阿爾金山特長隧道綜合勘察技術的應用

袁勇濤

中鐵第一勘察設計院集團有限公司,陜西 西安 710043

1 工程概況

阿爾金山特長隧道位于柴達木盆地和塔里木盆地的界山——阿爾金山山脈內，是格爾木至庫爾勒鐵路的控制性工程。隧道全長13195 m，隧道最大埋深650 m，洞身采用人字坡設計，鉆爆法施工。

阿爾金山山脈西連昆侖山于蘇拉木塔格，東接祁連山于當金山埡口，整體呈NEE走向，山脈全長700余km，寬約80～200 km，平均高度3000～4000 m。格爾木至庫爾勒鐵路（以下簡稱格庫鐵路）通過的巴什考拱越嶺地區，基本為無人區，地質條件復雜而地質資料匱乏，勘察調查異常困難。阿爾金山特長隧道的勘察，在航測遙感、大面積地質調繪的基礎上，采取綜合物探、深孔鉆探、地應力測試等綜合勘察技術和方法，查明了隧道的工程地質條件和水文地質條件。現場施工表明，揭示圍巖情況與設計相符度較高。

圖1 特長隧道綜合勘察流程示意圖Fig.1 Comprehensive survey processes for the super long tunnel

2 地質條件

2.1 地形地貌

特長隧道位于阿爾金山系中段的巴什考供埡口，穿越索爾庫里盆地、阿爾金山主山脊兩個次級地貌單元，隧道洞身大角度與近東西走向的阿爾金山主峰相交。

索爾庫里盆地為阿爾金山內山間盆地，海拔高程2900～3400 m，靠近隧道進口側的單面坡自然坡度20‰～50‰，地表呈礫石荒漠景觀；阿爾金山主山脊為連綿起伏高山區，三道主峰高度3700～3960 m，中間分布兩個山間盆地，相對高差140～470 m。山體主峰兩側南坡緩北坡陡，基巖裸露；兩個山間盆地呈U字型，發育東西向沖溝，溝內地表覆積碎石類土。

2.2 地層巖性

隧道洞身經過的巖系較為復雜，出露巖類主要為沉積巖和變質巖，地層時代為第四系、第三系和元古界薊縣系，以元古界地層為主。沉積巖主要分在小里程段落，巖性為泥巖、礫巖、白云巖及灰巖，以白云巖和泥巖夾砂巖為主，其中白云巖段落長約7 km；變質巖系主要分布在大里程段落或局部出現，包括動力構造變質與接觸變質作用成因的變質巖，巖性主要為：板巖、片巖、千枚巖、石英巖等，以千枚巖和石英巖與片巖互層為主。

2.3 地質構造

隧道工程主要位于塔里木微地塊的阿爾金山斷隆內，其位于塔里木東南緣，南以阿爾金山斷裂為界與柴達木、東昆侖相鄰。斷塊區以太古宙麻粒巖為基底，地質歷史悠久，地質構造復雜。長隧道所經過的地質構造，褶皺以額蘭塔格復向斜為中心，核部位于進口端第一盆地內，南翼（小里程端）發育第一個次級背斜，北翼（大里程端）地層大多南傾，至出口附近發育第二個次級背斜；其余地段局部分布揉皺。斷裂構造隨地形發育，在山前發育正斷裂F6，第一盆地兩側邊緣發育F7、F8，第二盆兩側邊緣發育F9、F10，山脊及盆地內發育其它次級斷裂；節理密集帶因多期次構造運動在山體內十分發育，多與褶皺、斷層伴生。

2.4 水文地質特征

2.4.1 地表水 隧道位于阿爾金山脈東段，索爾庫里盆地北緣，巴什考供盆地南側，處于高山地區。基巖風蝕、侵蝕嚴重，地形破碎。山脈呈東西向延伸，總的地勢為南高北低、北陡南緩。山脊北側切割劇烈，溝谷狹窄，山脊呈魚鰭狀；山脊南側切割中等，溝谷深而較寬。隧道洞身發育兩大盆地，形成兩個獨立的地表水流域系統。區域內除距離洞身較遠的紅柳溝（距離隧道洞身10～13 km）為常年流水外，其余均為季節性沖溝。

