深埋超特长隧洞环境超前预报技术探讨

崔 健，李 莉

（1.新疆天合环境技术咨询有限公司，新疆乌鲁木齐830063；2.新疆新水建设工程咨询有限责任公司，新疆乌鲁木齐830000）

1 工程概况

新疆北疆供水二期工程由西二、喀—双、双—三等3段组成，线路总长540.5km，隧洞长516.4km。其中：西二段隧洞长140.7km，平均埋深271m，最大埋深720m，洞径7.8m，TBM掘进长度112.9km；喀—双段隧洞长283.3km，平均埋深428m，最大埋深774m，洞径7.2m，TBM掘进长度227.4km；双—三段隧洞长92.4km，平均埋深158m，最大埋深295m，洞径5.5m，TBM掘进长度72.0km。3段隧洞施工方法，主要采用18台敞开式TBM和3台盾构机掘进施工。

2 区域地质

2.1 地形地貌

工程区由北向南穿越阿尔泰山南坡和东天山北坡之间所夹的准噶尔盆地北部、东部边缘。地貌形态由中山区、低山区、低山丘陵区和山前冲洪积扇区，总地势北高南低，东高西低。中山区海拔高程600～1500m，相对高差150～650m，主要为牧区天然草场。低山区海拔高程550～1300m，相对高差50～150m；低山丘陵区，相对高差10～20m，均为戈壁荒漠区。冲洪积扇区海拔高程700～1000m，相对高差10～30m，主要为戈壁荒漠区。

2.2 地层岩性

工程区通过的地层为古生界奥陶系（O）黑云母石英片岩、泥盆系（D）凝灰岩、石炭系（C）凝灰质砂岩；华力西期（γ）片麻花岗岩、黑云母花岗岩，属厚层状和块状硬质岩，其次还分布少量中生界二叠系（P）、三叠系（T）、侏罗系（J）、白垩系(K)、第三系(N)砂岩、砂砾岩、泥岩夹砂岩和第四系(Q)碎石土等，属中厚层状软质岩。其中：奥陶系（O）+泥盆系（D）+石炭系（C）地层总长343.1km，占洞长66.4%；花岗岩（γ）总长130.1km，占洞长25.2%；二叠系（P）+三叠系（T）+侏罗系（J）+白垩系(K)+第三系(N)地层总长38.2km，占洞长7.4%；第四系(Q)地层总长5.16km，占洞长1.0%。

2.3 地质构造

工程区地处阿尔泰褶皱系和准噶尔—北天山褶皱系两大地质构造单元内，褶皱构造对地形地貌和地质构造起着主导作用。隧道穿越8条区域性断裂，破碎带地表宽度100～200m，最宽800m。同时，还分布次一级的断层破碎带129条。经统计，工程区通过的137条断层破碎带累计长度6.2km，约占洞长的1.2%。

3 隧洞主要工程地质问题

（1）塌方问题。根据前期勘察钻孔所揭露的岩芯、岩块试验、物探波速测试来看，洞身段基本均处于新鲜岩体内，以块状和厚层状为主，断层与节理裂隙不发育，围岩完整性较好。根据地质条件综合判断，3段隧洞易发生塌方的洞段共有19处，累计长度约52km。主要处于区域性断裂带内和局部较大的次级断层带内，其次是为隧洞浅埋段、河床段、软质岩段及地表水附近。

（2）涌水问题。洞线除穿越阿拉哈克河等5条小河流外，其它洞段无地表水分布。干燥，炎热、寒冷、多风，降水稀少，蒸发强烈是工程区的气候特点，因此地表水对基岩裂隙和断层破碎带补给量小，根据钻孔抽压水试验、勘探试验洞开挖揭露显示：

①围岩岩体完整洞段（如Ⅱ类或Ⅲa类围岩、局部Ⅳ-Ⅴ类软岩围岩段），主要以基岩裂隙水形式产生渗水、滴水或干洞（如：西二3#、喀双T1、T2+、T3、T4、T5、T6勘探试验洞、S1、S3竖井等）。

②围岩岩体较完整洞段（如Ⅲb类围岩段），主要以基岩裂隙水形式产生渗流或线状流水（如：西二1#、喀双T2、P2、P3勘探试验洞、S2竖井等）。

③围岩岩体完整性较差—差洞段（如Ⅳ-Ⅴ围岩或断层破碎带及影响带）和过河段、大冲沟段，主要以基岩裂隙水形式产生线状流水和小的涌水现象（如：西二2#、双三KP2、KP4勘探试验洞）。

