻探技术难题,做好技术储备,努力提高钻探技术水平,做好相应预案,及时进行应急处置。例如对在钻探过程中普遍遇到的钻孔漏浆现象,利用黄泥锯末投球堵漏法进行处置,既经济,效果又好,针对隧道多数钻孔拉水难以到位,钻探用水匮乏的情况,大力加强地方协调,采用多级泵送的方式,将先拉到山脚下的水储存好,再从山下逐级泵送至山顶,解决了钻机用水问题。隧道勘察组织采用统筹管理,由于钻机组织及时、数量有保障、规模大、调配合理,而且在地方协调、搬运设备、钻探用水等方面采取主动出击,对难点运用集中火力,各个击破的方针,因此整体勘察进度推进较快,工期控制得较好。
  3.2质量控制
  针对本隧道项目的勘察,成立了专业的项目部,制定了健全钻探质量管理体系和规章制度,进行内部专项验收制度。配合第三方监理人员总体对钻机的精确就位、钻孔深度的精确测量、钻孔倾角与终孔孔径的严格控制、钻孔岩芯的采取率精确鉴定和按序拍照以及终孔验收负责。全隧道勘察共完成钻探3856m,共16个孔。由于引用质量管理体系,有效地保证了调查、钻孔、试验质量,从而保证了隧道的整体勘察质量。例如在具体勘察过程中通过采用高精度GPS对每个隧道钻孔进行准确定位测量,很好地解决了以往山区钻孔位置和高程不易准确确定的问题。每个钻孔的开孔、终孔及试验区段全程录像,少量钻孔还采用了孔内电视录像。在每一机场中选取一平整地块,挖深坑填埋后30米岩芯,并作永久的标志。
  4关于隧道工程地质的勘察方式
  为了准确掌握隧道区工程地质特点、水文地质环境、不良地质情况,对围岩状况进行级别分段,为隧道工程的建设与设计提供科学的工程地质资料与合理有效的处理方案,地质勘察基于遥感判释运用了隧道工程地质调绘、地质钻探、高密度电法物探法、地震勘探与钻孔超声波检测、抽水与压水试验、放射性测氡等多种方式予以综合勘察。
  4.1遥感判释解译及地质调绘
  传统岩石及岩石风化层、地质构造等的划定主要依靠野外地质调查确定其分布范围,再通过钻探手段的验证,二者结合划定岩石及风化层的厚度。由于传统的方法不能宏观地把握整个测区地质构造、岩石的分布情况,对地质构造及岩石风化层的判定将有不同程度的误差,本次利用遥感技术手段,制作了测区内的 ETM 遥感影像图及 1 ∶ 1 000 精度的三维立体影像图,通过二者的结合研究,查明了测区内水系、第四系、高植被区及花岗岩、石英斑岩、岗斑岩与变质岩的界线,为地面调查与研究奠定了坚实的基础。
  地质调绘的方法主要包括追索法与路线穿越法,对工程整个地质单元与隧道区两部分控制地质体与不良地质。与以往的方法进行比较,打破了调绘范围的限制,让调绘内容更细致、更准确。1 ∶ 1 000 精度三维立体影像图,可以利用红蓝眼镜直观的在电脑中进行高精度解译与判释,而 1 ∶2 000地形图的制作也在其基础上,遥感解译判释成果可以无缝对接至地形图中,极大的提高判释的准确性和野外调查的目的性。本次野外调查中,大部分花岗岩、石英斑岩、花岗斑岩与云母石英岩岩界接解界线在遥感解译判释的指导下,在一次调查后便可以准确的找到地层界线。同时在立体影像图的指导下不断找到花岗斑岩、硅化带的良好出露点,观测到了岩石风化层的真实厚度,为准确划分不同段落内岩石风化层的厚度、钻孔深度的布设、物探剖面线的设计及岩石主要成分的确定,都提供了准确的依据,并节约了大量的野外调查工作量。
  4.2高密度电法物探法
  存在难以钻探方式难以查证的地质,可采用高密度电物探法,物探仪器为拥有我国先进水平的重庆奔腾数控技术研究所研究的 WGMD-1 型高度探测系统,方法是用 α 排列方式予以高密度数据采集,采用国际水平的 Surfer 软件与 RES2DINV 软件进行二维电阻率成像反演。能够准确判断地质情况,改善隧道工程施工的危险性,降低严重社会问题的发生率,有时还能避免路线更改,从而节约建设项目的投资资本。
  在外业调查初步确定地层界线分界位置,岩石风化层厚度的基础上,沿中线采用高密度电法对岩石的风化层厚度进行探测,以便更加准确的了解风化线的起伏变化趋势。本次勘察采用了高精度、短测距的高密度电法,开展于钻探工作开始之前,高密度电法具有精度高、干扰小、探测深度深等优点。根据物探成果布设钻孔,使钻探能够有的放矢,取得了良好的效果。特别是在进、出洞口段岩石风化层厚度较大,与少量钻探成果验算,有效减少了钻探工作量。
