城市深埋隧洞勘察新技術(shù)與應(yīng)用

王銳 李愛國 馮建偉 曾劍華 何愛文 高健

摘要：城市深埋隧洞建設(shè)過程中要下穿城市建成區(qū)，既有建筑物、地鐵、鐵路、高速以及地表水體等，勘察難度大、地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)高。以羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程為例，圍繞城區(qū)勘察作業(yè)環(huán)境下穿建筑物多、聲磁電干擾強(qiáng)、勘探作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高、環(huán)境保護(hù)要求嚴(yán)等難點(diǎn)，開展了大頂角超深斜孔鉆探技術(shù)、抗干擾地面物探技術(shù)、地下管線排查技術(shù)等勘察技術(shù)的探索。針對(duì)嚴(yán)重影響TBM掘進(jìn)和隧洞運(yùn)行安全的不良地質(zhì)體，在隱伏斷裂精準(zhǔn)定位、高保真取芯、孔內(nèi)巖體變形試驗(yàn)、水文參數(shù)精細(xì)化測(cè)試等方面進(jìn)行了技術(shù)或工藝上探索，并將BIM等信息化技術(shù)應(yīng)用于該項(xiàng)目不良地質(zhì)體勘察中，提高了各類不良地質(zhì)體分布、工程特性的勘探精度。

關(guān)鍵詞：城市深埋隧洞； 勘察技術(shù)； TBM； 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)； 羅田水庫—鐵崗水庫

中圖法分類號(hào)： TV221.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

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

0引 言

隨著中國水網(wǎng)、交通網(wǎng)等工程的大規(guī)模建設(shè)，長(zhǎng)距離深埋隧洞工程越來越多。隧洞圍巖巖性、巖石強(qiáng)度、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面特征和透水性等圍巖主要特性和地下水、地溫、地應(yīng)力、有毒有害氣體以及放射性物質(zhì)等圍巖賦存環(huán)境，決定了隧洞的圍巖類別、掘進(jìn)工藝和工程投資等，甚至影響工程建設(shè)的成敗［1-4］。

目前，國內(nèi)外深埋長(zhǎng)隧洞的勘察技術(shù)還不成熟，存在的問題主要表現(xiàn)在：① 深埋長(zhǎng)隧洞下穿城市建成區(qū)，地下管線、地表水體、地鐵、高速公路、鐵路等制約因素多，傳統(tǒng)勘察手段適宜性差［5］；② 隧洞穿越地層巖性多，城市建成區(qū)隱伏構(gòu)造發(fā)育，地質(zhì)條件復(fù)雜，傳統(tǒng)勘察技術(shù)手段難以全面獲取隧洞圍巖特性與賦存環(huán)境；③ 斷裂破碎帶［6-8］、風(fēng)化深槽［6］、圍巖穩(wěn)定［6］、突水涌泥［6，9］、超硬巖［6］、蝕變巖體［6，10］等地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)高，傳統(tǒng)勘察技術(shù)針對(duì)性不強(qiáng)、精細(xì)化不夠；④ TBM施工對(duì)勘察成果的精度更敏感，對(duì)勘察準(zhǔn)確性要求更高。

為總結(jié)一套針對(duì)城市深埋長(zhǎng)隧洞圍巖特性與賦存環(huán)境的勘察技術(shù)，本文以羅田水庫—鐵崗水庫城市深埋輸水隧洞工程為例，開展深埋長(zhǎng)隧洞綜合勘察技術(shù)研究，以查明隧洞圍巖特性與賦存環(huán)境，為優(yōu)化深埋長(zhǎng)隧洞工程設(shè)計(jì)及施工方案、保障施工及運(yùn)行安全、維護(hù)沿線生態(tài)環(huán)境提供技術(shù)支持。

1工程情況及勘察重難點(diǎn)

1.1工程概述

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程全長(zhǎng)約21.6 km，隧洞埋深50～190 m，設(shè)計(jì)輸水規(guī)模260萬m3/d，開挖洞徑6.7 m，為城市深埋隧洞。主干線擬采用TBM施工，分為4個(gè)TBM 施工段，設(shè)2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)3個(gè)工作井，2個(gè)地下閥室，2條施工隧洞。

1.2地質(zhì)條件

輸水隧洞沿線第四系分布廣泛，厚度不均，一般厚約8～20 m。城區(qū)段表層多為人工填土，其下為淤泥質(zhì)土、黏土、砂及砂礫石等。丘陵段地表主要為殘坡積砂質(zhì)黏土、黏土。