根据勘探试验洞实际观测：西二2#，完成洞长2.4km，总涌水量Q=230m3/h(经灌浆处理后，总涌水量Q=70m3/h)；双三 KP2，完成洞长 2.0km，总涌水量 Q=160m3/h，KP4完成洞长1.8km，总涌水量Q=197m3/h(经灌浆处理后，总涌水量Q=60m3/h)。总之，隧洞局部可能存在发生突水或突泥的风险；易发生涌水的洞段与易发生塌方的洞段位置大致相同。

（3）岩爆问题。3条隧洞段共布置15个钻孔进行了不同岩性、深度的地应力测试，结果表明：西二段隧洞段有长度12.5km属中等地应力中等岩爆区；喀—双隧洞有23km属高地应力中等岩爆区。

（4）软岩变形问题。软岩主要集中分布在喀—双隧洞末端，总长12.15km，岩性为二叠系、三叠系砂岩、泥岩互层，属Ⅳ-Ⅴ类围岩；双—三隧洞后段，总长26.0km，岩性为侏罗系、白垩系、第三系砂岩夹泥岩、第四系含土角砾等。因此，在隧洞施工开挖过程中易发生塑性变形、围岩鼓胀（膨胀）或流变问题。如在施工的T5勘探试验洞桩号0+000～1+000范围内，岩性为二叠系砂岩夹泥岩互层，隧洞按设计断面开挖完成后，未及时跟进二次衬砌（暴露时间约2～3个月），一次支护产生了较大的塑性变形（累计变形量最大40cm），变形仍在继续。为保证施工安全，该段隧洞又进行了二次加强支护，主要采用加长、加密锚杆，并对底部仰拱采用混凝土封闭，监测资料显示变形趋于稳定。

4 超前地质预报技术

4.1 超前地质预报的必要性

超前地质预报是超特长隧洞施工过程中一项极其重要的工作，在隧洞施工过程中起到指导和预防作用。由于本工程隧洞线路长、埋深较大，地质条件复杂（褶皱、断层的异常发育），在施工过程中可能会遇到断层破碎带塌方或涌水、围岩变形、岩爆、膨胀岩等诱发的工程地质灾害，限于现在的技术水平和各方面条件限制,这些问题在前期勘察阶段无法完全查明。通过超前地质预报，可以及时发现异常情况，探测掌子面前方不良地质体的位置、产状及其围岩的完整性与含水体的可能性，及时预报突发性地质灾害。根据预报结果，可以及时采取措施，提前做好超前加固及其它跟进施工措施，做到科学、安全、高效掘进，预防各种工程地质灾害造成姿态失调、卡机、埋机等事件的发生。开展本工程复杂地质条件下超长隧洞重大工程的超前地质预报工作，对工程施工前与施工过程中超前预案制定，形成有效的地质灾害超前预报技术及防灾减灾技术对策，防止施工中对人员生命财产造成威胁，提高施工效率，具有重要的理论与现实意义，通过本工程超前地质预报工作，积累丰富的识别经验，形成具有自主创新的预报方法、预测参数，将国内工程界地质超前预报推上一个新的台阶。因此开展长隧洞超前地质预报是十分必要的。

4.2 超前地质预报的工作内容和解决的问题

超前地质预报是在分析前期地质勘察资料的基础上，结合隧洞开挖中的施工地质条件，采用地质分析、物探等手段，对隧洞开挖工作面前方的地质条件及不良地质体的工程性质、位置、产状、规模等进行探测、分析判断及预报，并提出建议措施。为正确选择开挖断面、支护参数和优化施工方案提供依据，并为预防隧洞围岩失稳等可能形成的灾害性事故及时提供信息，便于施工提前做好防灾预案，保证施工安全。

主要工作内容是：①地层岩性预报：包括对地层岩性分界、岩体的完整性，重点是对影响隧洞稳定的软弱岩层、破碎岩层和特殊岩（土）体的分布、厚度及位置进行预报；②断裂构造预报：包括断层的位置、宽度、产状、性质及含水情况等进行预报，预测围岩的稳定性及围岩类别。

主要解决的问题是：①断裂构造破碎带的塌方、卡机问题；②含水体、破碎岩体的涌水问；③软岩大变形的问题（特别是硬岩中的软岩）；④岩爆的问题；⑤工程预案及措施。

4.3 超前地质预报的原则

根据本工程隧洞线路长度、地质条件等实际情况，坚持超前地质预报“三结合”和风险靶段划分原则，即“地质与物探结合，洞内与洞外结合，长短距离及不同物探方法结合”。

（1）地质与物探结合。地质分析工作是超前地质预报工作的基础和重要环节，在较好了解地质情况的基础上，才能使物探的解释结果更接近真实情况，大大减少物探多解性带来的难题，离开了地质的物探极易偏离真实的地质，离开了物探的地质就很难将施工超前地质预报工作细化。

