阿尔金山特长隧道综合勘察技术的应用

袁勇涛

中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西 西安 710043

1 工程概况

阿尔金山特长隧道位于柴达木盆地和塔里木盆地的界山——阿尔金山山脉内，是格尔木至库尔勒铁路的控制性工程。隧道全长13195 m，隧道最大埋深650 m，洞身采用人字坡设计，钻爆法施工。

阿尔金山山脉西连昆仑山于苏拉木塔格，东接祁连山于当金山垭口，整体呈NEE走向，山脉全长700余km，宽约80～200 km，平均高度3000～4000 m。格尔木至库尔勒铁路（以下简称格库铁路）通过的巴什考拱越岭地区，基本为无人区，地质条件复杂而地质资料匮乏，勘察调查异常困难。阿尔金山特长隧道的勘察，在航测遥感、大面积地质调绘的基础上，采取综合物探、深孔钻探、地应力测试等综合勘察技术和方法，查明了隧道的工程地质条件和水文地质条件。现场施工表明，揭示围岩情况与设计相符度较高。

图1 特长隧道综合勘察流程示意图Fig.1 Comprehensive survey processes for the super long tunnel

2 地质条件

2.1 地形地貌

特长隧道位于阿尔金山系中段的巴什考供垭口，穿越索尔库里盆地、阿尔金山主山脊两个次级地貌单元，隧道洞身大角度与近东西走向的阿尔金山主峰相交。

索尔库里盆地为阿尔金山内山间盆地，海拔高程2900～3400 m，靠近隧道进口侧的单面坡自然坡度20‰～50‰，地表呈砾石荒漠景观；阿尔金山主山脊为连绵起伏高山区，三道主峰高度3700～3960 m，中间分布两个山间盆地，相对高差140～470 m。山体主峰两侧南坡缓北坡陡，基岩裸露；两个山间盆地呈U字型，发育东西向冲沟，沟内地表覆积碎石类土。

2.2 地层岩性

隧道洞身经过的岩系较为复杂，出露岩类主要为沉积岩和变质岩，地层时代为第四系、第三系和元古界蓟县系，以元古界地层为主。沉积岩主要分在小里程段落，岩性为泥岩、砾岩、白云岩及灰岩，以白云岩和泥岩夹砂岩为主，其中白云岩段落长约7 km；变质岩系主要分布在大里程段落或局部出现，包括动力构造变质与接触变质作用成因的变质岩，岩性主要为：板岩、片岩、千枚岩、石英岩等，以千枚岩和石英岩与片岩互层为主。

2.3 地质构造

隧道工程主要位于塔里木微地块的阿尔金山断隆内，其位于塔里木东南缘，南以阿尔金山断裂为界与柴达木、东昆仑相邻。断块区以太古宙麻粒岩为基底，地质历史悠久，地质构造复杂。长隧道所经过的地质构造，褶皱以额兰塔格复向斜为中心，核部位于进口端第一盆地内，南翼（小里程端）发育第一个次级背斜，北翼（大里程端）地层大多南倾，至出口附近发育第二个次级背斜；其余地段局部分布揉皱。断裂构造随地形发育，在山前发育正断裂F6，第一盆地两侧边缘发育F7、F8，第二盆两侧边缘发育F9、F10，山脊及盆地内发育其它次级断裂；节理密集带因多期次构造运动在山体内十分发育，多与褶皱、断层伴生。

2.4 水文地质特征

2.4.1 地表水 隧道位于阿尔金山脉东段，索尔库里盆地北缘，巴什考供盆地南侧，处于高山地区。基岩风蚀、侵蚀严重，地形破碎。山脉呈东西向延伸，总的地势为南高北低、北陡南缓。山脊北侧切割剧烈，沟谷狭窄，山脊呈鱼鳍状；山脊南侧切割中等，沟谷深而较宽。隧道洞身发育两大盆地，形成两个独立的地表水流域系统。区域内除距离洞身较远的红柳沟（距离隧道洞身10～13 km）为常年流水外，其余均为季节性冲沟。

