城市深埋隧洞勘察新技术与应用

王锐 李爱国 冯建伟 曾剑华 何爱文 高健

摘要：城市深埋隧洞建设过程中要下穿城市建成区，既有建筑物、地铁、铁路、高速以及地表水体等，勘察难度大、地质风险高。以罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程为例，围绕城区勘察作业环境下穿建筑物多、声磁电干扰强、勘探作业风险高、环境保护要求严等难点，开展了大顶角超深斜孔钻探技术、抗干扰地面物探技术、地下管线排查技术等勘察技术的探索。针对严重影响TBM掘进和隧洞运行安全的不良地质体，在隐伏断裂精准定位、高保真取芯、孔内岩体变形试验、水文参数精细化测试等方面进行了技术或工艺上探索，并将BIM等信息化技术应用于该项目不良地质体勘察中，提高了各类不良地质体分布、工程特性的勘探精度。

关键词：城市深埋隧洞； 勘察技术； TBM； 地质风险； 罗田水库—铁岗水库

中图法分类号： TV221.2

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.013

0引 言

随着中国水网、交通网等工程的大规模建设，长距离深埋隧洞工程越来越多。隧洞围岩岩性、岩石强度、岩体完整程度、结构面特征和透水性等围岩主要特性和地下水、地温、地应力、有毒有害气体以及放射性物质等围岩赋存环境，决定了隧洞的围岩类别、掘进工艺和工程投资等，甚至影响工程建设的成败［1-4］。

目前，国内外深埋长隧洞的勘察技术还不成熟，存在的问题主要表现在：① 深埋长隧洞下穿城市建成区，地下管线、地表水体、地铁、高速公路、铁路等制约因素多，传统勘察手段适宜性差［5］；② 隧洞穿越地层岩性多，城市建成区隐伏构造发育，地质条件复杂，传统勘察技术手段难以全面获取隧洞围岩特性与赋存环境；③ 断裂破碎带［6-8］、风化深槽［6］、围岩稳定［6］、突水涌泥［6，9］、超硬岩［6］、蚀变岩体［6，10］等地质风险高，传统勘察技术针对性不强、精细化不够；④ TBM施工对勘察成果的精度更敏感，对勘察准确性要求更高。

为总结一套针对城市深埋长隧洞围岩特性与赋存环境的勘察技术，本文以罗田水库—铁岗水库城市深埋输水隧洞工程为例，开展深埋长隧洞综合勘察技术研究，以查明隧洞围岩特性与赋存环境，为优化深埋长隧洞工程设计及施工方案、保障施工及运行安全、维护沿线生态环境提供技术支持。

1工程情况及勘察重难点

1.1工程概述

罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程全长约21.6 km，隧洞埋深50～190 m，设计输水规模260万m3/d，开挖洞径6.7 m，为城市深埋隧洞。主干线拟采用TBM施工，分为4个TBM 施工段，设2号、3号、5号3个工作井，2个地下阀室，2条施工隧洞。

1.2地质条件

输水隧洞沿线第四系分布广泛，厚度不均，一般厚约8～20 m。城区段表层多为人工填土，其下为淤泥质土、黏土、砂及砂砾石等。丘陵段地表主要为残坡积砂质黏土、黏土。

罗田水库—铁岗水库输水隧洞沿线自北向南分布变质岩、沉积岩、岩浆岩三大类。变质岩主要为震旦系黄婆山组（Zh）片麻岩；沉积岩为侏罗系塘厦组（J1-2t）、桥源组（J1q）、金鸡组（J1j）以及三叠系小坪组（T3x）粉砂岩、泥岩、石英砂岩、砂砾岩等。岩浆岩为白垩纪燕山四期（ηγ5K1、γβ3K1）和奥陶纪加里东期（ηγO1）花岗岩（图1）。

1.3勘察难点

（1） 环境制约因素多。

① 下穿建筑物多：隧洞沿线依次下穿城市建成区13个地表水体、4条铁路、4条高速公路。② 声磁电干扰强：城市高压线、变电站、地铁、轻轨、铁路、大型厂矿、建筑等强大的电磁环境，对地面物探工作干扰强，易造成资料处理中的“假异常”。③ 勘探作业风险高：通讯、电力、水务、燃气等地下管道密布，管线权属复杂、位置分布图搜集难、非金属管线和大埋深管线探测困难，勘探误伤地下管线引起安全事故的风险高。④ 环境保护要求严：罗田水库、铁岗水库为一级水源保护区，下穿省级罗田林场、凤凰山生态保护区和宝安城市繁华建成区。