2.4.2 地下水 隧址區山體雄渾寬厚，地下水接受補給范圍較大，尤其是山間兩大谷地地形平坦，有利于降雨入滲的補給，阿爾金山山區隧址區每年9月至次年5月降雪不斷，折合降水量達200～400 mm，成為地下水的主要補給來源。隧道區山體巖層經歷多次構造運動，褶皺、斷裂、節理裂隙均較發育，其不同的巖性接觸帶、斷層帶、向斜、背斜、巖層的片理、層理、節理裂隙及可溶巖孔隙裂隙等為地下水儲存、運移提供了空間和通道。隧址區地下水主要類型為第四系松散層孔隙潛水、基巖裂隙水及巖溶裂隙水為主，其中基巖裂隙水主要為網狀風化基巖裂隙水及脈狀構造裂隙水，受所處地貌位置、構造部位和巖性特征的控制，并因補給條件的不同，地下水的分布呈現明顯的差異。

圖2 阿爾金山隧道地質縱斷面及輔助坑道示意圖Fig.2 Geological longitudinal section and auxiliary tunnel inAltun Mountain

3 綜合勘察

針對阿爾金山特長隧道的幾個特點[1]：（1）高原高海拔無人山區，地形起伏大（2）第四系覆蓋層段落較長（3）易溶巖發育段落長（4）地質構造復雜，采取了綜合勘察技術，具體如下：

3.1 遙感判釋

初測前，采用美國陸地資源衛星TM5（30 m）數字圖像為主要信息源，選擇TM7-4-2波段進行信息增強，圖像清晰度好、層次比較豐富、近似于真彩色，在識別地形地貌特征、區域地質構造背景等方面有比較好的效果。搭配大比例尺黑白航片，對特長隧道越嶺地區構造斷裂，溝谷區的崩塌、危巖、泥石流溝等不良地質體進行了重點判讀，效果良好。結合現場地質調查，參考已有大比例尺區域地質資料，綜合編制完成1:50000越嶺長隧道地質遙感解譯圖，編寫完成工程地質評價報告，為進一步選線和勘察調查提供基礎工程地質資料。

3.2 地質調繪

3.2.1 工程地質調繪 初測階段，根據區域地質資料和遙感判釋建立的沿線主要地層層序和構造輪廓，結合區域地質資料匱乏的特點，采取網格狀地質普查調查的方式，進一步細化地層巖性的分布特征、組合關系和地質構造的展布、規模和性質，節理裂隙的發育特征等。

加深地質及定測階段，結合推薦隧道方案，在線路中心2 km范圍內進行細化調查，重點調查斷裂構造、軟弱巖層、節理密集帶、巖溶分布和進出口，為準確查明和評價隧道工程地質條件、統籌綜合勘探起到了基礎性作用。

3.2.2 水文地質調繪 針對隧道區的水文地質條件，采用綜合水文地質勘察方法及手段，對隧道周邊地表水、泉水進行了測流，開展了鉆孔水文地質試驗（抽水、提水試驗）以及水文綜合測井，同時進行了地下水的侵蝕性分析等。

3.3 綜合物探

3.3.1 音頻大地電磁法和高密度電法 根據隧道區域地質、地形、氣候、交通等特殊情況，綜合物探采用音頻大地電磁法（AMT法）為主、高密度電法為輔對測區有重點、有目標地開展地面物探工作；對進口端第四系淺埋段采用高密度電法和AMT相結合，在1號盆地和2號盆地，布置了平行輔助斷面，進行了二維反演。物探主要解決了以下地質問題：

（1）地層巖性方面：進口淺埋端DK568+700～DK570+300段，泥巖夾礫巖，ρ=30～50 Ω·m；風化破碎白云巖，ρ=200～1500 Ω·m。進口基巖區DK570+762～DK573+700段，整體而言，隧道均在白云巖中通過，電阻率ρ=500～10000 Ω·m，其中三段低電阻率地段，可能為巖溶發育區或富水節理密集帶。以一號盆地為例，區域DK573+700～DK575+800段，白云巖ρ=800～10000 Ω·m，部分為泥炭質板巖或片巖，電阻率較低ρ=50～800 Ω·m；嶺脊段由于地形條件限制，AMT測點較少，風化破碎層，電阻率ρ=200～800 Ω·m；較完整的白云巖，電阻率ρ=800～4000 Ω·m，片巖，電阻率ρ=50～800 Ω·m。

（2）地質構造及富水性方面：DK570+300～DK570+762電阻率低為F6-1斷層，DK571+550～DK571+760電阻率兩側低為F6-2，DK572+440～DK572+720電阻率比兩側明顯低，為巖溶發育區；第一個山間盆地區域的物探異常帶中，DK574+180～DK574+360為F7，DK575+765～DK574+883為向斜核部，DK575+110～DK575+230電阻率明顯低于兩側，為巖溶發育區，該段在物探異常帶及電阻率變化較大段落存在發生集中突涌水的可能；DK577+185～DK577+370段電阻率較兩側低，為F9-1斷層，DK577+962～DK578+150段電阻率較兩側偏低，為F9斷層，DK579+400～DK579+600電阻率低為F10斷層。隧道在物探異常帶，特別是電阻率變化較大地段存在集中涌水及突涌水的可能。

