國道217線玉希莫勒蓋隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)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(qū)，隧道具有地質(zhì)條件復(fù)雜、變化多，斷裂構(gòu)造復(fù)雜，巖層節(jié)理裂隙發(fā)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(zhì)鉆探驗證為主，短距離地質(zhì)素描分析和紅外探水為輔，超長炮孔加密確認(rèn)為主要內(nèi)容的“多階段、多層次、多方法”的“綜合立體式超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報技術(shù)”。以“綜合立體式超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報技術(shù)”為指導(dǎo)，將超前地質(zhì)預(yù)報納入施工監(jiān)測程序，并在施工中認(rèn)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(guān)鍵詞：隧道工程 復(fù)雜地質(zhì)條件 地質(zhì)預(yù)報技術(shù) 玉希莫勒蓋隧道

中圖分類號：U456.3 文獻標(biāo)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(jīng)濟的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其安全正常工作對于社會的可持續(xù)發(fā)展有著非常重要的作用。隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，特別是隨著西部大開發(fā)政策的進一步落實，在西部的高海拔寒冷地區(qū)將會有大量新的隧道建成。目前在建的寒冷地區(qū)隧道與以往寒冷地區(qū)的隧道相比，規(guī)模更大、技術(shù)要求更高、氣候條件更加惡劣，為地下工程學(xué)科提出了更高的要求。復(fù)雜地質(zhì)條件下長大隧道的安全快速修建技術(shù)是當(dāng)前交通建設(shè)急需解決的關(guān)鍵問題之一，是當(dāng)前隧道建設(shè)研究的熱點和重難點。隧道安全快速施工的關(guān)鍵是在施工前對隧道施工前方一定范圍內(nèi)的地質(zhì)體情況的準(zhǔn)確預(yù)測和分析，在此基礎(chǔ)上制定切實可行的施工方案，因此，復(fù)雜條件下長大隧道的超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報技術(shù)就顯得尤為重要。復(fù)雜巖溶隧道施工中的超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)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(jié)合地質(zhì)分析對隧道前方一定距離和范圍內(nèi)的不良地質(zhì)進行綜合分析和預(yù)測，提前發(fā)現(xiàn)隧道施工前方巖土體的變化，得到可信的地質(zhì)信息，并以此為基礎(chǔ)進行隧道開挖方式、支護方案和施工組織的設(shè)計、安排，規(guī)避風(fēng)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(wǎng)絡(luò)中的一條重要組成路線，在新疆公路網(wǎng)中占據(jù)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(shè)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(cè)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(shè)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(gòu)造擠壓變質(zhì)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(gòu)造影響，圍巖巖體極為破碎，易產(chǎn)生透水、坍塌等不良地質(zhì)問題，（圖1）為隧道與總體線路布置關(guān)系的示意圖。

1 預(yù)報方法的選擇

當(dāng)前隧道超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報技術(shù)主要采用物理探測和地質(zhì)鉆探相結(jié)合的方法進行。前者主要有TSP（隧道超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)）、地質(zhì)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(zhì)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(fù)雜巖溶長大隧道施工中，因巖溶發(fā)育的不規(guī)則性，物探結(jié)合鉆探的探測預(yù)報技術(shù)的局限性表現(xiàn)的更為突出。為之，結(jié)合玉希莫勒蓋隧道特點有針對性地選擇施工超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)意義重大。

1.1 預(yù)報方法選擇的原則

各種隧道施工期超前地質(zhì)預(yù)報方法各有優(yōu)缺點，因此選擇正確的隧道施工期超前地質(zhì)預(yù)報方法是預(yù)報成功的關(guān)鍵。隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報是施工提前采取預(yù)報措施、避免災(zāi)害的發(fā)生或在一定程度上減少災(zāi)害發(fā)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(dāng)今環(huán)境生態(tài)保護給隧道工程建設(shè)提出的要求。由于隧道工程面臨的施工地質(zhì)問題的復(fù)雜性，往往靠單一的某種預(yù)報方法是難以把握的，因此需要聯(lián)合一種或多種地質(zhì)預(yù)報方法。預(yù)報方法的選擇應(yīng)遵循以下原則：（1）有牢固的理論基礎(chǔ)。（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(yīng)隧道工程施工的需要。（7）對隧道施工所面臨的地質(zhì)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(yōu)缺點對比表。