（2） 工程地质条件复杂。

沿线分布有沉积岩、变质岩、岩浆岩三大岩类，软硬兼有，工程区内构造活动频繁，断裂构造发育，共有12条规模较大的断裂；断裂破碎带、风化深槽、围岩稳定、突水涌泥、超硬岩、蚀变岩体等地质风险高，将造成TBM刀具磨损、卡机、泥饼、塌方等问题，影响掘进效率。

（3） TBM施工对勘察精度要求高。

不良地质体对TBM掘进的危害性大；超前地质预报一般情况下并非全洞段均开展，也不能在TBM掘进过程中实时开展；前期勘察中对各类不良地质体须进行精准勘察，为TBM设备选型、订制提供依据。

2长距离深埋隧洞勘察技术

2.13D实景建模-倾斜摄影技术

通过对倾斜摄影影像进行质量检查、影像纠正、量测同名点、正射矫正、大地面镶嵌、创建数据仓库等步骤后，将所有的影像纳入到一个统一的实景影像系统中。处理过程中需要使用本地高精度的DEM 数据，倾斜影像的数据处理不进行类似于4D数据生产的过程，其数据处理结果即为一个实景影像系统。

2.2地质技术

（1） 野外地质信息采集系统。

野外地质信息采集系统、采集方法及采集系统的应用方法为长江岩土工程有限公司自主研发的一款野外测绘数据采集、钻孔数据采集的应用软件。基于移动平台的GPS芯片和磁场、方向及重力传感器，开发了智能数字地质罗盘，实现了地质点精准定位和地层产状信息的自动采集。可快速采集地质体特征信息，在后台数据处理后可快速生成电子文档，绘制钻孔柱状图、地质平面图、地质剖面图，生成节理裂隙统计分析图表，实现边坡稳定性分析、滑坡稳定性计算。

（2） BIM技术。

利用野外地质信息采集系统完成工程区地形地质信息收集，实时导入数据库管理系统终端，进行数据的存储、统计、分析、处理，将处理后的地形及地质信息导入三维协同设计平台3DE平台，建立动态可视化三维地质模型，完成协同设计。

2.3物探技术

（1） 地下管线探测技术。

主要有电磁法、地质雷达法、高密度电阻率法、瞬态瑞雷波法。

该项目对勘探点、工作井、分水支线均采用管线探测仪进行了断面测量，以感应法、夹钳法和工频法为主，管线平面定位以极大值法为主，深度定位以70%测深法为主。对工作井、分水支线管线探测仪（电磁法）综合管线探测成果运用地质雷达法进行了复核，对疑难位置勘探点进行了断面测量。采用高密度电阻率法对深埋大直径金属管道进行了探测。采用瞬态瑞雷波法对大直径非金属管道进行了探测。

（2） 地面精细化综合物探技术。

主要采用了微动探测、可控音源大地电磁法、高密度电阻率法。

微动探测技术是指对天然场源微动信号进行数据处理提取Rayleigh波频散信息，通过反演该信息获得地下介质横波速度结构，分析地质体与周围介质的波速差异，从而查明或解决有关工程地质问题。

通过对微动探测、可控源音频大地电磁法、高密度电阻率法成果与钻探揭露地质情况进行对比发现，在城市复杂环境条件下，微动探测线具有施工灵活、工效高等特点。根据视横波速度断面图能够进行覆盖层厚度划分、隐伏地质构造（断层、风化深槽等）解译等，整体探测效果较好；架空高压线对可控源音频大地电磁法、高密度电阻率法均存在干扰，在成果图中存在“假异常”，相较于可控源音频大地电磁法，架空高压线对高密度电阻率法的影响范围较小。该项目城市复杂条件物探勘察所选用的方法技术，探测效果以微动探测最优，高密度电阻率法次之，可控源音频大地电磁法较差。

2.4钻探技术

（1） 半合管取芯技术。

半合管取芯技术相比于普通单管取芯、双管取芯技术，岩芯采取率高，对破碎岩体、蚀变岩体、风化岩体等有高取芯技术要求的特殊岩土体适应性强。该项目大规模采用半合管取心技术，取得了良好的效果。即使在节理、裂隙极发育，岩体极破碎的地层中，岩芯采取率也能达到 95%以上，且岩芯扰动小，能较好地反映出原地层的构造特征。