圖3 阿爾金山特長隧道第一盆地AMT示意圖Fig.3AMT diagram of Basin No.1 in super long tunnel Altun Mountain

3.4 鉆孔、地應力測試和綜合測井

根據前期地質遙感、地質調查和綜合物探的勘察成果，有針對性的在進口第三系泥巖與白云巖分界段、進口白云巖巖溶發育區（富水節理密集帶）、第一、二盆地推測斷層帶（巖性接觸帶）、出口巖性夾層結合部等關鍵部位布置了深孔鉆探，對重要異常點進行了鉆探驗證，相符性較高[2]。

隧道選取了一號盆地AEJSZ-2孔、二號盆地AEJSZ-3孔進行了深鉆孔地應力測試，結果表明區域應力場分布有以下特征：（1）該區三向主應力的關系為SH＞Sh＞SV。據此可以認為，該區具有較為明顯的現今水平構造應力作用，水平主應力作用為主；（2）AEJSZ-2孔測試深度范圍內，最大水平主應力值為9.83～20.19 MPa，最小水平主應力值為7.63～13.04 MPa。極高地應力的情況占全部測段的100%。AEJSZ-3孔測試深度范圍內，最大水平主應力值為11.25～22.18 MPa，最小水平主應力值為7.75～13.58 MPa。極高地應力的情況占全部測段的100%；（3）根據鉆孔的印模測試結果，阿爾金山特長隧道附近實測最大水平主應力優勢方向為N19～26°E，擬建隧道軸線方向為N6°W。二者夾角較小，因此最大水平主應力方向有利于擬建隧道的穩定；（4）根據水壓致裂原地應力測試，得到巖體的原地抗張強度。阿爾金山特長隧道AEJSZ-2孔原地抗拉強度值一般為2～4 MPa。阿爾金山特長隧道AEJSZ-3孔原地抗拉強度值一般為1.5～3MPa。鑒于阿爾金山特長隧道穿越的區域地形起伏較大，隧道埋深較大，加之該區域屬于現今構造運動比較強烈的地區，在工程設計和施工過程中，對高地應力給隧道穩定性造成的影響，及可能發生的巖爆及斷面收斂變形給予充分的重視。

隧道前后對多孔進行了綜合測井，除物探綜合測井外，還進行了水文地質綜合試驗、巖土物理力學試驗、地溫測試等，為分析地質特征、提供設計施工參數等，提供了有力依據。

3.5 勘察成果

3.5.1 隧道圍巖劃分 根據本隧道勘察資料，在部分勘察數據較充分的段落，采取了巖體基本質量指標；同時對全隧道進行了鐵路隧道圍巖分級，并將兩者進行了對比綜合分析，最后確定了隧道圍巖分級情況。

（1）巖體基本質量指標（BQ）的確定：根據巖石的單軸飽和抗壓強度Rc、巖塊縱波波速、巖體縱波波速確定的基本質量指標，再參考地下水影響、主要軟弱結構面影響、地應力影響，得到修正后的BQ修正值如表1。

表1 阿爾金山隧道BQ值Table 1 BQ values of Altun Mountain Tunnel

根據BQ值的結算結果分析顯示，隧道進口端白云巖整體相對較好，巖體較完整段落，基本質量分級應處于Ⅱ～Ⅲ之間；隧道出口段片巖硬度較高，位于貧水區，巖體較完整段落基本質量分級處于Ⅲ～Ⅳ之間；隧道中段灰巖，BQ值相對較低，分析為受地應力影響，巖體破碎所致，基本質量分級以Ⅲ級為主。

（2）鐵路隧道圍巖分級結論：第四系上更新統至全新統洪積細角礫土，地層松散-中密，層間結合力差及自穩能力較差，圍巖基本分級確定為V級。

第三系泥巖、砂巖，以泥質膠結為主，屬軟巖，巖體較完整，主要分布于隧道進口，埋深不大，洞身位置處于地下水之上，圍巖基本分級確定為Ⅳ級。

元古界薊縣系白云巖，屬硬巖，巖體非常完整段落，圍巖基本分級確定為Ⅱ級；一般段落巖體較破碎，圍巖基本分級確定為Ⅲ級；在巖相過渡帶及構造帶附近，構造裂隙特別發育，巖體破碎，圍巖等級相應降低為Ⅳ級；物探反映低阻異常帶、節理密集帶、可能發育溶蝕帶，圍巖等級也相應降低為Ⅳ級；個別地段巖體破碎、富水性強，圍巖分級為V級。

