袁勇濤

中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(dá)木盆地和塔里木盆地的界山——阿爾金山山脈內(nèi)，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(shè)計(jì)，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(dāng)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(qū)，基本為無人區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜而地質(zhì)資料匱乏，勘察調(diào)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(zhì)調(diào)繪的基礎(chǔ)上，采取綜合物探、深孔鉆探、地應(yīng)力測試等綜合勘察技術(shù)和方法，查明了隧道的工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件?，F(xiàn)場施工表明，揭示圍巖情況與設(shè)計(jì)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(zhì)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(gè)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(nèi)山間盆地，海拔高程2900～3400 m，靠近隧道進(jìn)口側(cè)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(qū)，三道主峰高度3700～3960 m，中間分布兩個(gè)山間盆地，相對高差140～470 m。山體主峰兩側(cè)南坡緩北坡陡，基巖裸露；兩個(gè)山間盆地呈U字型，發(fā)育東西向沖溝，溝內(nèi)地表覆積碎石類土。

2.2 地層巖性

隧道洞身經(jīng)過的巖系較為復(fù)雜，出露巖類主要為沉積巖和變質(zhì)巖，地層時(shí)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?guī)r，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(zhì)巖系主要分布在大里程段落或局部出現(xiàn)，包括動(dòng)力構(gòu)造變質(zhì)與接觸變質(zhì)作用成因的變質(zhì)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(zhì)構(gòu)造

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

2.4 水文地質(zhì)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(cè)，處于高山地區(qū)。基巖風(fēng)蝕、侵蝕嚴(yán)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(cè)切割劇烈，溝谷狹窄，山脊呈魚鰭狀；山脊南側(cè)切割中等，溝谷深而較寬。隧道洞身發(fā)育兩大盆地，形成兩個(gè)獨(dú)立的地表水流域系統(tǒng)。區(qū)域內(nèi)除距離洞身較遠(yuǎn)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(jié)性沖溝。

2.4.2 地下水 隧址區(qū)山體雄渾寬厚，地下水接受補(bǔ)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(bǔ)給，阿爾金山山區(qū)隧址區(qū)每年9月至次年5月降雪不斷，折合降水量達(dá)200～400 mm，成為地下水的主要補(bǔ)給來源。隧道區(qū)山體巖層經(jīng)歷多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，褶皺、斷裂、節(jié)理裂隙均較發(fā)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(jié)理裂隙及可溶巖孔隙裂隙等為地下水儲(chǔ)存、運(yùn)移提供了空間和通道。隧址區(qū)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(wǎng)狀風(fēng)化基巖裂隙水及脈狀構(gòu)造裂隙水，受所處地貌位置、構(gòu)造部位和巖性特征的控制，并因補(bǔ)給條件的不同，地下水的分布呈現(xiàn)明顯的差異。

圖2 阿爾金山隧道地質(zhì)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(gè)特點(diǎn)[1]：（1）高原高海拔無人山區(qū)，地形起伏大（2）第四系覆蓋層段落較長（3）易溶巖發(fā)育段落長（4）地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，采取了綜合勘察技術(shù)，具體如下：

3.1 遙感判釋

初測前，采用美國陸地資源衛(wèi)星TM5（30 m）數(shù)字圖像為主要信息源，選擇TM7-4-2波段進(jìn)行信息增強(qiáng)，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(qū)域地質(zhì)構(gòu)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(qū)構(gòu)造斷裂，溝谷區(qū)的崩塌、危巖、泥石流溝等不良地質(zhì)體進(jìn)行了重點(diǎn)判讀，效果良好。結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，參考已有大比例尺區(qū)域地質(zhì)資料，綜合編制完成1:50000越嶺長隧道地質(zhì)遙感解譯圖，編寫完成工程地質(zhì)評價(jià)報(bào)告，為進(jìn)一步選線和勘察調(diào)查提供基礎(chǔ)工程地質(zhì)資料。

3.2 地質(zhì)調(diào)繪

3.2.1 工程地質(zhì)調(diào)繪 初測階段，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和遙感判釋建立的沿線主要地層層序和構(gòu)造輪廓，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料匱乏的特點(diǎn)，采取網(wǎng)格狀地質(zhì)普查調(diào)查的方式，進(jìn)一步細(xì)化地層巖性的分布特征、組合關(guān)系和地質(zhì)構(gòu)造的展布、規(guī)模和性質(zhì)，節(jié)理裂隙的發(fā)育特征等。

加深地質(zhì)及定測階段，結(jié)合推薦隧道方案，在線路中心2 km范圍內(nèi)進(jìn)行細(xì)化調(diào)查，重點(diǎn)調(diào)查斷裂構(gòu)造、軟弱巖層、節(jié)理密集帶、巖溶分布和進(jìn)出口，為準(zhǔn)確查明和評價(jià)隧道工程地質(zhì)條件、統(tǒng)籌綜合勘探起到了基礎(chǔ)性作用。