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞沿線自北向南分布變質(zhì)巖、沉積巖、巖漿巖三大類。變質(zhì)巖主要為震旦系黃婆山組（Zh）片麻巖；沉積巖為侏羅系塘廈組（J1-2t）、橋源組（J1q）、金雞組（J1j）以及三疊系小坪組（T3x）粉砂巖、泥巖、石英砂巖、砂礫巖等。巖漿巖為白堊紀(jì)燕山四期（ηγ5K1、γβ3K1）和奧陶紀(jì)加里東期（ηγO1）花崗巖（圖1）。

1.3勘察難點(diǎn)

（1） 環(huán)境制約因素多。

① 下穿建筑物多：隧洞沿線依次下穿城市建成區(qū)13個(gè)地表水體、4條鐵路、4條高速公路。② 聲磁電干擾強(qiáng)：城市高壓線、變電站、地鐵、輕軌、鐵路、大型廠礦、建筑等強(qiáng)大的電磁環(huán)境，對(duì)地面物探工作干擾強(qiáng)，易造成資料處理中的“假異常”。③ 勘探作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高：通訊、電力、水務(wù)、燃?xì)獾鹊叵鹿艿烂懿迹芫€權(quán)屬復(fù)雜、位置分布圖搜集難、非金屬管線和大埋深管線探測(cè)困難，勘探誤傷地下管線引起安全事故的風(fēng)險(xiǎn)高。④ 環(huán)境保護(hù)要求嚴(yán)：羅田水庫、鐵崗水庫為一級(jí)水源保護(hù)區(qū)，下穿省級(jí)羅田林場(chǎng)、鳳凰山生態(tài)保護(hù)區(qū)和寶安城市繁華建成區(qū)。

（2） 工程地質(zhì)條件復(fù)雜。

沿線分布有沉積巖、變質(zhì)巖、巖漿巖三大巖類，軟硬兼有，工程區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)頻繁，斷裂構(gòu)造發(fā)育，共有12條規(guī)模較大的斷裂；斷裂破碎帶、風(fēng)化深槽、圍巖穩(wěn)定、突水涌泥、超硬巖、蝕變巖體等地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)高，將造成TBM刀具磨損、卡機(jī)、泥餅、塌方等問題，影響掘進(jìn)效率。

（3） TBM施工對(duì)勘察精度要求高。

不良地質(zhì)體對(duì)TBM掘進(jìn)的危害性大；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)一般情況下并非全洞段均開展，也不能在TBM掘進(jìn)過程中實(shí)時(shí)開展；前期勘察中對(duì)各類不良地質(zhì)體須進(jìn)行精準(zhǔn)勘察，為TBM設(shè)備選型、訂制提供依據(jù)。

2長(zhǎng)距離深埋隧洞勘察技術(shù)

2.13D實(shí)景建模-傾斜攝影技術(shù)

通過對(duì)傾斜攝影影像進(jìn)行質(zhì)量檢查、影像糾正、量測(cè)同名點(diǎn)、正射矯正、大地面鑲嵌、創(chuàng)建數(shù)據(jù)倉庫等步驟后，將所有的影像納入到一個(gè)統(tǒng)一的實(shí)景影像系統(tǒng)中。處理過程中需要使用本地高精度的DEM 數(shù)據(jù)，傾斜影像的數(shù)據(jù)處理不進(jìn)行類似于4D數(shù)據(jù)生產(chǎn)的過程，其數(shù)據(jù)處理結(jié)果即為一個(gè)實(shí)景影像系統(tǒng)。

2.2地質(zhì)技術(shù)

（1） 野外地質(zhì)信息采集系統(tǒng)。

野外地質(zhì)信息采集系統(tǒng)、采集方法及采集系統(tǒng)的應(yīng)用方法為長(zhǎng)江巖土工程有限公司自主研發(fā)的一款野外測(cè)繪數(shù)據(jù)采集、鉆孔數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用軟件。基于移動(dòng)平臺(tái)的GPS芯片和磁場(chǎng)、方向及重力傳感器，開發(fā)了智能數(shù)字地質(zhì)羅盤，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)點(diǎn)精準(zhǔn)定位和地層產(chǎn)狀信息的自動(dòng)采集。可快速采集地質(zhì)體特征信息，在后臺(tái)數(shù)據(jù)處理后可快速生成電子文檔，繪制鉆孔柱狀圖、地質(zhì)平面圖、地質(zhì)剖面圖，生成節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)分析圖表，實(shí)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性分析、滑坡穩(wěn)定性計(jì)算。

（2） BIM技術(shù)。

利用野外地質(zhì)信息采集系統(tǒng)完成工程區(qū)地形地質(zhì)信息收集，實(shí)時(shí)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)終端，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、分析、處理，將處理后的地形及地質(zhì)信息導(dǎo)入三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)3DE平臺(tái)，建立動(dòng)態(tài)可視化三維地質(zhì)模型，完成協(xié)同設(shè)計(jì)。

2.3物探技術(shù)

