深埋超特長隧洞環境超前預報技術探討

崔 健，李 莉

（1.新疆天合環境技術咨詢有限公司，新疆烏魯木齊830063；2.新疆新水建設工程咨詢有限責任公司，新疆烏魯木齊830000）

1 工程概況

新疆北疆供水二期工程由西二、喀—雙、雙—三等3段組成，線路總長540.5km，隧洞長516.4km。其中：西二段隧洞長140.7km，平均埋深271m，最大埋深720m，洞徑7.8m，TBM掘進長度112.9km；喀—雙段隧洞長283.3km，平均埋深428m，最大埋深774m，洞徑7.2m，TBM掘進長度227.4km；雙—三段隧洞長92.4km，平均埋深158m，最大埋深295m，洞徑5.5m，TBM掘進長度72.0km。3段隧洞施工方法，主要采用18臺敞開式TBM和3臺盾構機掘進施工。

2 區域地質

2.1 地形地貌

工程區由北向南穿越阿爾泰山南坡和東天山北坡之間所夾的準噶爾盆地北部、東部邊緣。地貌形態由中山區、低山區、低山丘陵區和山前沖洪積扇區，總地勢北高南低，東高西低。中山區海拔高程600～1500m，相對高差150～650m，主要為牧區天然草場。低山區海拔高程550～1300m，相對高差50～150m；低山丘陵區，相對高差10～20m，均為戈壁荒漠區。沖洪積扇區海拔高程700～1000m，相對高差10～30m，主要為戈壁荒漠區。

2.2 地層巖性

工程區通過的地層為古生界奧陶系（O）黑云母石英片巖、泥盆系（D）凝灰巖、石炭系（C）凝灰質砂巖；華力西期（γ）片麻花崗巖、黑云母花崗巖，屬厚層狀和塊狀硬質巖，其次還分布少量中生界二疊系（P）、三疊系（T）、侏羅系（J）、白堊系(K)、第三系(N)砂巖、砂礫巖、泥巖夾砂巖和第四系(Q)碎石土等，屬中厚層狀軟質巖。其中：奧陶系（O）+泥盆系（D）+石炭系（C）地層總長343.1km，占洞長66.4%；花崗巖（γ）總長130.1km，占洞長25.2%；二疊系（P）+三疊系（T）+侏羅系（J）+白堊系(K)+第三系(N)地層總長38.2km，占洞長7.4%；第四系(Q)地層總長5.16km，占洞長1.0%。

2.3 地質構造

工程區地處阿爾泰褶皺系和準噶爾—北天山褶皺系兩大地質構造單元內，褶皺構造對地形地貌和地質構造起著主導作用。隧道穿越8條區域性斷裂，破碎帶地表寬度100～200m，最寬800m。同時，還分布次一級的斷層破碎帶129條。經統計，工程區通過的137條斷層破碎帶累計長度6.2km，約占洞長的1.2%。

3 隧洞主要工程地質問題

（1）塌方問題。根據前期勘察鉆孔所揭露的巖芯、巖塊試驗、物探波速測試來看，洞身段基本均處于新鮮巖體內，以塊狀和厚層狀為主，斷層與節理裂隙不發育，圍巖完整性較好。根據地質條件綜合判斷，3段隧洞易發生塌方的洞段共有19處，累計長度約52km。主要處于區域性斷裂帶內和局部較大的次級斷層帶內，其次是為隧洞淺埋段、河床段、軟質巖段及地表水附近。

（2）涌水問題。洞線除穿越阿拉哈克河等5條小河流外，其它洞段無地表水分布。干燥，炎熱、寒冷、多風，降水稀少，蒸發強烈是工程區的氣候特點，因此地表水對基巖裂隙和斷層破碎帶補給量小，根據鉆孔抽壓水試驗、勘探試驗洞開挖揭露顯示：

①圍巖巖體完整洞段（如Ⅱ類或Ⅲa類圍巖、局部Ⅳ-Ⅴ類軟巖圍巖段），主要以基巖裂隙水形式產生滲水、滴水或干洞（如：西二3#、喀雙T1、T2+、T3、T4、T5、T6勘探試驗洞、S1、S3豎井等）。

②圍巖巖體較完整洞段（如Ⅲb類圍巖段），主要以基巖裂隙水形式產生滲流或線狀流水（如：西二1#、喀雙T2、P2、P3勘探試驗洞、S2豎井等）。

③圍巖巖體完整性較差—差洞段（如Ⅳ-Ⅴ圍巖或斷層破碎帶及影響帶）和過河段、大沖溝段，主要以基巖裂隙水形式產生線狀流水和小的涌水現象（如：西二2#、雙三KP2、KP4勘探試驗洞）。