1.2 玉希莫勒蓋隧道的超前地質(zhì)預(yù)報

玉希莫勒蓋隧道隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，主要受玉希莫勒蓋斷層影響，與線路在K723+717（設(shè)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(gòu)造影響，圍巖巖體極為破碎，易產(chǎn)生透水、坍塌等不良地質(zhì)問題。地下水類型主要為基巖裂隙水，透水性主要受巖性、節(jié)理裂隙的發(fā)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(zhì)預(yù)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(yù)判隧道的地質(zhì)情況。

針對以上物探、鉆探的特點，結(jié)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(jié)，提出了“中、長物探和水平地質(zhì)鉆探驗證為主，短距離地質(zhì)素描分析和紅外探水為輔，超長炮孔加密確認(rèn)為主要內(nèi)容的“多階段、多層次、多方法”的“綜合立體式超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報技術(shù)”。

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(gòu)造及裂隙發(fā)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(zhì)探測儀（探測距離150 m）。近距離超前物探：首選方法為地質(zhì)雷達（探測距離4～30 m），對比方法為數(shù)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(dǎo)洞內(nèi)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(yù)報、推斷隧洞前方的地質(zhì)情況，并驗證近距離超前物探結(jié)果。探水鉆孔平面圖及其探水作業(yè)流程圖如（圖2～圖3）所示。

1.2.2 常規(guī)地質(zhì)法

（1）正洞掌子面與側(cè)壁的量測和地質(zhì)素描。主要工作有：地層巖性特征、結(jié)構(gòu)面性質(zhì)與產(chǎn)狀及發(fā)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(guī)模及其隨時間的變化特征。

（2）地質(zhì)構(gòu)造的地下與地表相關(guān)性分析。

（3）地質(zhì)作圖（幾何作圖、塊體坐標(biāo)作圖，赤平投影作圖、洞身地質(zhì)展示圖等）。在此基礎(chǔ)上，對掌子面前方一定范圍內(nèi)（約5～20 m）的地質(zhì)條件進行預(yù)測預(yù)報。

1.2.3 紅外探水

紅外探測可以實現(xiàn)對隧道全空間、全方位的探測，儀器操作簡單，能預(yù)測到隧道外圍空間及掘進前方30 m范圍內(nèi)是否存在隱伏水體或含水構(gòu)造，而且可利用施工間歇期測試，基本不占用施工時間?，F(xiàn)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(shù)據(jù)，根據(jù)這9個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，共測取50 m或30 m，并繪制相應(yīng)的紅外輻射曲線，根據(jù)曲線的趨勢判斷前方有無含水。掌子面上9個數(shù)據(jù)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(nèi)涌突水的實時監(jiān)測

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

1.3 綜合立體式超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)及其應(yīng)用

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

2 結(jié)論

隧道地質(zhì)災(zāi)害超前探測與預(yù)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(dāng)隧道施工時遇到斷層、巖溶等不良地質(zhì)情況時，超前地質(zhì)預(yù)報顯得尤為重要。選擇合理的超前地質(zhì)預(yù)報方法，將幾種探測方法有效的結(jié)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(zhì)情況進行準(zhǔn)確預(yù)測。從而避免工程事故的發(fā)生，保障了施工安全性和進度，同時節(jié)省大量資金。在玉希莫勒蓋隧道地質(zhì)預(yù)測、預(yù)報工作中，通過不斷的探索、實踐和總結(jié)，逐漸形成了以中長超前物探和超前水平地質(zhì)鉆探驗證為主，輔以短距離地質(zhì)素描超前分析和施工前超長炮孔加密確認(rèn)的“多階段、多手段、多層次”的“綜合立體式超前預(yù)報技術(shù)”。以此技術(shù)為依托對強巖溶區(qū)富水隧道施工進行超前地質(zhì)預(yù)測、預(yù)報，成功地穿越了玉希莫勒蓋隧道復(fù)雜地質(zhì)條件洞段。玉希莫勒蓋隧道2013年6月30日勝利貫通，實現(xiàn)了施工零傷亡的安全目標(biāo)，該隧道的施工實踐表明，對于復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道，采用“綜合立體式超前預(yù)測預(yù)報技術(shù)”，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(nèi)巖層水文地質(zhì)情況的變化，避免因地質(zhì)條件不清楚盲目施工而導(dǎo)致發(fā)生隧道地質(zhì)災(zāi)害，進而獲得可觀的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。

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