（2）洞内外结合。野外地质调查及已有前期勘探钻孔与洞内地质素描和洞内预报成果相结合，即宏观地质分析与具体的施工超前预报相结合。

（3）长短距离及不同物探方法结合。长距离超前预报探测距离较长，但准确性稍差，短距离超前预报探测距离较短，但准确性较高，两者的结合可以取长补短，有效提高超前地质预报的准确性。

（4）首先摸清大范围的区域地质构造；由宏观到微观、由面到线、由线到段，实行“长—中—短，短—中—长”循环预报机制，预报在先，措施跟进，处理得当。

（5）开机——“515”：坚持长距离500m～中距离100m～短距离50m的超前地质预报方法。

掘进——“人、机、岩三位合一”：优秀的操作班组，先进的TBM装备，掌握岩—机相适、人机相融、人—机岩信息感知科学方法。

（6）处理——“三个最”：最优的设计方案，最快支护方式，最佳的处理效果。

（7）目标—“产、学、研相结合”：打造一流的预报团队，填补预报科研的空白，拥有自主产权核心装备。

4.4 超前地质预报的方法和设备

目前国内外广泛使用的隧洞超前地质预报方法有：三维地震波法（地震反射、地震散射法）和电法。

地震波法仪主要有：TSP（瑞士）、TRT（美国）、TST（中国）、BMST（中国）、HSP206T（中国）等。主要运用于掌子面前方断层、破碎岩体塌方、卡机问题的预报。

电法仪主要有：激发极化探水仪、红外线探水仪、复频电导率CFC探水仪等。主要运用于预报掌子面前方断层、破碎岩体内和含水岩体的涌水问题的预报。

据了解，国内研发团队研发的与TBM搭载的仪器设备主要有：①北京同度工程物探研发的BMST地震散射仪；②中铁西南科学研究院研发的HSP206T型水平声波反射仪；③山东大学研发的激发极化探水预报仪。

4.5 超前地质预报工作重点及范围

超前地质预报主要针对本工程隧洞TBM掘进段和钻爆开挖段，在掘进和开挖过程中通过的不良地质段来开展工作。

（1）预报隧洞通过的区域性大断裂破碎带、较大次级断层破碎带段；

（2）预报隧洞通过的Ⅳ-Ⅴ类围岩段；

（3）预报隧洞通过的跨河和跨较大冲沟段。

本工程超前地质预报：Ⅳ类围岩长56.1km，Ⅴ类围岩长35.9km，深埋隧洞岩爆段围岩长35.5km，合计预报总长127.5km,占全隧洞总长的25%。

4.6 隧洞超前地质预报的组织管理

本工程由于线长、点多、面广、工期长，TBM机、盾构机集群化施工，超前地质预报工作必须组织常设机构进行综合分析研究，资料整理，下达预报结果及处理建议。如果是由各专业队伍来分段预报、个自为政，单独工作，各预报单位资料8年下来可能形不成科学有效系统成果，对本世界级工程科学研究将造成不可估量的损失。所以必须建立高效、专业并与科研院校联合的团队，保证8年工期能按时完工。所以超前地质预报要建立高效、负责、担当、快速的指挥管理机构。隧洞超前地质预报组织管理框图见图1。

图1 隧洞超前地质预报组织管理框图

超前地质预报工作是一项系统工程，责任分工要明确，要各负其责，层层落实，一环扣一环，责任要落实到人。第一责任人为勘测设计单位，要对地质评价，灾害分析做到宏观控制，微观到位，对超前地质预报资料进行全过程管理、分析、跟踪、改进、提高、综合研究。

协调管理是超前地质预报的中枢。分析决策是超前地质预报的关键，预报结果的准确率是预报的核心。

技术支持是预报工作的强大的基础理论支撑。成立超前地质预报专业机构，配齐地质、物探、水文等专业人员，并配备先进的预测预报设备和仪器进行超前地质预报工作，组成超前地质预报综合技术平台。骋请目前国内有丰富经验的咨询院士、专家进行定期不定期现场技术指导。

5 小结

从已探明的3条输水隧洞的地质条件分析，隧洞局部段仍具备发生破碎岩体塌方、断层破碎带突涌水、高地应力产生岩爆、高外水压力、软岩大变形等地质灾害的条件。虽然从设计思路看，具有重大地质缺陷洞段基本采用钻爆法提前安全通过，但TBM依然还要穿越137条次级的断层或更多的小断层。由于隧洞深埋超特长，地质条件复杂，工程地质条件灾害存在不可预见性，因此，开展长距离TBM施工风险控制技术研究十分必要。在施工过程中，必须加强超前地质预报工作，提前做好超前加固及其它跟进施工措施，做到科学、安全、高效掘进，预防各种工程地质灾害造成姿态失调、卡机、埋机等事件的发生，为TBM机和盾构机顺利掘进施工保驾护航。