勘察方法在山区公路隧道选址中的运用

傅洪金

（福建省交通规划设计院，福建 福州 350004）

1 引言

山区隧道经常遇到地层岩性多变、地质构造和水文地质条件复杂等问题，部分还会受采矿区、岩溶等不良地质作用的困扰，特别是工程地质条件复杂的长隧道、特长隧道。所以，根据工程地质条件选择山区隧道的位置，是山区隧道安全风险避让和工程造价控制的关键。而合理有效地运用综合勘察手段，查明山区隧道的工程地质条件，是山区隧道位置优选的前提。

对于山区隧道的位置选择，JTG/T D70-2010《公路隧道设计细则》[1]和JTG C20-2011《公路工程地质勘察规范》[2]提出了越岭隧道位置选择的原则性要求。但在实际工作中，要把隧道选择在工程地质条件最好的位置，无疑是非常困难的，这也是隧道工程地质勘察中意义重大但又艰难的任务。

福建白土岩隧道穿越了多个不同时代、不同岩性的地层，遇到了岩溶、软弱岩层和地下水丰富等诸多地质难题，工程地质条件复杂。该隧道勘察过程中，在充分收集利用区域地质资料和针对性的工程地质测绘成果的基础上，合理有效地运用物探、钻探和现场试验等综合勘察手段，提出了工程地质条件优化的隧道线位方案，从而避开了岩溶和突水隧道难题，极大节省了工程造价。

本文深入总结、分析了该山区公路隧道的工程地质条件和勘察工作方法的应用，分析、研究了山区隧道工程选址中工程勘察方法的运用，为山区隧道的工程地质勘察提供借鉴和参考。

2 隧道工程地质概况

该隧道位于龙岩市永定县白土村，穿越一北西向山岭，属低山—丘陵地貌，植被发育，山坡坡度20～35°，局部可达40°左右。白土岩隧道为分离式双线双洞公路隧道，净宽高10.25m×5.0m(宽×高)。左线2 705m，右线2 730m。进口形式为端墙式，出口形式为削竹式，隧道轴线最大埋深306m。

隧址区位于福建广平—龙岩拗陷带南段，场区上覆坡积(含碎石)粘性土，下伏基岩为侏罗系梨山组(J1l)、三叠系文宾山组(T3w)和溪口组(T1x)，地层和地质构造的平面分布见图1。

2.1 地质构造条件

根据区域地质资料和现场测绘成果，隧道区内地质构造以北东向、北西向构造为主，明显受到区域地质构造影响。

图1 隧道工程地质平面图

经勘察，该隧道区地质构造以断裂为主，褶皱为次。在隧道南段的侏罗系梨山组(J1l)地层中发育一向斜构造，轴向296°，物探显示轴部为低阻异常区和断续的地震低速带，推测岩体破碎。受断裂构造影响，隧道中段三叠系文宾山组(T3w)地层产状凌乱，小褶曲发育，物探显示轴部为低阻异常区。

2.2 地层岩性

隧道区内上覆坡积(含碎石)粘性土，下伏基岩为侏罗系梨山组(J1l)砂岩、粉砂岩夹砂砾岩，三叠系文宾山组(T3w)泥质粉砂岩、炭质粉砂岩和溪口组(T1x)石英砂岩、钙质粉砂岩、泥质粉砂岩夹灰岩透镜体。

从岩性及其岩石抗压试验成果可看出，文宾山组(T3w)的泥质粉砂岩、炭质粉砂岩呈薄层状，单轴饱和抗压极限强度Rc＜20MPa，为软岩—较软岩，工程性质差。梨山组(J1l)(区域地质资料为J1xy)细砂岩、粉砂岩夹砂砾岩多呈中厚层状，Rc一般35～70MPa，工程性质明显较好。

溪口组(T1x)上部为粉砂岩、泥质粉砂岩，中薄层结构，Rc一般＜30MPa，为较软岩；下部多为钙质粉砂岩、石英砂岩、粉砂岩夹灰岩透镜体，中厚层状结构，Rc＞35MPa，工程性质明显较好，但灰岩可能有岩溶发育，对隧道影响明显。

2.3 地下水特征

影响该隧道工程建设的地下水主要为断裂破碎带、节理带、裂隙带中的构造承压水，受大气降水和上部基岩风化带地下水的补给，富水性差异大。根据勘察，该隧道富水构造主要为F4、F7断层和隧道南段的向斜轴部裂隙带。