根據勘探試驗洞實際觀測：西二2#，完成洞長2.4km，總涌水量Q=230m3/h(經灌漿處理后，總涌水量Q=70m3/h)；雙三 KP2，完成洞長 2.0km，總涌水量 Q=160m3/h，KP4完成洞長1.8km，總涌水量Q=197m3/h(經灌漿處理后，總涌水量Q=60m3/h)。總之，隧洞局部可能存在發生突水或突泥的風險；易發生涌水的洞段與易發生塌方的洞段位置大致相同。

（3）巖爆問題。3條隧洞段共布置15個鉆孔進行了不同巖性、深度的地應力測試，結果表明：西二段隧洞段有長度12.5km屬中等地應力中等巖爆區；喀—雙隧洞有23km屬高地應力中等巖爆區。

（4）軟巖變形問題。軟巖主要集中分布在喀—雙隧洞末端，總長12.15km，巖性為二疊系、三疊系砂巖、泥巖互層，屬Ⅳ-Ⅴ類圍巖；雙—三隧洞后段，總長26.0km，巖性為侏羅系、白堊系、第三系砂巖夾泥巖、第四系含土角礫等。因此，在隧洞施工開挖過程中易發生塑性變形、圍巖鼓脹（膨脹）或流變問題。如在施工的T5勘探試驗洞樁號0+000～1+000范圍內，巖性為二疊系砂巖夾泥巖互層，隧洞按設計斷面開挖完成后，未及時跟進二次襯砌（暴露時間約2～3個月），一次支護產生了較大的塑性變形（累計變形量最大40cm），變形仍在繼續。為保證施工安全，該段隧洞又進行了二次加強支護，主要采用加長、加密錨桿，并對底部仰拱采用混凝土封閉，監測資料顯示變形趨于穩定。

4 超前地質預報技術

4.1 超前地質預報的必要性

超前地質預報是超特長隧洞施工過程中一項極其重要的工作，在隧洞施工過程中起到指導和預防作用。由于本工程隧洞線路長、埋深較大，地質條件復雜（褶皺、斷層的異常發育），在施工過程中可能會遇到斷層破碎帶塌方或涌水、圍巖變形、巖爆、膨脹巖等誘發的工程地質災害，限于現在的技術水平和各方面條件限制,這些問題在前期勘察階段無法完全查明。通過超前地質預報，可以及時發現異常情況，探測掌子面前方不良地質體的位置、產狀及其圍巖的完整性與含水體的可能性，及時預報突發性地質災害。根據預報結果，可以及時采取措施，提前做好超前加固及其它跟進施工措施，做到科學、安全、高效掘進，預防各種工程地質災害造成姿態失調、卡機、埋機等事件的發生。開展本工程復雜地質條件下超長隧洞重大工程的超前地質預報工作，對工程施工前與施工過程中超前預案制定，形成有效的地質災害超前預報技術及防災減災技術對策，防止施工中對人員生命財產造成威脅，提高施工效率，具有重要的理論與現實意義，通過本工程超前地質預報工作，積累豐富的識別經驗，形成具有自主創新的預報方法、預測參數，將國內工程界地質超前預報推上一個新的臺階。因此開展長隧洞超前地質預報是十分必要的。

4.2 超前地質預報的工作內容和解決的問題

超前地質預報是在分析前期地質勘察資料的基礎上，結合隧洞開挖中的施工地質條件，采用地質分析、物探等手段，對隧洞開挖工作面前方的地質條件及不良地質體的工程性質、位置、產狀、規模等進行探測、分析判斷及預報，并提出建議措施。為正確選擇開挖斷面、支護參數和優化施工方案提供依據，并為預防隧洞圍巖失穩等可能形成的災害性事故及時提供信息，便于施工提前做好防災預案，保證施工安全。

主要工作內容是：①地層巖性預報：包括對地層巖性分界、巖體的完整性，重點是對影響隧洞穩定的軟弱巖層、破碎巖層和特殊巖（土）體的分布、厚度及位置進行預報；②斷裂構造預報：包括斷層的位置、寬度、產狀、性質及含水情況等進行預報，預測圍巖的穩定性及圍巖類別。

主要解決的問題是：①斷裂構造破碎帶的塌方、卡機問題；②含水體、破碎巖體的涌水問；③軟巖大變形的問題（特別是硬巖中的軟巖）；④巖爆的問題；⑤工程預案及措施。

4.3 超前地質預報的原則

根據本工程隧洞線路長度、地質條件等實際情況，堅持超前地質預報“三結合”和風險靶段劃分原則，即“地質與物探結合，洞內與洞外結合，長短距離及不同物探方法結合”。

（1）地質與物探結合。地質分析工作是超前地質預報工作的基礎和重要環節，在較好了解地質情況的基礎上，才能使物探的解釋結果更接近真實情況，大大減少物探多解性帶來的難題，離開了地質的物探極易偏離真實的地質，離開了物探的地質就很難將施工超前地質預報工作細化。

