國道217線玉希莫勒蓋隧道施工超前地質預報技術研究

摘 要：在建G217線改擴建工程新建玉希莫勒蓋隧道位于中天山玉希莫勒蓋達坂，隧道長度為1943 m，為單洞雙向兩車隧道，其埡口高程達3428m；隧道地處高緯度、高海拔的雙高寒冷地區，隧道具有地質條件復雜、變化多，斷裂構造復雜，巖層節理裂隙發育、連通性好，地下水豐富等特點。本論文基于新疆在建的玉希莫勒蓋隧道，提出了“中、長物探和水平地質鉆探驗證為主，短距離地質素描分析和紅外探水為輔，超長炮孔加密確認為主要內容的“多階段、多層次、多方法”的“綜合立體式超前地質預測預報技術”。以“綜合立體式超前地質預測預報技術”為指導，將超前地質預報納入施工監測程序，并在施工中認真實施，順利完成了隧道的施工工作，為同類隧道的施工提供了積極地借鑒意義。

關鍵詞：隧道工程 復雜地質條件 地質預報技術 玉希莫勒蓋隧道

中圖分類號：U456.3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（a）-0037-04

大型隧道工程是國家社會經濟的重要基礎設施，其安全正常工作對于社會的可持續發展有著非常重要的作用。隨著我國交通事業的快速發展，特別是隨著西部大開發政策的進一步落實，在西部的高海拔寒冷地區將會有大量新的隧道建成。目前在建的寒冷地區隧道與以往寒冷地區的隧道相比，規模更大、技術要求更高、氣候條件更加惡劣，為地下工程學科提出了更高的要求。復雜地質條件下長大隧道的安全快速修建技術是當前交通建設急需解決的關鍵問題之一，是當前隧道建設研究的熱點和重難點。隧道安全快速施工的關鍵是在施工前對隧道施工前方一定范圍內的地質體情況的準確預測和分析，在此基礎上制定切實可行的施工方案，因此，復雜條件下長大隧道的超前地質預測預報技術就顯得尤為重要。復雜巖溶隧道施工中的超前地質預測預報就是要在隧道施工前采用物探、鉆探等探測手段和方法，結合地質分析對隧道前方一定距離和范圍內的不良地質進行綜合分析和預測，提前發現隧道施工前方巖土體的變化，得到可信的地質信息，并以此為基礎進行隧道開挖方式、支護方案和施工組織的設計、安排，規避風險，確保隧道施工安全。

目前穿越天山溝通南北疆的有G314線、G216線和G217線三條通道，且各相距200多公里。國道217線是一條溝通南北疆的大通道，是新疆“二縱三橫”公路主骨架中的一縱，同時又是國家國防公路網絡中的一條重要組成路線，在新疆公路網中占據著最重要的地位。獨山子至庫車公路是其南段，它正好縱貫天山，全長532 km，其中喬爾瑪至那拉提段需翻越天山玉希莫勒蓋達坂，是其中重要的一段。本次改建以新建隧道翻越玉希莫勒蓋達坂，設計為單洞雙向兩車道，隧道長度1943 m，為長大隧道。隧道位于中天山玉希莫勒蓋達坂，進口位于既有玉希莫勒蓋隧道右側對面山體上，沿既有公路隧道進口里程約為K722+095，位于山前坡積體上；出口里程為K724+038，長度1943 m。進口高程約為3200 m，出口高程約為3230 m，出口與地形等高線基本正交，然后接上廢棄的老路。隧道在進口段穿越斷層，斷層帶分布在玉希莫勒蓋達坂頂部偏南，其長度大于60 km，斷層總體走向N49°W，傾向NE，局部略有曲折，傾角80°～85°，與線路在K723+750（設計樁號）處斜交，斷層破碎帶寬度150～200 m，其主要為因強烈的構造擠壓變質作用形成的綠泥石片巖及絹云母片巖。隧道洞身于K723+600～K724+038通過該斷層破碎帶，受斷裂構造影響，圍巖巖體極為破碎，易產生透水、坍塌等不良地質問題，（圖1）為隧道與總體線路布置關系的示意圖。

