国道217线玉希莫勒盖隧道施工超前地质预报技术研究

摘 要：在建G217线改扩建工程新建玉希莫勒盖隧道位于中天山玉希莫勒盖达坂，隧道长度为1943 m，为单洞双向两车隧道，其垭口高程达3428m；隧道地处高纬度、高海拔的双高寒冷地区，隧道具有地质条件复杂、变化多，断裂构造复杂，岩层节理裂隙发育、连通性好，地下水丰富等特点。本论文基于新疆在建的玉希莫勒盖隧道，提出了“中、长物探和水平地质钻探验证为主，短距离地质素描分析和红外探水为辅，超长炮孔加密确认为主要内容的“多阶段、多层次、多方法”的“综合立体式超前地质预测预报技术”。以“综合立体式超前地质预测预报技术”为指导，将超前地质预报纳入施工监测程序，并在施工中认真实施，顺利完成了隧道的施工工作，为同类隧道的施工提供了积极地借鉴意义。

关键词：隧道工程 复杂地质条件 地质预报技术 玉希莫勒盖隧道

中图分类号：U456.3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（a）-0037-04

大型隧道工程是国家社会经济的重要基础设施，其安全正常工作对于社会的可持续发展有着非常重要的作用。随着我国交通事业的快速发展，特别是随着西部大开发政策的进一步落实，在西部的高海拔寒冷地区将会有大量新的隧道建成。目前在建的寒冷地区隧道与以往寒冷地区的隧道相比，规模更大、技术要求更高、气候条件更加恶劣，为地下工程学科提出了更高的要求。复杂地质条件下长大隧道的安全快速修建技术是当前交通建设急需解决的关键问题之一，是当前隧道建设研究的热点和重难点。隧道安全快速施工的关键是在施工前对隧道施工前方一定范围内的地质体情况的准确预测和分析，在此基础上制定切实可行的施工方案，因此，复杂条件下长大隧道的超前地质预测预报技术就显得尤为重要。复杂岩溶隧道施工中的超前地质预测预报就是要在隧道施工前采用物探、钻探等探测手段和方法，结合地质分析对隧道前方一定距离和范围内的不良地质进行综合分析和预测，提前发现隧道施工前方岩土体的变化，得到可信的地质信息，并以此为基础进行隧道开挖方式、支护方案和施工组织的设计、安排，规避风险，确保隧道施工安全。

目前穿越天山沟通南北疆的有G314线、G216线和G217线三条通道，且各相距200多公里。国道217线是一条沟通南北疆的大通道，是新疆“二纵三横”公路主骨架中的一纵，同时又是国家国防公路网络中的一条重要组成路线，在新疆公路网中占据着最重要的地位。独山子至库车公路是其南段，它正好纵贯天山，全长532 km，其中乔尔玛至那拉提段需翻越天山玉希莫勒盖达坂，是其中重要的一段。本次改建以新建隧道翻越玉希莫勒盖达坂，设计为单洞双向两车道，隧道长度1943 m，为长大隧道。隧道位于中天山玉希莫勒盖达坂，进口位于既有玉希莫勒盖隧道右侧对面山体上，沿既有公路隧道进口里程约为K722+095，位于山前坡积体上；出口里程为K724+038，长度1943 m。进口高程约为3200 m，出口高程约为3230 m，出口与地形等高线基本正交，然后接上废弃的老路。隧道在进口段穿越断层，断层带分布在玉希莫勒盖达坂顶部偏南，其长度大于60 km，断层总体走向N49°W，倾向NE，局部略有曲折，倾角80°～85°，与线路在K723+750（设计桩号）处斜交，断层破碎带宽度150～200 m，其主要为因强烈的构造挤压变质作用形成的绿泥石片岩及绢云母片岩。隧道洞身于K723+600～K724+038通过该断层破碎带，受断裂构造影响，围岩岩体极为破碎，易产生透水、坍塌等不良地质问题，（图1）为隧道与总体线路布置关系的示意图。