  4.3地质钻探
  由于隧道区域地层与岩性变化的多样性,进行地质钻探时需要布置多个钻孔,加大钻孔分布范围。钻探方式主要是采用金刚石或合金钻进,一部分接触带地层地带、云母石英片岩浅部强烈风化的岩石粉碎,采用的是无水反循环钻进工艺。钻孔的深度除有特殊要求的钻孔外,都应当深入隧道底板设计标高 2 m ~3 m 以下。钻进岩芯采取率要求破碎岩层与强风化层不小于50%; 完整基岩不小于80%; 覆盖层不小于50%钻探钻进过程中,仔细测定地下水位,并及时记录,记录内容包括岩土分层、节理裂隙发育和状态、地下水位、钻进速率、水的颜色等。利用详细与具有代表性的钻探方式,隧道洞室围岩的岩性与整体情况能够直观显示;利用钻孔实施抽水、钻孔声波测试、水文测试、放射性检测,取样等一系列工作,以定性与定量两方面为隧道围岩的分段与分级带来有效的地质依据。   4.4地震勘探与钻孔超声波测井以及探测岩石波速
  因其隧道区域地层岩性多样化,地表风化程度严重,钻探取芯能力弱,岩芯大多为碎块、砂状以及块状。地质人员大都是通过人为因素来判断岩石风化程度,很少客观判断岩体基本质量,未能科学划分隧道围岩类型。因而,地震勘探与钻孔超声波测井以及探测岩石波速技术加以应用。地震勘探仪器采用的主要方式为折射波法,通过定性划分结合定量指标的整体分析,确定了岩石风化情况与隧道围岩类型,该方式更为合理,更具创新特色。
  4.5抽水与压水检验方式
  隧道区域属于条带状岩层组成的山岭,其水文地质单元更加复杂,含有较多含水单元与隔水层,其透水性与含水单元具有较大差异。为了能检验出准确的洞身段各岩石的裂隙性与透水性,准确预判隧道涌水量,于钻孔施工结束后分别实施抽水与压水试验。抽水及压水试验使用的是自制提桶与专业高扬程空气压缩机抽水与压水设施,其中提桶抽水试验应用于地下水位浅的地段,空气压缩机抽水和压水设施应用于地下水位深或不存在地下水的岩层内。并且还对一些钻孔实行了将抽水与压水相整合的试验,以便同单一试验进行对比。
  本工程为取得准确的水文地质资料,有针对的对不同地层不同地段采用不同压水、注水、抽水和提水试验方法,增大试验孔数,避免了常规水文试验中的“一孔之见”,增大了试验数据的精度,反复对照已经取得的成果,甄别选用,多次试验,最后取得较合理的试验数据;另外就是加大了对汇水面面积精度计算,反复拟合计算,缩小了简易地下水均衡法和水动力学法之间的误差。所提供的数据合理、方案满足设计,获设计院及业主好评。
  4.6放射性检测
  本次勘察引用煤炭地质的瓦斯测试方法与放射性测氡相结合的方法,用瓦斯测试方法的方法收集气体,用测氡的方法测试放射性。其具体方法为: 在钻孔钻遇隧道底板以上3倍洞身高岩层后开始,下采管采气同时迅速装灌后封闭,5 min 内进行解吸,获得现场氡解吸量,该方式简易可行,结果接近实际情况,具有相对开拓性。
  5结语
  本次勘察通过深入细致的调查、试验和多种勘察方法的综合运用,查明了隧址区的层性构造特征,经查证隧址区展布有7条为云母石英片岩与花岗岩、花岗斑岩及石英斑岩之间的接触带,而非47条断裂,避免了改线。由于隧道的地质进行了详细的勘探和现场调查。2011年12月2日双线贯通后的隧道,设计围岩与原设计吻合度达到98%。
  随着山区高速公路、高速铁路的不断延伸,隧道工程越来越多,隧道规模越来越大,地形、地质条件越来越复杂,勘察难度也越来越大,这就不仅要求勘察技术人员采用多种勘察手段,充分利用现代科技、先进设备,采用从宏观控制,微观深入研究,多方法相互结合、相互验证,获得正确的结论,而且也需要勘察项目负责人创新外业钻探的组织管理和质量管理模式,加强钻探技术和工艺的钻研,提高工作效率,合理控制勘察成本、进度,确保隧道勘察质量。
  合理地选择、运用工程物探技术、遥感等相关学科技术与传统的勘探技术相结合,无疑是解决工程勘察存在的技术问题的最佳途径。但是,任何的技术都有其局限性和适用性,要有效地解决某些复杂的岩土工程勘察技术问题,必须采用多种勘察手段联合使用,互相补充、互相验证。
  参考文献
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