1 預報方法的選擇

當前隧道超前地質預測預報技術主要采用物理探測和地質鉆探相結合的方法進行。前者主要有TSP（隧道超前地質預測預報系統）、地質雷達等，后者主要采用超前水平鉆和加長炮孔等；因物探本身具有的特點如多解性和不確定性等，以及地質鉆孔本身的局限性（以一孔之見，推測周邊），探測的精確性和可信度受到限制。特別是在復雜巖溶長大隧道施工中，因巖溶發育的不規則性，物探結合鉆探的探測預報技術的局限性表現的更為突出。為之，結合玉希莫勒蓋隧道特點有針對性地選擇施工超前地質預報技術意義重大。

1.1 預報方法選擇的原則

各種隧道施工期超前地質預報方法各有優缺點，因此選擇正確的隧道施工期超前地質預報方法是預報成功的關鍵。隧道施工地質超前預報是施工提前采取預報措施、避免災害的發生或在一定程度上減少災害發生所引起的損失、保證隧道施工期間安全的需要，同時也是當今環境生態保護給隧道工程建設提出的要求。由于隧道工程面臨的施工地質問題的復雜性，往往靠單一的某種預報方法是難以把握的，因此需要聯合一種或多種地質預報方法。預報方法的選擇應遵循以下原則：（1）有牢固的理論基礎。（2）不占用或很少占用掌子面施工時間。（3）使用性強。（4）操作簡便。（5）能取長補短。（6）能適應隧道工程施工的需要。（7）對隧道施工所面臨的地質問題具有針對性。表1給出了各種地球物理探測方法的主要特點及優缺點對比表。

1.2 玉希莫勒蓋隧道的超前地質預報

玉希莫勒蓋隧道隧址區地質構造較為復雜，主要受玉希莫勒蓋斷層影響，與線路在K723+717（設計樁號）處斜交，斷層破碎帶寬度150～200 m。隧道洞身于K723+600

～K724+038通過該斷層破碎帶，受斷裂構造影響，圍巖巖體極為破碎，易產生透水、坍塌等不良地質問題。地下水類型主要為基巖裂隙水，透水性主要受巖性、節理裂隙的發育程度及連通性控制，屬于弱～中等透水。為保證順利的施工，開展超前地質預報工作，以制定有效的施工方案，確定合適的施工工藝，確保施工的順利進行。此外，新建玉希莫勒蓋隧道下有泄水洞，而泄水洞施工與隧道施工相比超前距離不小于100 m，可以由泄水洞的超前開挖預判隧道的地質情況。

針對以上物探、鉆探的特點，結合玉希莫勒蓋隧道施工特點，通過施工中的不斷實踐和總結，提出了“中、長物探和水平地質鉆探驗證為主，短距離地質素描分析和紅外探水為輔，超長炮孔加密確認為主要內容的“多階段、多層次、多方法”的“綜合立體式超前地質預測預報技術”。

1.2.1 超前探測

（1）綜合超前物探：主要針對斷層破碎帶及其影響帶、層間滑動帶、構造及裂隙發育帶、巖層突變地帶的超前探測。遠距離超前物探：采用TSP203地質探測儀（探測距離150 m）。近距離超前物探：首選方法為地質雷達（探測距離4～30 m），對比方法為數碼成像，跨孔聲波CT成像法（表1）。

（2）水平鉆超前探測：采用鉆孔超前探測，鉆孔主要布置在開挖面及其附近，既可在超前導洞內布置鉆孔，也可以在主洞工作面上進行鉆探，鉆孔長度30～50 m，由鉆進速度的變化、鉆孔取芯鑒定、鉆孔沖洗液顏色、氣味、巖粉、鉆孔出水情況及遇到的其它情況來預報、推斷隧洞前方的地質情況，并驗證近距離超前物探結果。探水鉆孔平面圖及其探水作業流程圖如（圖2～圖3）所示。

1.2.2 常規地質法

（1）正洞掌子面與側壁的量測和地質素描。主要工作有：地層巖性特征、結構面性質與產狀及發育程度、巖體破碎程度與充填情況、洞壁變形破壞特征、突泥與塌方部位、方式與規模及其隨時間的變化特征。