2.4.2 地下水 隧址区山体雄浑宽厚，地下水接受补给范围较大，尤其是山间两大谷地地形平坦，有利于降雨入渗的补给，阿尔金山山区隧址区每年9月至次年5月降雪不断，折合降水量达200～400 mm，成为地下水的主要补给来源。隧道区山体岩层经历多次构造运动，褶皱、断裂、节理裂隙均较发育，其不同的岩性接触带、断层带、向斜、背斜、岩层的片理、层理、节理裂隙及可溶岩孔隙裂隙等为地下水储存、运移提供了空间和通道。隧址区地下水主要类型为第四系松散层孔隙潜水、基岩裂隙水及岩溶裂隙水为主，其中基岩裂隙水主要为网状风化基岩裂隙水及脉状构造裂隙水，受所处地貌位置、构造部位和岩性特征的控制，并因补给条件的不同，地下水的分布呈现明显的差异。

图2 阿尔金山隧道地质纵断面及辅助坑道示意图Fig.2 Geological longitudinal section and auxiliary tunnel inAltun Mountain

3 综合勘察

针对阿尔金山特长隧道的几个特点[1]：（1）高原高海拔无人山区，地形起伏大（2）第四系覆盖层段落较长（3）易溶岩发育段落长（4）地质构造复杂，采取了综合勘察技术，具体如下：

3.1 遥感判释

初测前，采用美国陆地资源卫星TM5（30 m）数字图像为主要信息源，选择TM7-4-2波段进行信息增强，图像清晰度好、层次比较丰富、近似于真彩色，在识别地形地貌特征、区域地质构造背景等方面有比较好的效果。搭配大比例尺黑白航片，对特长隧道越岭地区构造断裂，沟谷区的崩塌、危岩、泥石流沟等不良地质体进行了重点判读，效果良好。结合现场地质调查，参考已有大比例尺区域地质资料，综合编制完成1:50000越岭长隧道地质遥感解译图，编写完成工程地质评价报告，为进一步选线和勘察调查提供基础工程地质资料。

3.2 地质调绘

3.2.1 工程地质调绘 初测阶段，根据区域地质资料和遥感判释建立的沿线主要地层层序和构造轮廓，结合区域地质资料匮乏的特点，采取网格状地质普查调查的方式，进一步细化地层岩性的分布特征、组合关系和地质构造的展布、规模和性质，节理裂隙的发育特征等。

加深地质及定测阶段，结合推荐隧道方案，在线路中心2 km范围内进行细化调查，重点调查断裂构造、软弱岩层、节理密集带、岩溶分布和进出口，为准确查明和评价隧道工程地质条件、统筹综合勘探起到了基础性作用。

3.2.2 水文地质调绘 针对隧道区的水文地质条件，采用综合水文地质勘察方法及手段，对隧道周边地表水、泉水进行了测流，开展了钻孔水文地质试验（抽水、提水试验）以及水文综合测井，同时进行了地下水的侵蚀性分析等。

3.3 综合物探

3.3.1 音频大地电磁法和高密度电法 根据隧道区域地质、地形、气候、交通等特殊情况，综合物探采用音频大地电磁法（AMT法）为主、高密度电法为辅对测区有重点、有目标地开展地面物探工作；对进口端第四系浅埋段采用高密度电法和AMT相结合，在1号盆地和2号盆地，布置了平行辅助断面，进行了二维反演。物探主要解决了以下地质问题：

（1）地层岩性方面：进口浅埋端DK568+700～DK570+300段，泥岩夹砾岩，ρ=30～50 Ω·m；风化破碎白云岩，ρ=200～1500 Ω·m。进口基岩区DK570+762～DK573+700段，整体而言，隧道均在白云岩中通过，电阻率ρ=500～10000 Ω·m，其中三段低电阻率地段，可能为岩溶发育区或富水节理密集带。以一号盆地为例，区域DK573+700～DK575+800段，白云岩ρ=800～10000 Ω·m，部分为泥炭质板岩或片岩，电阻率较低ρ=50～800 Ω·m；岭脊段由于地形条件限制，AMT测点较少，风化破碎层，电阻率ρ=200～800 Ω·m；较完整的白云岩，电阻率ρ=800～4000 Ω·m，片岩，电阻率ρ=50～800 Ω·m。

（2）地质构造及富水性方面：DK570+300～DK570+762电阻率低为F6-1断层，DK571+550～DK571+760电阻率两侧低为F6-2，DK572+440～DK572+720电阻率比两侧明显低，为岩溶发育区；第一个山间盆地区域的物探异常带中，DK574+180～DK574+360为F7，DK575+765～DK574+883为向斜核部，DK575+110～DK575+230电阻率明显低于两侧，为岩溶发育区，该段在物探异常带及电阻率变化较大段落存在发生集中突涌水的可能；DK577+185～DK577+370段电阻率较两侧低，为F9-1断层，DK577+962～DK578+150段电阻率较两侧偏低，为F9断层，DK579+400～DK579+600电阻率低为F10断层。隧道在物探异常带，特别是电阻率变化较大地段存在集中涌水及突涌水的可能。

