崔 健，李 莉

（1.新疆天合環(huán)境技術(shù)咨詢有限公司，新疆烏魯木齊830063；2.新疆新水建設(shè)工程咨詢有限責(zé)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(jìn)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(jìn)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(jìn)長度72.0km。3段隧洞施工方法，主要采用18臺(tái)敞開式TBM和3臺(tái)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工。

2 區(qū)域地質(zhì)

2.1 地形地貌

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

2.2 地層巖性

工程區(qū)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?guī)r、石炭系（C）凝灰質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)地處阿爾泰褶皺系和準(zhǔn)噶爾—北天山褶皺系兩大地質(zhì)構(gòu)造單元內(nèi)，褶皺構(gòu)造對(duì)地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造起著主導(dǎo)作用。隧道穿越8條區(qū)域性斷裂，破碎帶地表寬度100～200m，最寬800m。同時(shí)，還分布次一級(jí)的斷層破碎帶129條。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，工程區(qū)通過的137條斷層破碎帶累計(jì)長度6.2km，約占洞長的1.2%。

3 隧洞主要工程地質(zhì)問題

（1）塌方問題。根據(jù)前期勘察鉆孔所揭露的巖芯、巖塊試驗(yàn)、物探波速測(cè)試來看，洞身段基本均處于新鮮巖體內(nèi)，以塊狀和厚層狀為主，斷層與節(jié)理裂隙不發(fā)育，圍巖完整性較好。根據(jù)地質(zhì)條件綜合判斷，3段隧洞易發(fā)生塌方的洞段共有19處，累計(jì)長度約52km。主要處于區(qū)域性斷裂帶內(nèi)和局部較大的次級(jí)斷層帶內(nèi)，其次是為隧洞淺埋段、河床段、軟質(zhì)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(fēng)，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈是工程區(qū)的氣候特點(diǎn)，因此地表水對(duì)基巖裂隙和斷層破碎帶補(bǔ)給量小，根據(jù)鉆孔抽壓水試驗(yàn)、勘探試驗(yàn)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(chǎn)生滲水、滴水或干洞（如：西二3#、喀雙T1、T2+、T3、T4、T5、T6勘探試驗(yàn)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(chǎn)生滲流或線狀流水（如：西二1#、喀雙T2、P2、P3勘探試驗(yàn)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(chǎn)生線狀流水和小的涌水現(xiàn)象（如：西二2#、雙三KP2、KP4勘探試驗(yàn)洞）。

根據(jù)勘探試驗(yàn)洞實(shí)際觀測(cè)：西二2#，完成洞長2.4km，總涌水量Q=230m3/h(經(jīng)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(jīng)灌漿處理后，總涌水量Q=60m3/h)?？傊?，隧洞局部可能存在發(fā)生突水或突泥的風(fēng)險(xiǎn)；易發(fā)生涌水的洞段與易發(fā)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(gè)鉆孔進(jìn)行了不同巖性、深度的地應(yīng)力測(cè)試，結(jié)果表明：西二段隧洞段有長度12.5km屬中等地應(yīng)力中等巖爆區(qū)；喀—雙隧洞有23km屬高地應(yīng)力中等巖爆區(qū)。

（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(fā)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(yàn)洞樁號(hào)0+000～1+000范圍內(nèi)，巖性為二疊系砂巖夾泥巖互層，隧洞按設(shè)計(jì)斷面開挖完成后，未及時(shí)跟進(jìn)二次襯砌（暴露時(shí)間約2～3個(gè)月），一次支護(hù)產(chǎn)生了較大的塑性變形（累計(jì)變形量最大40cm），變形仍在繼續(xù)。為保證施工安全，該段隧洞又進(jìn)行了二次加強(qiáng)支護(hù)，主要采用加長、加密錨桿，并對(duì)底部仰拱采用混凝土封閉，監(jiān)測(cè)資料顯示變形趨于穩(wěn)定。

4 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

4.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的必要性

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是超特長隧洞施工過程中一項(xiàng)極其重要的工作，在隧洞施工過程中起到指導(dǎo)和預(yù)防作用。由于本工程隧洞線路長、埋深較大，地質(zhì)條件復(fù)雜（褶皺、斷層的異常發(fā)育），在施工過程中可能會(huì)遇到斷層破碎帶塌方或涌水、圍巖變形、巖爆、膨脹巖等誘發(fā)的工程地質(zhì)災(zāi)害，限于現(xiàn)在的技術(shù)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(zhì)預(yù)報(bào)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，探測(cè)掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀及其圍巖的完整性與含水體的可能性，及時(shí)預(yù)報(bào)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果，可以及時(shí)采取措施，提前做好超前加固及其它跟進(jìn)施工措施，做到科學(xué)、安全、高效掘進(jìn)，預(yù)防各種工程地質(zhì)災(zāi)害造成姿態(tài)失調(diào)、卡機(jī)、埋機(jī)等事件的發(fā)生。開展本工程復(fù)雜地質(zhì)條件下超長隧洞重大工程的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，對(duì)工程施工前與施工過程中超前預(yù)案制定，形成有效的地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報(bào)技術(shù)及防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)對(duì)策，防止施工中對(duì)人員生命財(cái)產(chǎn)造成威脅，提高施工效率，具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義，通過本工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，積累豐富的識(shí)別經(jīng)驗(yàn)，形成具有自主創(chuàng)新的預(yù)報(bào)方法、預(yù)測(cè)參數(shù)，將國內(nèi)工程界地質(zhì)超前預(yù)報(bào)推上一個(gè)新的臺(tái)階。因此開展長隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是十分必要的。