（2）洞內外結合。野外地質調查及已有前期勘探鉆孔與洞內地質素描和洞內預報成果相結合，即宏觀地質分析與具體的施工超前預報相結合。

（3）長短距離及不同物探方法結合。長距離超前預報探測距離較長，但準確性稍差，短距離超前預報探測距離較短，但準確性較高，兩者的結合可以取長補短，有效提高超前地質預報的準確性。

（4）首先摸清大范圍的區域地質構造；由宏觀到微觀、由面到線、由線到段，實行“長—中—短，短—中—長”循環預報機制，預報在先，措施跟進，處理得當。

（5）開機——“515”：堅持長距離500m～中距離100m～短距離50m的超前地質預報方法。

掘進——“人、機、巖三位合一”：優秀的操作班組，先進的TBM裝備，掌握巖—機相適、人機相融、人—機巖信息感知科學方法。

（6）處理——“三個最”：最優的設計方案，最快支護方式，最佳的處理效果。

（7）目標—“產、學、研相結合”：打造一流的預報團隊，填補預報科研的空白，擁有自主產權核心裝備。

4.4 超前地質預報的方法和設備

目前國內外廣泛使用的隧洞超前地質預報方法有：三維地震波法（地震反射、地震散射法）和電法。

地震波法儀主要有：TSP（瑞士）、TRT（美國）、TST（中國）、BMST（中國）、HSP206T（中國）等。主要運用于掌子面前方斷層、破碎巖體塌方、卡機問題的預報。

電法儀主要有：激發極化探水儀、紅外線探水儀、復頻電導率CFC探水儀等。主要運用于預報掌子面前方斷層、破碎巖體內和含水巖體的涌水問題的預報。

據了解，國內研發團隊研發的與TBM搭載的儀器設備主要有：①北京同度工程物探研發的BMST地震散射儀；②中鐵西南科學研究院研發的HSP206T型水平聲波反射儀；③山東大學研發的激發極化探水預報儀。

4.5 超前地質預報工作重點及范圍

超前地質預報主要針對本工程隧洞TBM掘進段和鉆爆開挖段，在掘進和開挖過程中通過的不良地質段來開展工作。

（1）預報隧洞通過的區域性大斷裂破碎帶、較大次級斷層破碎帶段；

（2）預報隧洞通過的Ⅳ-Ⅴ類圍巖段；

（3）預報隧洞通過的跨河和跨較大沖溝段。

本工程超前地質預報：Ⅳ類圍巖長56.1km，Ⅴ類圍巖長35.9km，深埋隧洞巖爆段圍巖長35.5km，合計預報總長127.5km,占全隧洞總長的25%。

4.6 隧洞超前地質預報的組織管理

本工程由于線長、點多、面廣、工期長，TBM機、盾構機集群化施工，超前地質預報工作必須組織常設機構進行綜合分析研究，資料整理，下達預報結果及處理建議。如果是由各專業隊伍來分段預報、個自為政，單獨工作，各預報單位資料8年下來可能形不成科學有效系統成果，對本世界級工程科學研究將造成不可估量的損失。所以必須建立高效、專業并與科研院校聯合的團隊，保證8年工期能按時完工。所以超前地質預報要建立高效、負責、擔當、快速的指揮管理機構。隧洞超前地質預報組織管理框圖見圖1。

圖1 隧洞超前地質預報組織管理框圖

超前地質預報工作是一項系統工程，責任分工要明確，要各負其責，層層落實，一環扣一環，責任要落實到人。第一責任人為勘測設計單位，要對地質評價，災害分析做到宏觀控制，微觀到位，對超前地質預報資料進行全過程管理、分析、跟蹤、改進、提高、綜合研究。

協調管理是超前地質預報的中樞。分析決策是超前地質預報的關鍵，預報結果的準確率是預報的核心。

技術支持是預報工作的強大的基礎理論支撐。成立超前地質預報專業機構，配齊地質、物探、水文等專業人員，并配備先進的預測預報設備和儀器進行超前地質預報工作，組成超前地質預報綜合技術平臺。騁請目前國內有豐富經驗的咨詢院士、專家進行定期不定期現場技術指導。

5 小結

從已探明的3條輸水隧洞的地質條件分析，隧洞局部段仍具備發生破碎巖體塌方、斷層破碎帶突涌水、高地應力產生巖爆、高外水壓力、軟巖大變形等地質災害的條件。雖然從設計思路看，具有重大地質缺陷洞段基本采用鉆爆法提前安全通過，但TBM依然還要穿越137條次級的斷層或更多的小斷層。由于隧洞深埋超特長，地質條件復雜，工程地質條件災害存在不可預見性，因此，開展長距離TBM施工風險控制技術研究十分必要。在施工過程中，必須加強超前地質預報工作，提前做好超前加固及其它跟進施工措施，做到科學、安全、高效掘進，預防各種工程地質災害造成姿態失調、卡機、埋機等事件的發生，為TBM機和盾構機順利掘進施工保駕護航。