图3 阿尔金山特长隧道第一盆地AMT示意图Fig.3AMT diagram of Basin No.1 in super long tunnel Altun Mountain

3.4 钻孔、地应力测试和综合测井

根据前期地质遥感、地质调查和综合物探的勘察成果，有针对性的在进口第三系泥岩与白云岩分界段、进口白云岩岩溶发育区（富水节理密集带）、第一、二盆地推测断层带（岩性接触带）、出口岩性夹层结合部等关键部位布置了深孔钻探，对重要异常点进行了钻探验证，相符性较高[2]。

隧道选取了一号盆地AEJSZ-2孔、二号盆地AEJSZ-3孔进行了深钻孔地应力测试，结果表明区域应力场分布有以下特征：（1）该区三向主应力的关系为SH＞Sh＞SV。据此可以认为，该区具有较为明显的现今水平构造应力作用，水平主应力作用为主；（2）AEJSZ-2孔测试深度范围内，最大水平主应力值为9.83～20.19 MPa，最小水平主应力值为7.63～13.04 MPa。极高地应力的情况占全部测段的100%。AEJSZ-3孔测试深度范围内，最大水平主应力值为11.25～22.18 MPa，最小水平主应力值为7.75～13.58 MPa。极高地应力的情况占全部测段的100%；（3）根据钻孔的印模测试结果，阿尔金山特长隧道附近实测最大水平主应力优势方向为N19～26°E，拟建隧道轴线方向为N6°W。二者夹角较小，因此最大水平主应力方向有利于拟建隧道的稳定；（4）根据水压致裂原地应力测试，得到岩体的原地抗张强度。阿尔金山特长隧道AEJSZ-2孔原地抗拉强度值一般为2～4 MPa。阿尔金山特长隧道AEJSZ-3孔原地抗拉强度值一般为1.5～3MPa。鉴于阿尔金山特长隧道穿越的区域地形起伏较大，隧道埋深较大，加之该区域属于现今构造运动比较强烈的地区，在工程设计和施工过程中，对高地应力给隧道稳定性造成的影响，及可能发生的岩爆及断面收敛变形给予充分的重视。

隧道前后对多孔进行了综合测井，除物探综合测井外，还进行了水文地质综合试验、岩土物理力学试验、地温测试等，为分析地质特征、提供设计施工参数等，提供了有力依据。

3.5 勘察成果

3.5.1 隧道围岩划分 根据本隧道勘察资料，在部分勘察数据较充分的段落，采取了岩体基本质量指标；同时对全隧道进行了铁路隧道围岩分级，并将两者进行了对比综合分析，最后确定了隧道围岩分级情况。

（1）岩体基本质量指标（BQ）的确定：根据岩石的单轴饱和抗压强度Rc、岩块纵波波速、岩体纵波波速确定的基本质量指标，再参考地下水影响、主要软弱结构面影响、地应力影响，得到修正后的BQ修正值如表1。

表1 阿尔金山隧道BQ值Table 1 BQ values of Altun Mountain Tunnel

根据BQ值的结算结果分析显示，隧道进口端白云岩整体相对较好，岩体较完整段落，基本质量分级应处于Ⅱ～Ⅲ之间；隧道出口段片岩硬度较高，位于贫水区，岩体较完整段落基本质量分级处于Ⅲ～Ⅳ之间；隧道中段灰岩，BQ值相对较低，分析为受地应力影响，岩体破碎所致，基本质量分级以Ⅲ级为主。

（2）铁路隧道围岩分级结论：第四系上更新统至全新统洪积细角砾土，地层松散-中密，层间结合力差及自稳能力较差，围岩基本分级确定为V级。

第三系泥岩、砂岩，以泥质胶结为主，属软岩，岩体较完整，主要分布于隧道进口，埋深不大，洞身位置处于地下水之上，围岩基本分级确定为Ⅳ级。

元古界蓟县系白云岩，属硬岩，岩体非常完整段落，围岩基本分级确定为Ⅱ级；一般段落岩体较破碎，围岩基本分级确定为Ⅲ级；在岩相过渡带及构造带附近，构造裂隙特别发育，岩体破碎，围岩等级相应降低为Ⅳ级；物探反映低阻异常带、节理密集带、可能发育溶蚀带，围岩等级也相应降低为Ⅳ级；个别地段岩体破碎、富水性强，围岩分级为V级。