4.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的工作內(nèi)容和解決的問題

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是在分析前期地質(zhì)勘察資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧洞開挖中的施工地質(zhì)條件，采用地質(zhì)分析、物探等手段，對(duì)隧洞開挖工作面前方的地質(zhì)條件及不良地質(zhì)體的工程性質(zhì)、位置、產(chǎn)狀、規(guī)模等進(jìn)行探測(cè)、分析判斷及預(yù)報(bào)，并提出建議措施。為正確選擇開挖斷面、支護(hù)參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，并為預(yù)防隧洞圍巖失穩(wěn)等可能形成的災(zāi)害性事故及時(shí)提供信息，便于施工提前做好防災(zāi)預(yù)案，保證施工安全。

主要工作內(nèi)容是：①地層巖性預(yù)報(bào)：包括對(duì)地層巖性分界、巖體的完整性，重點(diǎn)是對(duì)影響隧洞穩(wěn)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(jìn)行預(yù)報(bào)；②斷裂構(gòu)造預(yù)報(bào)：包括斷層的位置、寬度、產(chǎn)狀、性質(zhì)及含水情況等進(jìn)行預(yù)報(bào)，預(yù)測(cè)圍巖的穩(wěn)定性及圍巖類別。

主要解決的問題是：①斷裂構(gòu)造破碎帶的塌方、卡機(jī)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(yù)案及措施。

4.3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的原則

根據(jù)本工程隧洞線路長度、地質(zhì)條件等實(shí)際情況，堅(jiān)持超前地質(zhì)預(yù)報(bào)“三結(jié)合”和風(fēng)險(xiǎn)靶段劃分原則，即“地質(zhì)與物探結(jié)合，洞內(nèi)與洞外結(jié)合，長短距離及不同物探方法結(jié)合”。

（1）地質(zhì)與物探結(jié)合。地質(zhì)分析工作是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的基礎(chǔ)和重要環(huán)節(jié)，在較好了解地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上，才能使物探的解釋結(jié)果更接近真實(shí)情況，大大減少物探多解性帶來的難題，離開了地質(zhì)的物探極易偏離真實(shí)的地質(zhì)，離開了物探的地質(zhì)就很難將施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作細(xì)化。

（2）洞內(nèi)外結(jié)合。野外地質(zhì)調(diào)查及已有前期勘探鉆孔與洞內(nèi)地質(zhì)素描和洞內(nèi)預(yù)報(bào)成果相結(jié)合，即宏觀地質(zhì)分析與具體的施工超前預(yù)報(bào)相結(jié)合。

（3）長短距離及不同物探方法結(jié)合。長距離超前預(yù)報(bào)探測(cè)距離較長，但準(zhǔn)確性稍差，短距離超前預(yù)報(bào)探測(cè)距離較短，但準(zhǔn)確性較高，兩者的結(jié)合可以取長補(bǔ)短，有效提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

（4）首先摸清大范圍的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造；由宏觀到微觀、由面到線、由線到段，實(shí)行“長—中—短，短—中—長”循環(huán)預(yù)報(bào)機(jī)制，預(yù)報(bào)在先，措施跟進(jìn)，處理得當(dāng)。

（5）開機(jī)——“515”：堅(jiān)持長距離500m～中距離100m～短距離50m的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。

掘進(jìn)——“人、機(jī)、巖三位合一”：優(yōu)秀的操作班組，先進(jìn)的TBM裝備，掌握巖—機(jī)相適、人機(jī)相融、人—機(jī)巖信息感知科學(xué)方法。

（6）處理——“三個(gè)最”：最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，最快支護(hù)方式，最佳的處理效果。

（7）目標(biāo)—“產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合”：打造一流的預(yù)報(bào)團(tuán)隊(duì)，填補(bǔ)預(yù)報(bào)科研的空白，擁有自主產(chǎn)權(quán)核心裝備。