3.2.2 水文地質(zhì)調(diào)繪 針對隧道區(qū)的水文地質(zhì)條件，采用綜合水文地質(zhì)勘察方法及手段，對隧道周邊地表水、泉水進(jìn)行了測流，開展了鉆孔水文地質(zhì)試驗(yàn)（抽水、提水試驗(yàn)）以及水文綜合測井，同時(shí)進(jìn)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(jù)隧道區(qū)域地質(zhì)、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(qū)有重點(diǎn)、有目標(biāo)地開展地面物探工作；對進(jìn)口端第四系淺埋段采用高密度電法和AMT相結(jié)合，在1號盆地和2號盆地，布置了平行輔助斷面，進(jìn)行了二維反演。物探主要解決了以下地質(zhì)問題：

（1）地層巖性方面：進(jìn)口淺埋端DK568+700～DK570+300段，泥巖夾礫巖，ρ=30～50 Ω·m；風(fēng)化破碎白云巖，ρ=200～1500 Ω·m。進(jìn)口基巖區(qū)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(fā)育區(qū)或富水節(jié)理密集帶。以一號盆地為例，區(qū)域DK573+700～DK575+800段，白云巖ρ=800～10000 Ω·m，部分為泥炭質(zhì)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(diǎn)較少，風(fēng)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(zhì)構(gòu)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(cè)低為F6-2，DK572+440～DK572+720電阻率比兩側(cè)明顯低，為巖溶發(fā)育區(qū)；第一個(gè)山間盆地區(qū)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(cè)，為巖溶發(fā)育區(qū)，該段在物探異常帶及電阻率變化較大段落存在發(fā)生集中突涌水的可能；DK577+185～DK577+370段電阻率較兩側(cè)低，為F9-1斷層，DK577+962～DK578+150段電阻率較兩側(cè)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(yīng)力測試和綜合測井

根據(jù)前期地質(zhì)遙感、地質(zhì)調(diào)查和綜合物探的勘察成果，有針對性的在進(jìn)口第三系泥巖與白云巖分界段、進(jìn)口白云巖巖溶發(fā)育區(qū)（富水節(jié)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(jié)合部等關(guān)鍵部位布置了深孔鉆探，對重要異常點(diǎn)進(jìn)行了鉆探驗(yàn)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(jìn)行了深鉆孔地應(yīng)力測試，結(jié)果表明區(qū)域應(yīng)力場分布有以下特征：（1）該區(qū)三向主應(yīng)力的關(guān)系為SH＞Sh＞SV。據(jù)此可以認(rèn)為，該區(qū)具有較為明顯的現(xiàn)今水平構(gòu)造應(yīng)力作用，水平主應(yīng)力作用為主；（2）AEJSZ-2孔測試深度范圍內(nèi)，最大水平主應(yīng)力值為9.83～20.19 MPa，最小水平主應(yīng)力值為7.63～13.04 MPa。極高地應(yīng)力的情況占全部測段的100%。AEJSZ-3孔測試深度范圍內(nèi)，最大水平主應(yīng)力值為11.25～22.18 MPa，最小水平主應(yīng)力值為7.75～13.58 MPa。極高地應(yīng)力的情況占全部測段的100%；（3）根據(jù)鉆孔的印模測試結(jié)果，阿爾金山特長隧道附近實(shí)測最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向?yàn)镹19～26°E，擬建隧道軸線方向?yàn)镹6°W。二者夾角較小，因此最大水平主應(yīng)力方向有利于擬建隧道的穩(wěn)定；（4）根據(jù)水壓致裂原地應(yīng)力測試，得到巖體的原地抗張強(qiáng)度。阿爾金山特長隧道AEJSZ-2孔原地抗拉強(qiáng)度值一般為2～4 MPa。阿爾金山特長隧道AEJSZ-3孔原地抗拉強(qiáng)度值一般為1.5～3MPa。鑒于阿爾金山特長隧道穿越的區(qū)域地形起伏較大，隧道埋深較大，加之該區(qū)域?qū)儆诂F(xiàn)今構(gòu)造運(yùn)動(dòng)比較強(qiáng)烈的地區(qū)，在工程設(shè)計(jì)和施工過程中，對高地應(yīng)力給隧道穩(wěn)定性造成的影響，及可能發(fā)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(jìn)行了綜合測井，除物探綜合測井外，還進(jìn)行了水文地質(zhì)綜合試驗(yàn)、巖土物理力學(xué)試驗(yàn)、地溫測試等，為分析地質(zhì)特征、提供設(shè)計(jì)施工參數(shù)等，提供了有力依據(jù)。