（2） 大顶角超深斜孔钻探技术。

为适应隐伏陡倾断裂、下穿地表水体、下穿城市建筑物等特殊部位的勘探需求，长江岩土工程有限公司研发了大顶角超深斜孔钻探技术。采用塔机一体式斜孔钻机、大顶角超深斜孔四脚钻塔等设备，套管定向程序、斜孔钻进泥浆工艺、高效碎岩电动式和机械式冲击器等措施，完成大顶角超深斜孔钻进。钻探过程中，为有效预防钻孔弯曲、控制钻孔轨迹，采用测斜仪在钻孔实施过程中对孔斜实时测量并纠偏。

在输水隧洞下穿月亮湖、月牙湖、上下村排洪渠、合水口排洪渠、公明排洪渠、阿婆髻水库隧洞段共完成8个大顶角斜孔，对物探解译异常点中可能存在的陡倾断裂完成了4个大顶角斜孔，共计1 258 m进尺，其中最大顶角达57°，最大孔深达160 m。

2.5检测与测试技术

（1） 微水振荡技术。

微水试验是通过瞬间井孔内微小水量的增加（或减少），而引起井孔水位随时间的变化规律，确定含水层水文地质参数的一种简易方法。在输水干线、TBM工作井共选取19个钻孔开展微水震荡试验。

经提水试验、传统压水、随钻压水、微水振荡等多种试验方法测试的隧洞围岩水文地质参数见表1，逐段压水试验反应了孔内某部位岩体渗透性，但对断裂带、裂隙密集带、全—强风化带等岩体破碎部位适应性差；提水试验、微水振荡试验反应了钻孔全孔段岩体综合渗透性，有效补充了部分孔段无法开展压水试验而缺失的岩体渗透特性，为隧洞涌水量预测及施工方案设计提供了有力依据。

（2） 钻孔孔内变形试验。

钻孔径向加压法变形试验是在钻孔中通过对一定长度孔壁施加径向压力并测取孔壁的径向变形，按弹性力学平面应变问题求得测试部位岩体的弹性模量和变形模量。该工程共完成孔内变形试验6孔，测点86点，其中沉积岩区2孔，侵入岩区4孔。现场孔内变形试验：燕山四期（γβ5K1）粗粒斑状黑云二长花岗岩变形模量7.3～28.4 MPa、平均值199 MPa，弹性模量14.2～38.8 MPa、平均值28.8 MPa。室内力学试验：燕山四期（γβ5K1）粗粒斑状黑云二长花岗岩变形模量19.3～39.9 MPa、平均值29.5 MPa，弹性模量25.1～50.4 MPa、平均值41.1 MPa。对比室内力学试验与现场孔内变形试验成果可知，变形模量、弹性模量的室内力学试验成果普遍高于现场孔内变形试验成果。

3结论与展望

3.1结 论

（1） 罗田水库—铁岗水库输水隧洞沿线建（构）筑物类型多，下穿丘陵、山地、河流、水库、地铁、高铁、高速公路及城市建成区。地层时代自震旦系至侏罗系，沉积岩、变质岩、岩浆岩三大岩类均有涉及。地层界线、断裂构造隐伏，断裂数量多、规模大、性状差。风化深槽、断裂破碎带、软弱围岩、蚀变花岗岩、有毒有害气体及高地温等不良地质体可能导致的地质风险和环境问题突出。受地下管线、声磁电强干扰、城市交通、环境保护和文明施工等因素制约，勘察作业难。

（2） 依托罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程，围绕城区勘察作业环境下穿建筑物多、声磁电干扰强、勘探作业风险高、环境保护要求严等难点，开展了大顶角超深斜孔钻探技术、抗干扰地面物探技术、地下管线排查技术等勘察技术的探索，并在勘察中进行了应用，解决了制约城区勘察的不利因素。

（3） 针对严重影响TBM掘进和隧洞运行安全的不良地质体，在隐伏断裂精准定位、高保真取芯、孔内岩体变形试验、水文参数精细化测试等方面进行了技术或工艺上探索，同时在BIM等勘测信息化方面开展研究，并应用于此项目不良地质体勘察中，提高了各类不良地质体分布、工程特性的勘探精度。

3.2展 望

随着国家经济发展、工程建设不断增多，长距离深埋隧洞TBM施工技术应用愈加广泛，TBM对勘察精度的敏感性更高，为此TBM施工超前地质预报作用愈发明显。目前国内TBM施工超前地质预报研究尚处于起步阶段，未来应探索形成一套完整的TBM施工超前预报技术和TBM施工超前预报管理系统。

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（编辑：黄文晋）