1 预报方法的选择

当前隧道超前地质预测预报技术主要采用物理探测和地质钻探相结合的方法进行。前者主要有TSP（隧道超前地质预测预报系统）、地质雷达等，后者主要采用超前水平钻和加长炮孔等；因物探本身具有的特点如多解性和不确定性等，以及地质钻孔本身的局限性（以一孔之见，推测周边），探测的精确性和可信度受到限制。特别是在复杂岩溶长大隧道施工中，因岩溶发育的不规则性，物探结合钻探的探测预报技术的局限性表现的更为突出。为之，结合玉希莫勒盖隧道特点有针对性地选择施工超前地质预报技术意义重大。

1.1 预报方法选择的原则

各种隧道施工期超前地质预报方法各有优缺点，因此选择正确的隧道施工期超前地质预报方法是预报成功的关键。隧道施工地质超前预报是施工提前采取预报措施、避免灾害的发生或在一定程度上减少灾害发生所引起的损失、保证隧道施工期间安全的需要，同时也是当今环境生态保护给隧道工程建设提出的要求。由于隧道工程面临的施工地质问题的复杂性，往往靠单一的某种预报方法是难以把握的，因此需要联合一种或多种地质预报方法。预报方法的选择应遵循以下原则：（1）有牢固的理论基础。（2）不占用或很少占用掌子面施工时间。（3）使用性强。（4）操作简便。（5）能取长补短。（6）能适应隧道工程施工的需要。（7）对隧道施工所面临的地质问题具有针对性。表1给出了各种地球物理探测方法的主要特点及优缺点对比表。

1.2 玉希莫勒盖隧道的超前地质预报

玉希莫勒盖隧道隧址区地质构造较为复杂，主要受玉希莫勒盖断层影响，与线路在K723+717（设计桩号）处斜交，断层破碎带宽度150～200 m。隧道洞身于K723+600

～K724+038通过该断层破碎带，受断裂构造影响，围岩岩体极为破碎，易产生透水、坍塌等不良地质问题。地下水类型主要为基岩裂隙水，透水性主要受岩性、节理裂隙的发育程度及连通性控制，属于弱～中等透水。为保证顺利的施工，开展超前地质预报工作，以制定有效的施工方案，确定合适的施工工艺，确保施工的顺利进行。此外，新建玉希莫勒盖隧道下有泄水洞，而泄水洞施工与隧道施工相比超前距离不小于100 m，可以由泄水洞的超前开挖预判隧道的地质情况。

针对以上物探、钻探的特点，结合玉希莫勒盖隧道施工特点，通过施工中的不断实践和总结，提出了“中、长物探和水平地质钻探验证为主，短距离地质素描分析和红外探水为辅，超长炮孔加密确认为主要内容的“多阶段、多层次、多方法”的“综合立体式超前地质预测预报技术”。

1.2.1 超前探测

（1）综合超前物探：主要针对断层破碎带及其影响带、层间滑动带、构造及裂隙发育带、岩层突变地带的超前探测。远距离超前物探：采用TSP203地质探测仪（探测距离150 m）。近距离超前物探：首选方法为地质雷达（探测距离4～30 m），对比方法为数码成像，跨孔声波CT成像法（表1）。

（2）水平钻超前探测：采用钻孔超前探测，钻孔主要布置在开挖面及其附近，既可在超前导洞内布置钻孔，也可以在主洞工作面上进行钻探，钻孔长度30～50 m，由钻进速度的变化、钻孔取芯鉴定、钻孔冲洗液颜色、气味、岩粉、钻孔出水情况及遇到的其它情况来预报、推断隧洞前方的地质情况，并验证近距离超前物探结果。探水钻孔平面图及其探水作业流程图如（图2～图3）所示。

1.2.2 常规地质法

（1）正洞掌子面与侧壁的量测和地质素描。主要工作有：地层岩性特征、结构面性质与产状及发育程度、岩体破碎程度与充填情况、洞壁变形破坏特征、突泥与塌方部位、方式与规模及其随时间的变化特征。