3.5 勘察成果

3.5.1 隧道圍巖劃分 根據(jù)本隧道勘察資料，在部分勘察數(shù)據(jù)較充分的段落，采取了巖體基本質(zhì)量指標(biāo)；同時(shí)對全隧道進(jìn)行了鐵路隧道圍巖分級，并將兩者進(jìn)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(zhì)量指標(biāo)（BQ）的確定：根據(jù)巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc、巖塊縱波波速、巖體縱波波速確定的基本質(zhì)量指標(biāo)，再參考地下水影響、主要軟弱結(jié)構(gòu)面影響、地應(yīng)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(jù)BQ值的結(jié)算結(jié)果分析顯示，隧道進(jìn)口端白云巖整體相對較好，巖體較完整段落，基本質(zhì)量分級應(yīng)處于Ⅱ～Ⅲ之間；隧道出口段片巖硬度較高，位于貧水區(qū)，巖體較完整段落基本質(zhì)量分級處于Ⅲ～Ⅳ之間；隧道中段灰?guī)r，BQ值相對較低，分析為受地應(yīng)力影響，巖體破碎所致，基本質(zhì)量分級以Ⅲ級為主。

（2）鐵路隧道圍巖分級結(jié)論：第四系上更新統(tǒng)至全新統(tǒng)洪積細(xì)角礫土，地層松散-中密，層間結(jié)合力差及自穩(wěn)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(zhì)膠結(jié)為主，屬軟巖，巖體較完整，主要分布于隧道進(jìn)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(gòu)造帶附近，構(gòu)造裂隙特別發(fā)育，巖體破碎，圍巖等級相應(yīng)降低為Ⅳ級；物探反映低阻異常帶、節(jié)理密集帶、可能發(fā)育溶蝕帶，圍巖等級也相應(yīng)降低為Ⅳ級；個(gè)別地段巖體破碎、富水性強(qiáng)，圍巖分級為V級。

元古界石英巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，屬極硬巖，巖體較完整，但由于受多期構(gòu)造影響，節(jié)理、裂隙發(fā)育，洞身圍巖處于極高地應(yīng)力狀態(tài)下，易發(fā)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(zhì)巖，受構(gòu)造影響節(jié)理裂隙較發(fā)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(gòu)造及其影響帶、巖相過渡帶、物探低阻異常帶及強(qiáng)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(zhì)巖或以軟巖為主的軟硬巖互層，受構(gòu)造影響節(jié)理裂隙較發(fā)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(gòu)造及其影響帶、巖相過渡帶、物探低阻異常帶及強(qiáng)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(jīng)過多期活動(dòng)，且處于高應(yīng)力狀態(tài)下，斷帶物質(zhì)多破碎，鉆探揭示斷層帶內(nèi)多可見地下水，圍巖分級確定為Ⅳ～V級。在斷層兩側(cè)各50～100 m斷層影響帶范圍內(nèi)，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(yù)測 根據(jù)水文地質(zhì)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(jì)算隧道涌水量。預(yù)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(dǎo)）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(qū)I，長7.195 km，占總長的55%，基巖裂隙水中等富水區(qū)Ⅱ，長2.59 km，占總長度的20，基巖裂隙水弱富水區(qū)分Ⅲ（Ⅲ-1、Ⅲ-2），長3.875 km，占總長度的17%，貧水區(qū)Ⅳ，總長為1.045 km，約占總長度的8%。

4 施工驗(yàn)證情況

目前，隧道施工進(jìn)展順利，進(jìn)口兩斜井已完成，出口平導(dǎo)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(jìn)口第三系地層、進(jìn)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(shè)計(jì)與施工基本相符；地質(zhì)構(gòu)造方面，已揭示的F6、F6-1、F7、F10等斷層，位置設(shè)計(jì)與施工相差很小，斷帶物質(zhì)設(shè)計(jì)與施工略有差別，實(shí)際施工深埋地段斷帶物質(zhì)穩(wěn)定性較好；水文地質(zhì)方面，涌水段落、最大涌水量等均與設(shè)計(jì)相符。目前進(jìn)展表明，阿爾金山特長隧道的綜合勘察是較成功的。

5 結(jié) 論

在地質(zhì)資料匱乏、生存條件困難的無人區(qū)進(jìn)行越嶺特長隧道的地質(zhì)勘察，需要一套成熟有效可行的勘察技術(shù)。阿爾金山越嶺長隧道的勘察及施工實(shí)踐表明[3]，以航測遙感、地質(zhì)調(diào)繪為先導(dǎo)，在多種物探手段及綜合分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行鉆探驗(yàn)證和孔內(nèi)綜合測試，多種方法進(jìn)行圍巖分級和涌水量預(yù)測，得到綜合成果報(bào)告。施工實(shí)踐證明，這種特長隧道綜合勘察技術(shù)，是對各勘察方法的取長補(bǔ)短、相互驗(yàn)證、對比復(fù)解、融合貫通，是成熟有效可行的，具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

阿爾金山特長隧道在綜合勘察的過程中，在兩個(gè)方面具有創(chuàng)新意義：一是充分結(jié)合地形地質(zhì)特點(diǎn)，采取多條平行AMT物探剖面進(jìn)行二維反演，結(jié)合深孔鉆探，對一號盆地內(nèi)的覆蓋性向斜進(jìn)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(yàn)、勘探測試等多方面資料，進(jìn)行了隧道圍巖的定性分析與定量分析相結(jié)合。實(shí)踐表明，在足夠多的樣本情況下，兩者的分析結(jié)果具有較高的一致性。