元古界石英岩，岩质坚硬，属极硬岩，岩体较完整，但由于受多期构造影响，节理、裂隙发育，洞身围岩处于极高地应力状态下，易发生岩爆，围岩分级综合确定为Ⅱ～Ⅲ级。岩相过渡带、物探低阻异常带，围岩分级综合确定为Ⅲ～Ⅳ级。

元古界石英片岩，属软质岩，受构造影响节理裂隙较发育，钻孔揭示层间含有渗水，围岩分级综合确定为Ⅳ级；特别完整、无渗水地段Ⅲ级；断裂构造及其影响带、岩相过渡带、物探低阻异常带及强富水段落，围岩分级为V级。

元古界片岩、千枚岩，局部夹石英岩条带，属软质岩或以软岩为主的软硬岩互层，受构造影响节理裂隙较发育，钻孔揭示层间含有渗水，围岩分级综合确定为Ⅳ级。断裂构造及其影响带、岩相过渡带、物探低阻异常带及强富水段落，围岩分级为V级。

长隧道断层破碎带主要为压碎岩、断层角砾，局部为断层泥，经过多期活动，且处于高应力状态下，断带物质多破碎，钻探揭示断层带内多可见地下水，围岩分级确定为Ⅳ～V级。在断层两侧各50～100 m断层影响带范围内，围岩分级确定为Ⅲ～Ⅳ级。

（3）围岩分级情况：隧道全长13195 km，其中Ⅱ级围岩3740 m/9段，占28.3%；Ⅲ级围岩3945 m/24段，占29.9%；Ⅳ级围岩3465 m/23段，占26.3%；V级围岩2045 m/9段，占15.5%。

3.5.2 隧道涌水量预测 根据水文地质勘查资料，长隧道采用了大气降水入渗法、裘布依法和古德曼法三种方法计算隧道涌水量。预测正洞折减后隧道正常涌水量10683 m3/d，折减后隧道最大涌水量44629 m3/d。隧道（平导）正常涌水量为17827 m3/d，最大涌水量为74428 m3/d。隧道正洞岩溶裂隙水中等富水区I，长7.195 km，占总长的55%，基岩裂隙水中等富水区Ⅱ，长2.59 km，占总长度的20，基岩裂隙水弱富水区分Ⅲ（Ⅲ-1、Ⅲ-2），长3.875 km，占总长度的17%，贫水区Ⅳ，总长为1.045 km，约占总长度的8%。

4 施工验证情况

目前，隧道施工进展顺利，进口两斜井已完成，出口平导完成超过一半，隧道正洞施工超过4 km。已施工开挖部分表明：岩性上，隧道进口第三系地层、进口白云岩段落、第一盆地片岩、出口石英岩与石英片岩互层段落，设计与施工基本相符；地质构造方面，已揭示的F6、F6-1、F7、F10等断层，位置设计与施工相差很小，断带物质设计与施工略有差别，实际施工深埋地段断带物质稳定性较好；水文地质方面，涌水段落、最大涌水量等均与设计相符。目前进展表明，阿尔金山特长隧道的综合勘察是较成功的。

5 结 论

在地质资料匮乏、生存条件困难的无人区进行越岭特长隧道的地质勘察，需要一套成熟有效可行的勘察技术。阿尔金山越岭长隧道的勘察及施工实践表明[3]，以航测遥感、地质调绘为先导，在多种物探手段及综合分析的基础上，进行钻探验证和孔内综合测试，多种方法进行围岩分级和涌水量预测，得到综合成果报告。施工实践证明，这种特长隧道综合勘察技术，是对各勘察方法的取长补短、相互验证、对比复解、融合贯通，是成熟有效可行的，具有明显的技术和经济价值。

阿尔金山特长隧道在综合勘察的过程中，在两个方面具有创新意义：一是充分结合地形地质特点，采取多条平行AMT物探剖面进行二维反演，结合深孔钻探，对一号盆地内的覆盖性向斜进行了较精确的判定和定位；二是在部分段落，充分利用岩石试验、勘探测试等多方面资料，进行了隧道围岩的定性分析与定量分析相结合。实践表明，在足够多的样本情况下，两者的分析结果具有较高的一致性。