當金山隧道地質災害與超前地質預報預警分析

付 偉

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 陜西西安 710043)

當金山隧道地質災害與超前地質預報預警分析

付 偉

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 陜西西安 710043)

當金山隧道地處阿爾金山與祁連山結合部位的當金山中高山區，通過兩條區域性大斷裂、8條次級斷層、3條背斜及4條向斜，存在高地應力軟巖大變形、巖爆、突涌水等施工地質問題。結合國內外特長隧道施工經驗，在充分分析隧道可能存在的施工地質問題基礎之上，結合國內外特長隧道施工經驗和教訓，以F5活動性斷層為例，提出了一套特長隧道超前地質預報預警預案。

超前地質預報 管理 預警分析 大變形 當金山隧道

1 超前地質預報發展現狀

隨著科學技術的發展，隧道施工技術得到了迅速提高和進步，隧道長度越來越長，斷面也越來越大，各種施工方法也相繼據產生[1]。鑒于目前國內投資環境、資金等限制因素，施工過程中除極少高風險隧道將超前地質預報納入施工管理程序進行專門研究外，絕大多數隧道施工中對超前地質預報工作不甚重視。同時，在開展超前地質預報工作中，大多數超前地質預報單位并未結合前期勘察成果進行深入分析，只是在已經出現坍塌、突涌水等事故情況下才不得不被動地進行后期綜合超前地質預報工作，給國家帶來巨大的經濟損失。目前的超前地質預報方法眾多，使用較多的有地質分析法、地質素描法、超前水平鉆探、TSP法，地質雷達法、瞬變電磁法、陸地聲納法及激發激化法等[2]。

2 隧道施工次生地質災害因素分析

目前，對于超前地質預報方法的研究較為成熟，但對于綜合超前地質預報管理系統研究則較少[3]。對于隧道來說，超前地質預報的時效性尤為關鍵，若能將一套高效的超前地質預報實施方案付諸實施，對減少隧道坍塌具有重要意義。目前，在隧道動態施工中對超前地質預報實施較為成功的有雪峰山高速公路隧道[4]、雁門關隧道等。盡管科學技術日新月異，但對于長大隧道的地質地質勘察工作仍無法擺脫“雙腿+榔頭+羅盤”的原始方式，即便是采用鉆探及物探手段進行驗證，受勘察成本限制，加之工作面前方地質條件復雜多變、局部隧道覆蓋層厚、埋深大、建筑物稠密等原因，對于隧道工程來說，會導致前期地質勘察結果細部地質特征與實際有所差別[5]，繼而帶來施工風險。因此，對于深埋長大越嶺隧道來說，如何有效分析隧道施工風險，有針對性的開展超前地質預報工作對隧道安全施工尤為重要。

不同的地質條件會造成不同的施工地質災害，如何有效分析隧道施工風險要從隧道的工程地質、水文地質條件進行綜合分析。

3 當金山隧道地質災害預警分析

3.1 隧道施工風險分析

當金山隧道地形地質條件復雜，影響隧道施工風險較多。因此，該隧道在進口段設置長度12.52 km長平導(見圖1)，利用平導查明隧道通過區地質條件，并指導隧道施工。

圖1 隧道工程設置示意

基于該隧道采用平導進行超前地質預報的的施工特點，綜合超前地質預報工作主要在平導內進行，結合地質調查法在隧道正洞內進行適當補充。

正在施工的當金山隧道為墩格鐵路的控制性工程，該隧道地處阿爾金山與祁連山結合部位的當金山中高山區，隧道長20.14 km，為單面坡隧道，進出口高差約300 m。隧道通過地層主要為長城系云母石英片巖，志留系中、下統云母石英片巖、綠泥石英片巖、大理巖及加里東期花崗巖；洞身通過兩條區域性斷裂及8條次級斷層破碎帶，累計斷層破碎帶寬度長度約1.35 km；通過三條背斜及4條向斜，最大埋深750 m，隧道通過寬度約850 m的F5深埋活動性斷裂。隧道存在高地應力，局部存在極高地應力，施工中有產生巖爆及軟弱圍巖大變形、突涌水等施工風險。預測該隧道最大涌水量為79 647 m3/d，反坡施工排水困難。為此，隧道設計中采用平導超前施工，利用平導預測正洞工作面的地質條件。該隧道存在的主要施工風險見表1。

表1 當金山隧道主要施工風險

3.2 超前地質預報方法優劣性分析

該隧道通過斷層破碎帶寬度較大，但不存在巖溶問題。針對隧道可能存在的施工風險，考慮到不同地質預報方法的優劣性差異，在全隧道采用地質編錄基礎之上，結合地質調查法，遵循洞內外相互印證、地質與物探相互結合、長短結合的方式，采用較為成熟的預報方法進行預報，常見超前地質預報方法優劣性見表2。

3.3 隧道超前地質預報預警機制研究

當金山隧道地形地質條件復雜，針對該隧道三高(海拔高、地應力高、地震烈度高)、兩低(氣溫及氣壓低)、三長(單面坡長、獨頭通風距離長、反坡排水距離長)、兩多(斷層破碎帶多、不良地質多)、“兩大(埋深大、水量大)的工程特點，結合該隧道采用大型機械化配套施工的特點，對該隧道采用綜合超前地質預報方案。