（1） 地下管線探測(cè)技術(shù)。

主要有電磁法、地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電阻率法、瞬態(tài)瑞雷波法。

該項(xiàng)目對(duì)勘探點(diǎn)、工作井、分水支線均采用管線探測(cè)儀進(jìn)行了斷面測(cè)量，以感應(yīng)法、夾鉗法和工頻法為主，管線平面定位以極大值法為主，深度定位以70%測(cè)深法為主。對(duì)工作井、分水支線管線探測(cè)儀（電磁法）綜合管線探測(cè)成果運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行了復(fù)核，對(duì)疑難位置勘探點(diǎn)進(jìn)行了斷面測(cè)量。采用高密度電阻率法對(duì)深埋大直徑金屬管道進(jìn)行了探測(cè)。采用瞬態(tài)瑞雷波法對(duì)大直徑非金屬管道進(jìn)行了探測(cè)。

（2） 地面精細(xì)化綜合物探技術(shù)。

主要采用了微動(dòng)探測(cè)、可控音源大地電磁法、高密度電阻率法。

微動(dòng)探測(cè)技術(shù)是指對(duì)天然場(chǎng)源微動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理提取Rayleigh波頻散信息，通過反演該信息獲得地下介質(zhì)橫波速度結(jié)構(gòu)，分析地質(zhì)體與周圍介質(zhì)的波速差異，從而查明或解決有關(guān)工程地質(zhì)問題。

通過對(duì)微動(dòng)探測(cè)、可控源音頻大地電磁法、高密度電阻率法成果與鉆探揭露地質(zhì)情況進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在城市復(fù)雜環(huán)境條件下，微動(dòng)探測(cè)線具有施工靈活、工效高等特點(diǎn)。根據(jù)視橫波速度斷面圖能夠進(jìn)行覆蓋層厚度劃分、隱伏地質(zhì)構(gòu)造（斷層、風(fēng)化深槽等）解譯等，整體探測(cè)效果較好；架空高壓線對(duì)可控源音頻大地電磁法、高密度電阻率法均存在干擾，在成果圖中存在“假異常”，相較于可控源音頻大地電磁法，架空高壓線對(duì)高密度電阻率法的影響范圍較小。該項(xiàng)目城市復(fù)雜條件物探勘察所選用的方法技術(shù)，探測(cè)效果以微動(dòng)探測(cè)最優(yōu)，高密度電阻率法次之，可控源音頻大地電磁法較差。

2.4鉆探技術(shù)

（1） 半合管取芯技術(shù)。

半合管取芯技術(shù)相比于普通單管取芯、雙管取芯技術(shù)，巖芯采取率高，對(duì)破碎巖體、蝕變巖體、風(fēng)化巖體等有高取芯技術(shù)要求的特殊巖土體適應(yīng)性強(qiáng)。該項(xiàng)目大規(guī)模采用半合管取心技術(shù)，取得了良好的效果。即使在節(jié)理、裂隙極發(fā)育，巖體極破碎的地層中，巖芯采取率也能達(dá)到 95%以上，且?guī)r芯擾動(dòng)小，能較好地反映出原地層的構(gòu)造特征。

（2） 大頂角超深斜孔鉆探技術(shù)。

為適應(yīng)隱伏陡傾斷裂、下穿地表水體、下穿城市建筑物等特殊部位的勘探需求，長(zhǎng)江巖土工程有限公司研發(fā)了大頂角超深斜孔鉆探技術(shù)。采用塔機(jī)一體式斜孔鉆機(jī)、大頂角超深斜孔四腳鉆塔等設(shè)備，套管定向程序、斜孔鉆進(jìn)泥漿工藝、高效碎巖電動(dòng)式和機(jī)械式?jīng)_擊器等措施，完成大頂角超深斜孔鉆進(jìn)。鉆探過程中，為有效預(yù)防鉆孔彎曲、控制鉆孔軌跡，采用測(cè)斜儀在鉆孔實(shí)施過程中對(duì)孔斜實(shí)時(shí)測(cè)量并糾偏。

在輸水隧洞下穿月亮湖、月牙湖、上下村排洪渠、合水口排洪渠、公明排洪渠、阿婆髻水庫隧洞段共完成8個(gè)大頂角斜孔，對(duì)物探解譯異常點(diǎn)中可能存在的陡傾斷裂完成了4個(gè)大頂角斜孔，共計(jì)1 258 m進(jìn)尺，其中最大頂角達(dá)57°，最大孔深達(dá)160 m。

2.5檢測(cè)與測(cè)試技術(shù)

（1） 微水振蕩技術(shù)。

微水試驗(yàn)是通過瞬間井孔內(nèi)微小水量的增加（或減少），而引起井孔水位隨時(shí)間的變化規(guī)律，確定含水層水文地質(zhì)參數(shù)的一種簡(jiǎn)易方法。在輸水干線、TBM工作井共選取19個(gè)鉆孔開展微水震蕩試驗(yàn)。