元古界石英巖，巖質堅硬，屬極硬巖，巖體較完整，但由于受多期構造影響，節理、裂隙發育，洞身圍巖處于極高地應力狀態下，易發生巖爆，圍巖分級綜合確定為Ⅱ～Ⅲ級。巖相過渡帶、物探低阻異常帶，圍巖分級綜合確定為Ⅲ～Ⅳ級。

元古界石英片巖，屬軟質巖，受構造影響節理裂隙較發育，鉆孔揭示層間含有滲水，圍巖分級綜合確定為Ⅳ級；特別完整、無滲水地段Ⅲ級；斷裂構造及其影響帶、巖相過渡帶、物探低阻異常帶及強富水段落，圍巖分級為V級。

元古界片巖、千枚巖，局部夾石英巖條帶，屬軟質巖或以軟巖為主的軟硬巖互層，受構造影響節理裂隙較發育，鉆孔揭示層間含有滲水，圍巖分級綜合確定為Ⅳ級。斷裂構造及其影響帶、巖相過渡帶、物探低阻異常帶及強富水段落，圍巖分級為V級。

長隧道斷層破碎帶主要為壓碎巖、斷層角礫，局部為斷層泥，經過多期活動，且處于高應力狀態下，斷帶物質多破碎，鉆探揭示斷層帶內多可見地下水，圍巖分級確定為Ⅳ～V級。在斷層兩側各50～100 m斷層影響帶范圍內，圍巖分級確定為Ⅲ～Ⅳ級。

（3）圍巖分級情況：隧道全長13195 km，其中Ⅱ級圍巖3740 m/9段，占28.3%；Ⅲ級圍巖3945 m/24段，占29.9%；Ⅳ級圍巖3465 m/23段，占26.3%；V級圍巖2045 m/9段，占15.5%。

3.5.2 隧道涌水量預測 根據水文地質勘查資料，長隧道采用了大氣降水入滲法、裘布依法和古德曼法三種方法計算隧道涌水量。預測正洞折減后隧道正常涌水量10683 m3/d，折減后隧道最大涌水量44629 m3/d。隧道（平導）正常涌水量為17827 m3/d，最大涌水量為74428 m3/d。隧道正洞巖溶裂隙水中等富水區I，長7.195 km，占總長的55%，基巖裂隙水中等富水區Ⅱ，長2.59 km，占總長度的20，基巖裂隙水弱富水區分Ⅲ（Ⅲ-1、Ⅲ-2），長3.875 km，占總長度的17%，貧水區Ⅳ，總長為1.045 km，約占總長度的8%。

4 施工驗證情況

目前，隧道施工進展順利，進口兩斜井已完成，出口平導完成超過一半，隧道正洞施工超過4 km。已施工開挖部分表明：巖性上，隧道進口第三系地層、進口白云巖段落、第一盆地片巖、出口石英巖與石英片巖互層段落，設計與施工基本相符；地質構造方面，已揭示的F6、F6-1、F7、F10等斷層，位置設計與施工相差很小，斷帶物質設計與施工略有差別，實際施工深埋地段斷帶物質穩定性較好；水文地質方面，涌水段落、最大涌水量等均與設計相符。目前進展表明，阿爾金山特長隧道的綜合勘察是較成功的。

5 結 論

在地質資料匱乏、生存條件困難的無人區進行越嶺特長隧道的地質勘察，需要一套成熟有效可行的勘察技術。阿爾金山越嶺長隧道的勘察及施工實踐表明[3]，以航測遙感、地質調繪為先導，在多種物探手段及綜合分析的基礎上，進行鉆探驗證和孔內綜合測試，多種方法進行圍巖分級和涌水量預測，得到綜合成果報告。施工實踐證明，這種特長隧道綜合勘察技術，是對各勘察方法的取長補短、相互驗證、對比復解、融合貫通，是成熟有效可行的，具有明顯的技術和經濟價值。

阿爾金山特長隧道在綜合勘察的過程中，在兩個方面具有創新意義：一是充分結合地形地質特點，采取多條平行AMT物探剖面進行二維反演，結合深孔鉆探，對一號盆地內的覆蓋性向斜進行了較精確的判定和定位；二是在部分段落，充分利用巖石試驗、勘探測試等多方面資料，進行了隧道圍巖的定性分析與定量分析相結合。實踐表明，在足夠多的樣本情況下，兩者的分析結果具有較高的一致性。