（2）地质构造的地下与地表相关性分析。

（3）地质作图（几何作图、块体坐标作图，赤平投影作图、洞身地质展示图等）。在此基础上，对掌子面前方一定范围内（约5～20 m）的地质条件进行预测预报。

1.2.3 红外探水

红外探测可以实现对隧道全空间、全方位的探测，仪器操作简单，能预测到隧道空间及掘进前方30 m范围内是否存在隐伏水体或含水构造，而且可利用施工间歇期测试，基本不占用施工时间。现场测试有两种方法：一是在掌子面上，分上、中、下及左、中、右六条测线的交点测取9个数据，根据这9个数据之间的最大差值来判断是否有水；二是由掌子面向掘进后方（洞口）按左边墙、拱部、右边墙的顺序进行测试，按5 m或3 m测取一组数据，共测取50 m或30 m，并绘制相应的红外辐射曲线，根据曲线的趋势判断前方有无含水。掌子面上9个数据的最大差值大于10μw/cm2，就可以判定有水；红外辐射曲线上升或下降均可以判定有水，其它情况判定无水（图4）。

1.2.4 洞内涌突水的实时监测

涌突水点（掌子面炮眼涌突水）的实时监测。监测内容包括水的水温、水量、水压、水质与同位素化学，各涌突水点的位置（里程）、地层岩性、裂隙发育特征等。洞身涌（突）水动态监测。包括：涌（突）水点地质档案、涌（突）水点空间分布、单点涌（突）水量及其动态、涌（突）出机制、涌（突）水的化学与同位素化学动态特征。洞内气温与温度监测。

1.3 综合立体式超前地质预报技术及其应用

受技术发展水平的限制，目前还没有哪一种技术方法和手段能解决施工超前地质预报中的所有地质问题，因此施工阶段采用多种技术方法和手段进行“综合立体式”超前地质预报十分必要。若采用综合立体式地质预报方法，地质预报资料的综合判析就显得特别重要，它负责对所采用的各种预报手段获得的资料进行归纳、分析、对比，提出最终预报结论和工程措施建议，指导施工，并确定下一步预报的方案和各预报手段工作计划。在隧道穿越复杂地质条件的地质超前预报过程中，创造性地提出了以中长超前物探和超前水平地质钻探验证为主，辅以短距离地质素描超前分析和施工前超长炮孔加密确认的“多阶段、多手段、多层次”的“综合立体式超前预报技术”。采用综合立体式超前地质预报技术，长距离预测预报距离为30～120 m，以地质雷达、TSP等为手段结合地面地质工作综合预报，针对较大物探异常，辅以超前水平钻验证；短距离预测预报距离为5～30 m，在长距离预报基础上，以红外探水、5～8孔超长炮眼和30 m超前钻孔为手段，结合掌子面地质素描工作综合预报；以此形成隧道周围30 m范围和隧道前方100 m范围内有较高精度的超前地质探测。玉希莫勒盖隧道综合超前地质预报法的预测结果如表2所示。

2 结论

隧道地质灾害超前探测与预报，进行隧道信息化施工，对减小施工的盲目性、确保工程安全有着重要意义。当隧道施工时遇到断层、岩溶等不良地质情况时，超前地质预报显得尤为重要。选择合理的超前地质预报方法，将几种探测方法有效的结合起来，取长补短，相互印证和补充，能对隧道开挖过程中的不良地质情况进行准确预测。从而避免工程事故的发生，保障了施工安全性和进度，同时节省大量资金。在玉希莫勒盖隧道地质预测、预报工作中，通过不断的探索、实践和总结，逐渐形成了以中长超前物探和超前水平地质钻探验证为主，辅以短距离地质素描超前分析和施工前超长炮孔加密确认的“多阶段、多手段、多层次”的“综合立体式超前预报技术”。以此技术为依托对强岩溶区富水隧道施工进行超前地质预测、预报，成功地穿越了玉希莫勒盖隧道复杂地质条件洞段。玉希莫勒盖隧道2013年6月30日胜利贯通，实现了施工零伤亡的安全目标，该隧道的施工实践表明，对于复杂地质条件下的隧道，采用“综合立体式超前预测预报技术”，能够比较清楚、可信地了解隧道周边和掌子面前方100 m范围内岩层水文地质情况的变化，避免因地质条件不清楚盲目施工而导致发生隧道地质灾害，进而获得可观的经济、社会和环境效益。

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