由于溪口组(T1x)局部有灰岩透镜体发育，该隧道可能局部存在岩溶水。

2.4 不良地质作用

该隧道总体上不良地质作用不发育，但由于溪口组(T1x)局部有灰岩透镜体发育，该隧道可能局部受岩溶作用影响。

2.5 隧道主要工程地质问题

(1) 岩溶作用：灰岩透镜体中可能有岩溶发育，根据临近民采的溪口组(T1x)矿点调查，该地层灰岩呈透镜状分布，厚10～50m，总体上岩溶作用不强。

(2) 断裂破碎带：断裂构造发育，其中F1、F2、F3、F4、F7断层规模相对较大，对隧道影响大。

(3) 褶皱轴部裂隙发育区：隧道南段发育有一向斜构造，隧道无法避让。其轴部物探显示为低阻异常区，推测该地段岩体破碎，富水性好，对隧道影响大。

(4) 富水地段：根据物探和钻探成果，F4、F7为富水断层，其中F4断裂承压水水头高于地表，隧道施工中易突水、涌水，对隧道影响大。

(5) 软岩和软弱夹层：文宾山组(T3w)的泥质粉砂岩、炭质粉砂岩和溪口组上段(T1xb)的粉砂岩、泥质粉砂岩为薄层状软岩，隧道围岩易失稳或出现较大变形等工程问题。

3 隧道勘察方法的运用

该隧道在初勘阶段发现富水断裂带等地质问题后，有针对性地开展勘探工作，为隧道位置的优选提供了工程地质依据。

3.1 工程地质测绘

收集、分析当地1∶5万区域地质图时发现，隧道线位基本与地质界线垂直，说明线位基本符合地质选线的原则要求。但隧道进口西侧300～500m处有溪口组(T1x)灰岩透镜体分布，经调查，该地为民众采矿点，采用洞采形式开采，无地质勘查资料。

由于场地植被发育，工程地质测绘未能很好地查明区内地质构造特征，但仍取得了较好的勘察成果，总结、分析如下：

(1) 溪口组(T1x)地层岩层产状总体较为稳定，上部为强度较低的薄层状泥质粉砂岩，灰岩呈透镜状分布。通过横向工程地质剖面测量(见图2)，为隧道避开泥质粉砂岩和可能的岩溶区、采空区提供依据。

图2 A′-A工程地质剖面图

(2) 文宾山组(T3w)地层大多为泥质粉砂岩、炭质粉砂岩等薄层状软岩，隧道位置尽可能选择在该地层分布宽度较小的地段布置，是减少隧道软岩坍塌和变形问题的关键。

(3) 在隧道中段发现文宾山组(T3w)地层产状凌乱，推测该地段地质构造复杂，经物探、钻探成果验证，该地段有多条断层发育，其中包括F4富水断层。

(4) 根据岩层产状变化发现，隧道南段梨山组(J1l)地层发育有一向斜构造，物探成果验证了该褶皱轴部岩层破碎、富水性较好。

(5) 现场调查发现，文宾山组(T3w)和梨山组(J1l)地层小褶曲较为发育，这可能导致该地段的隧道围岩破碎情况变化较大。

3.2 物探

该隧道区内为沉积岩分布区，地质构造条件较为复杂。针对隧道地质条件和地形条件，隧道采用折射法地震勘探和EH-4大地电磁法勘探两种物探手段。

折射法地震勘探工作主要为隧道近洞口的横向勘探线和隧道轴线上的疑似地质构造带发育地段，EH-4大地电磁法勘探工作则主要为贯通隧道轴线的纵向勘探线和疑似地质构造带发育地段的横向勘探线。

分析、研究该隧道的物探成果(见图3、图4)，该隧道取得了以下主要物探成果：

图3 YK214+580处左300-右500横断面大地电磁测深电阻率二维反演图

(1) 视电阻率反演剖面图上的线状凹谷低阻异常区多为构造破碎带或脉岩所致，其中F1、F2与区域地质图相对应，F3、F4、F5、F7为钻探验证所证实。

(2) 文宾山组(T3w)地层多呈相对低阻异常区，反映了该地层泥质粉砂岩、炭质粉砂岩相对较软、层理和裂隙发育的工程特征。

(3) 隧道南段梨山组(J1l)地层中的向斜构造轴部呈现低阻异常区，说明该褶皱轴部的岩层破碎、富水性较好。

图4 初勘隧道左线轴线物探解译剖面图

(4) 据横向物探成果分析，F4富水断层受区域性断层F2限制。所以隧道中部线位西移至F2断层以西，基本可避开F4富水断层的影响。

3.3 钻探

由于该隧道为沉积岩分布区，不同地层岩性差异大，隧道区地质构造条件也较复杂。所以，该隧道的勘探重点是：洞门和近洞口浅埋地段、不同地层分布区、物探异常带(区)、断层和地层分界线。