4.4 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法和設(shè)備

目前國內(nèi)外廣泛使用的隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(yùn)用于掌子面前方斷層、破碎巖體塌方、卡機(jī)問題的預(yù)報(bào)。

電法儀主要有：激發(fā)極化探水儀、紅外線探水儀、復(fù)頻電導(dǎo)率CFC探水儀等。主要運(yùn)用于預(yù)報(bào)掌子面前方斷層、破碎巖體內(nèi)和含水巖體的涌水問題的預(yù)報(bào)。

據(jù)了解，國內(nèi)研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的與TBM搭載的儀器設(shè)備主要有：①北京同度工程物探研發(fā)的BMST地震散射儀；②中鐵西南科學(xué)研究院研發(fā)的HSP206T型水平聲波反射儀；③山東大學(xué)研發(fā)的激發(fā)極化探水預(yù)報(bào)儀。

4.5 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作重點(diǎn)及范圍

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要針對(duì)本工程隧洞TBM掘進(jìn)段和鉆爆開挖段，在掘進(jìn)和開挖過程中通過的不良地質(zhì)段來開展工作。

（1）預(yù)報(bào)隧洞通過的區(qū)域性大斷裂破碎帶、較大次級(jí)斷層破碎帶段；

（2）預(yù)報(bào)隧洞通過的Ⅳ-Ⅴ類圍巖段；

（3）預(yù)報(bào)隧洞通過的跨河和跨較大沖溝段。

本工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)：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(jì)預(yù)報(bào)總長127.5km,占全隧洞總長的25%。

4.6 隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的組織管理

本工程由于線長、點(diǎn)多、面廣、工期長，TBM機(jī)、盾構(gòu)機(jī)集群化施工，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作必須組織常設(shè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行綜合分析研究，資料整理，下達(dá)預(yù)報(bào)結(jié)果及處理建議。如果是由各專業(yè)隊(duì)伍來分段預(yù)報(bào)、個(gè)自為政，單獨(dú)工作，各預(yù)報(bào)單位資料8年下來可能形不成科學(xué)有效系統(tǒng)成果，對(duì)本世界級(jí)工程科學(xué)研究將造成不可估量的損失。所以必須建立高效、專業(yè)并與科研院校聯(lián)合的團(tuán)隊(duì)，保證8年工期能按時(shí)完工。所以超前地質(zhì)預(yù)報(bào)要建立高效、負(fù)責(zé)、擔(dān)當(dāng)、快速的指揮管理機(jī)構(gòu)。隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)組織管理框圖見圖1。

圖1 隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)組織管理框圖

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，責(zé)任分工要明確，要各負(fù)其責(zé)，層層落實(shí)，一環(huán)扣一環(huán)，責(zé)任要落實(shí)到人。第一責(zé)任人為勘測(cè)設(shè)計(jì)單位，要對(duì)地質(zhì)評(píng)價(jià)，災(zāi)害分析做到宏觀控制，微觀到位，對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料進(jìn)行全過程管理、分析、跟蹤、改進(jìn)、提高、綜合研究。

協(xié)調(diào)管理是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的中樞。分析決策是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵，預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確率是預(yù)報(bào)的核心。

技術(shù)支持是預(yù)報(bào)工作的強(qiáng)大的基礎(chǔ)理論支撐。成立超前地質(zhì)預(yù)報(bào)專業(yè)機(jī)構(gòu)，配齊地質(zhì)、物探、水文等專業(yè)人員，并配備先進(jìn)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)設(shè)備和儀器進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，組成超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合技術(shù)平臺(tái)。騁請(qǐng)目前國內(nèi)有豐富經(jīng)驗(yàn)的咨詢?cè)菏俊＜疫M(jìn)行定期不定期現(xiàn)場技術(shù)指導(dǎo)。

5 小結(jié)

從已探明的3條輸水隧洞的地質(zhì)條件分析，隧洞局部段仍具備發(fā)生破碎巖體塌方、斷層破碎帶突涌水、高地應(yīng)力產(chǎn)生巖爆、高外水壓力、軟巖大變形等地質(zhì)災(zāi)害的條件。雖然從設(shè)計(jì)思路看，具有重大地質(zhì)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(jí)的斷層或更多的小斷層。由于隧洞深埋超特長，地質(zhì)條件復(fù)雜，工程地質(zhì)條件災(zāi)害存在不可預(yù)見性，因此，開展長距離TBM施工風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)研究十分必要。在施工過程中，必須加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，提前做好超前加固及其它跟進(jìn)施工措施，做到科學(xué)、安全、高效掘進(jìn)，預(yù)防各種工程地質(zhì)災(zāi)害造成姿態(tài)失調(diào)、卡機(jī)、埋機(jī)等事件的發(fā)生，為TBM機(jī)和盾構(gòu)機(jī)順利掘進(jìn)施工保駕護(hù)航。