經(jīng)提水試驗(yàn)、傳統(tǒng)壓水、隨鉆壓水、微水振蕩等多種試驗(yàn)方法測(cè)試的隧洞圍巖水文地質(zhì)參數(shù)見表1，逐段壓水試驗(yàn)反應(yīng)了孔內(nèi)某部位巖體滲透性，但對(duì)斷裂帶、裂隙密集帶、全—強(qiáng)風(fēng)化帶等巖體破碎部位適應(yīng)性差；提水試驗(yàn)、微水振蕩試驗(yàn)反應(yīng)了鉆孔全孔段巖體綜合滲透性，有效補(bǔ)充了部分孔段無法開展壓水試驗(yàn)而缺失的巖體滲透特性，為隧洞涌水量預(yù)測(cè)及施工方案設(shè)計(jì)提供了有力依據(jù)。

（2） 鉆孔孔內(nèi)變形試驗(yàn)。

鉆孔徑向加壓法變形試驗(yàn)是在鉆孔中通過對(duì)一定長(zhǎng)度孔壁施加徑向壓力并測(cè)取孔壁的徑向變形，按彈性力學(xué)平面應(yīng)變問題求得測(cè)試部位巖體的彈性模量和變形模量。該工程共完成孔內(nèi)變形試驗(yàn)6孔，測(cè)點(diǎn)86點(diǎn)，其中沉積巖區(qū)2孔，侵入巖區(qū)4孔。現(xiàn)場(chǎng)孔內(nèi)變形試驗(yàn)：燕山四期（γβ5K1）粗粒斑狀黑云二長(zhǎng)花崗巖變形模量7.3～28.4 MPa、平均值199 MPa，彈性模量14.2～38.8 MPa、平均值28.8 MPa。室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)：燕山四期（γβ5K1）粗粒斑狀黑云二長(zhǎng)花崗巖變形模量19.3～39.9 MPa、平均值29.5 MPa，彈性模量25.1～50.4 MPa、平均值41.1 MPa。對(duì)比室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)孔內(nèi)變形試驗(yàn)成果可知，變形模量、彈性模量的室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)成果普遍高于現(xiàn)場(chǎng)孔內(nèi)變形試驗(yàn)成果。

3結(jié)論與展望

3.1結(jié) 論

（1） 羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞沿線建（構(gòu)）筑物類型多，下穿丘陵、山地、河流、水庫、地鐵、高鐵、高速公路及城市建成區(qū)。地層時(shí)代自震旦系至侏羅系，沉積巖、變質(zhì)巖、巖漿巖三大巖類均有涉及。地層界線、斷裂構(gòu)造隱伏，斷裂數(shù)量多、規(guī)模大、性狀差。風(fēng)化深槽、斷裂破碎帶、軟弱圍巖、蝕變花崗巖、有毒有害氣體及高地溫等不良地質(zhì)體可能導(dǎo)致的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境問題突出。受地下管線、聲磁電強(qiáng)干擾、城市交通、環(huán)境保護(hù)和文明施工等因素制約，勘察作業(yè)難。

（2） 依托羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程，圍繞城區(qū)勘察作業(yè)環(huán)境下穿建筑物多、聲磁電干擾強(qiáng)、勘探作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高、環(huán)境保護(hù)要求嚴(yán)等難點(diǎn)，開展了大頂角超深斜孔鉆探技術(shù)、抗干擾地面物探技術(shù)、地下管線排查技術(shù)等勘察技術(shù)的探索，并在勘察中進(jìn)行了應(yīng)用，解決了制約城區(qū)勘察的不利因素。

（3） 針對(duì)嚴(yán)重影響TBM掘進(jìn)和隧洞運(yùn)行安全的不良地質(zhì)體，在隱伏斷裂精準(zhǔn)定位、高保真取芯、孔內(nèi)巖體變形試驗(yàn)、水文參數(shù)精細(xì)化測(cè)試等方面進(jìn)行了技術(shù)或工藝上探索，同時(shí)在BIM等勘測(cè)信息化方面開展研究，并應(yīng)用于此項(xiàng)目不良地質(zhì)體勘察中，提高了各類不良地質(zhì)體分布、工程特性的勘探精度。

3.2展 望

隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工程建設(shè)不斷增多，長(zhǎng)距離深埋隧洞TBM施工技術(shù)應(yīng)用愈加廣泛，TBM對(duì)勘察精度的敏感性更高，為此TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作用愈發(fā)明顯。目前國內(nèi)TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究尚處于起步階段，未來應(yīng)探索形成一套完整的TBM施工超前預(yù)報(bào)技術(shù)和TBM施工超前預(yù)報(bào)管理系統(tǒng)。

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（編輯：黃文晉）