通过钻探和孔内原位测试、取样试验、孔内物探、钻孔抽水试验等工作，查明了该隧道各地层的岩性特征及其工程性质和区内地质构造特征，为隧道围岩分级提供可靠的依据。

4 隧道选址

由于该隧道初勘线位隧道中段经过文宾山组(T3w)泥质粉砂岩、炭质粉砂岩，岩层产状凌乱，断裂构造较为密集，分析该地段隧道围岩易发生大变形和围岩坍塌事故；特别是CK2124C钻孔出现大流量的自涌现象(涌水量约260m3/d)，涌水水头高出地表约6.0m；研究认为该地段隧道出现突水和大坍塌的概率很高，隧道设计风险大。所以，对隧道线位进行优化调整很有必要。

为此，在隧道进口侧溪口组(T1x)地层布置1条横向工程地质剖面测量线，隧道中部布置3条横向大地电磁法勘探线。经分析、研究，隧道中部的线位西移约460m后隧道工程地质条件将有以下方面的变化：

(1) 根据A′-A剖面(见图2)分析，线位调整后隧道基本可避开灰岩夹层或透镜体，从而排除岩溶作用风险。而且隧道也避开了溪口组(T1x)地层上部的薄层状泥质粉砂岩岩层，改善了进口侧隧道围岩的工程性质。

(2) 根据横向大地电磁法勘探成果(见图3)，结合其他勘察成果分析，线位调整后隧道可以避开F4富水断层，隧道施工也证实了这一结论。

(3) 调整后隧道穿越文宾山组(T3w)地层的长度有较大的减少，且断裂构造发育较少，从而提高了隧道中部的围岩级别。

根据初勘、详勘勘察成果，初勘线位隧道单洞涌水量为4 360m3/d，详勘线位隧道单洞涌水量为2 760 m3/d；围岩级别对比见下表。

隧道围岩分级统计

由此可见，线位优化后隧道围岩级别明显提高，隧道涌水量明显较小，工程造价大大降低。隧道施工建设也验证了，该隧道避开了岩溶作用和突水、涌水地段，围岩级别也明显好于初勘线位。

5 结语

白土岩隧道目前已建成通车多年，工程实践证明该隧道的工程地质选址是成功的，也说明了合理运用综合勘察手段以查明隧道的重大工程地质问题，是隧道工程地质选址的关键。

(1) 隧道勘察应综合运用工程地质测绘、物探、钻探和取样试验、原位测试、现场试验等方法，为隧道选址提供工程地质依据。

(2) 充分收集、研究包括区域地质、临近矿产勘查和其他工程勘察资料，分析哪些地段可能出现重大工程地质问题是隧道选址的前提。

(3) 加强地层岩性及其工程性质的调查和取样试验，布置垂直地层界线和隧道横向工程地质剖面测量工作，分析、研究哪些地段分布有软弱岩层或可溶性岩层，可以有效地帮助隧道位置的选择。

(4) 发现隧道存在重大工程地质问题时，横向物探工作是有效而快捷的勘探手段。对于埋深较大的山区长隧道、特长隧道，大地电磁测深技术和大功率激电法剖面测量是效果较好的物探手段。

(5) 物探成果的解译，应该在认真分析研究区内地质背景和地质体相关物性的基础上进行，并采取钻探进行修正，以确保解译的合理性和成果的可靠性[3]。

[1]中华人民共和国交通运输部.JTG/T D70-2010公路隧道设计细则[S].北京：人民交通出版社，2010.

[2]中华人民共和国交通运输部.JTG C20-2011公路工程地质勘察规范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[3]楼凯峰，周志军，史成江.岚头岭隧道勘察中EH4电磁测深技术的应用[C].第十二届全国工程物探与岩土工程测试学术大会论文集，2011：60-62.