對于深埋特長隧道來說，由于超前地質預報結果的多解性，要求在預報過程中需對隧道的區域地質背景以及前期地質資料進行詳細分析，并結合施工階段地質調查與物探結果進行驗證，多種預報方法交叉使用，可以大大提高超前地質預報成果的準確性。而時效性則是超前地質預報的又一重要特征，向施工單位及設計部門準確、及時提供超前地質預報結果，有助于準確把握施工節奏、降低施工風險。一般而言，對于超前地質預報結果時效性的要求，則根據地質復雜程度的不同，結合隧道各區段風險等級的劃分，有不同的要求。在巖體較完整，施工風險較小時，則48 h內提供電子版綜合物探成果報告，一周內提供可視文檔；存在一定施工風險，工作面前方有可能產生小的坍塌，屬于警報，12 h內提供電子文檔，同步提醒施工單位注意施工安全；當超前地質預報結果發現工作面前方出現較大施工風險，巖體極破碎，有可能產生坍塌、突水突泥時，應在6 h候內提交電子文檔，并建議加強支護，同時啟動應急預案，確保施工安全。

表2 常見超前地質預報方法優缺點分析

在超前地質預報實施過程中，先根據地質編錄及地質調查法初步判定工作面前方近距離地質條件，然后結合TSP探測結果，確定是否采用其他物探方法。在該隧道中由于F5斷層破碎帶內物質組成復雜、埋深大，具有高地應力，設計中采用多種方法進行探測，尤其是在進出斷層破碎帶時，還需采用超前水平鉆探進行實際驗證，其具體實施流程見圖2。

圖2 綜合超前地質預報流程

4 針對F5斷層的綜合超前地質預報預警分析

F5斷層為全新世活動性斷裂，產狀N70°～85°E/65°～80°N，寬度約825 m，EH4分析結果顯示斷層破碎帶下大上小，呈倒喇叭型(見圖3、圖4)。核部為斷層角礫，兩側為壓碎巖，北側為侵入接觸帶，該斷層為左旋走滑并向南逆沖的全新世活動性斷裂[7]，存在高地應力。隧道在通過斷層破碎帶時，會產生軟弱圍巖大變形，在通過花崗巖地段會產生巖爆。F5斷層破碎帶綜合超前地質預報設計如圖5所示。

圖3 F5斷層破碎帶平面示意

圖4 F5斷層破碎帶縱斷面

5 結論

(1)超前地質預報的最終目的是為施工服務，因此超前地質預報應具有很強的時效性，這就要求超前地質預報結果及時、準確，讓設計和施工具有可操作性。

(2)超前地質預報結果的分析，應結合地質資料進行綜合分析，必要時應采用多種預報方法綜合運用，以減少物探解析結果多解性與實際結果的偏差。

圖5 F5斷層破碎帶綜合超前地質預報設計示意

(3)對于在施工中有可能產生后期變形地段，不僅僅要重視工作面前方地質條件的預報，同時應根據地質條件，對施工及后期可能存在的施工地質問題進行預測，必要時應采取積極應對措施，避免初期支護完成之后產生變形，甚至坍塌。

(4)對于超前地質預報來說，僅僅具有好的預報方案是遠遠不夠的，如何將施工預警機制與實施方案以及施工團隊有機結合，同時運用準確的超前地質預報結果來指導施工，對于保障施工安全，提高工作效率具有積極意義。

[1] 葉英.隧道施工超前地質預報[M].北京：人民交通出社，2011

[2] 李術才,等.高風險巖溶地區隧道施工地質災害綜合預報預警關鍵技術研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27(7)：1297-1307

[3] 葉英.地下工程施工超前地質預報系統研究[J].工程地球物理學報，2009，6(1):17-22

[4] 張志龍，王蘭生，王樂飛，等.雪峰山高速公路隧道F2斷層帶的綜合超前地質預報[J].巖石力學與工程學報，2007，26(1)：3311-5

[5] 王夢恕.對巖溶地區隧道施工水文地質超前預報的意見[J].鐵道勘察，2004(1):7-9

[6] 鐵建設[2008]105號鐵路隧道超前地質預報技術指南[S]

[7] 甘肅省地震工程研究院.敦煌至格爾木鐵路甘肅段地震安全性評價報告[R].蘭州：甘肅省地震工程研究院，2011

[8] 李國良，朱永全.烏鞘嶺隧道高地應力軟弱圍巖大變形控制技術[J].鐵道工程學報，2008(3)：54-60

[9] 錢偉平，郭啟良.烏鞘嶺隧道地應力特征與軟弱圍巖的變形防治[J].鐵道勘察，2007(2)：201-205

[10]趙旭峰，王春苗.烏鞘嶺隧道F7斷層施工力學行為研究[J].地下空間與工程學報，2007(4)：277-282

EarlyWarningAnalysisAboutGeologicalDisastersDuringConstructionandAdvanceGeologicalForecastofDangJinshanTunnel

FU Wei

2014-02-20

付 偉(1981—)，男，2005年畢業于西南交通大學地質工程專業，工程師。

1672-7479(2014)04-0054-04

U456.3+3

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