（2）地質構造的地下與地表相關性分析。

（3）地質作圖（幾何作圖、塊體坐標作圖，赤平投影作圖、洞身地質展示圖等）。在此基礎上，對掌子面前方一定范圍內（約5～20 m）的地質條件進行預測預報。

1.2.3 紅外探水

紅外探測可以實現對隧道全空間、全方位的探測，儀器操作簡單，能預測到隧道外圍空間及掘進前方30 m范圍內是否存在隱伏水體或含水構造，而且可利用施工間歇期測試，基本不占用施工時間。現場測試有兩種方法：一是在掌子面上，分上、中、下及左、中、右六條測線的交點測取9個數據，根據這9個數據之間的最大差值來判斷是否有水；二是由掌子面向掘進后方（洞口）按左邊墻、拱部、右邊墻的順序進行測試，按5 m或3 m測取一組數據，共測取50 m或30 m，并繪制相應的紅外輻射曲線，根據曲線的趨勢判斷前方有無含水。掌子面上9個數據的最大差值大于10μw/cm2，就可以判定有水；紅外輻射曲線上升或下降均可以判定有水，其它情況判定無水（圖4）。

1.2.4 洞內涌突水的實時監測

涌突水點（掌子面炮眼涌突水）的實時監測。監測內容包括水的水溫、水量、水壓、水質與同位素化學，各涌突水點的位置（里程）、地層巖性、裂隙發育特征等。洞身涌（突）水動態監測。包括：涌（突）水點地質檔案、涌（突）水點空間分布、單點涌（突）水量及其動態、涌（突）出機制、涌（突）水的化學與同位素化學動態特征。洞內氣溫與溫度監測。

1.3 綜合立體式超前地質預報技術及其應用

受技術發展水平的限制，目前還沒有哪一種技術方法和手段能解決施工超前地質預報中的所有地質問題，因此施工階段采用多種技術方法和手段進行“綜合立體式”超前地質預報十分必要。若采用綜合立體式地質預報方法，地質預報資料的綜合判析就顯得特別重要，它負責對所采用的各種預報手段獲得的資料進行歸納、分析、對比，提出最終預報結論和工程措施建議，指導施工，并確定下一步預報的方案和各預報手段工作計劃。在隧道穿越復雜地質條件的地質超前預報過程中，創造性地提出了以中長超前物探和超前水平地質鉆探驗證為主，輔以短距離地質素描超前分析和施工前超長炮孔加密確認的“多階段、多手段、多層次”的“綜合立體式超前預報技術”。采用綜合立體式超前地質預報技術，長距離預測預報距離為30～120 m，以地質雷達、TSP等為手段結合地面地質工作綜合預報，針對較大物探異常，輔以超前水平鉆驗證；短距離預測預報距離為5～30 m，在長距離預報基礎上，以紅外探水、5～8孔超長炮眼和30 m超前鉆孔為手段，結合掌子面地質素描工作綜合預報；以此形成隧道周圍30 m范圍和隧道前方100 m范圍內有較高精度的超前地質探測。玉希莫勒蓋隧道綜合超前地質預報法的預測結果如表2所示。

2 結論

隧道地質災害超前探測與預報，進行隧道信息化施工，對減小施工的盲目性、確保工程安全有著重要意義。當隧道施工時遇到斷層、巖溶等不良地質情況時，超前地質預報顯得尤為重要。選擇合理的超前地質預報方法，將幾種探測方法有效的結合起來，取長補短，相互印證和補充，能對隧道開挖過程中的不良地質情況進行準確預測。從而避免工程事故的發生，保障了施工安全性和進度，同時節省大量資金。在玉希莫勒蓋隧道地質預測、預報工作中，通過不斷的探索、實踐和總結，逐漸形成了以中長超前物探和超前水平地質鉆探驗證為主，輔以短距離地質素描超前分析和施工前超長炮孔加密確認的“多階段、多手段、多層次”的“綜合立體式超前預報技術”。以此技術為依托對強巖溶區富水隧道施工進行超前地質預測、預報，成功地穿越了玉希莫勒蓋隧道復雜地質條件洞段。玉希莫勒蓋隧道2013年6月30日勝利貫通，實現了施工零傷亡的安全目標，該隧道的施工實踐表明，對于復雜地質條件下的隧道，采用“綜合立體式超前預測預報技術”，能夠比較清楚、可信地了解隧道周邊和掌子面前方100 m范圍內巖層水文地質情況的變化，避免因地質條件不清楚盲目施工而導致發生隧道地質災害，進而獲得可觀的經濟、社會和環境效益。

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