宜万铁路岩溶隧道施工地质技术

宜万铁路岩溶隧道施工地质技术

（铁道部宜万铁路建设指挥部，湖北恩施４４５０００）

申志军

在施工阶段的延续，用以在施工过程中解决勘察阶段所没有或不能解决的工程地质问题。施工地质以超前地质预测预报为主体，以规避大型施工地质灾害为目的，在施工阶段针对可能发生的隧道围岩变更；可能存在的溶腔、断层构造、地下暗河的预测预报；可能引发的水文环境地质问题；工程竣工以后可能存在的隐伏地质病害等，在隧道施工环境条件下为保证施工进度、保证施工安全、保证工程效益、保证工程质量所进行的综［关键词］　宜万铁路；岩溶隧道；综合超前地质预报；水文监测

合工程地质工作。施工地质包括综合超前地质预报、水文观测和隧道周边及隧底隐伏岩溶探查。［中图分类号］　Ｕ４５　［文献标识码］　Ａ　［文章编号］　１００９－１７４２（２００９）１２－００４７－０６

［摘要］　以宜万铁路岩溶隧道的施工地质技术实践为例，介绍了施工地质作为工程勘察阶段工程地质勘探

1　工程概况

宜万铁路位于云贵高原的东北麓，东起宜昌，西至万州，全长３７７ｋｍ，主要行经在长江与清江的分水岭地带，全线隧道１５９座，总长约３３９ｋｍ。其中单线隧道１０５座，总长２９１．４ｋｍ；双线隧道５４座，总长４７．３ｋｍ，隧道占线路长的６０％。

全线７０％的隧道位于灰岩地区，多座长大隧道通过可溶岩地层，并组成不同类型的储水构造，在地壳运动和特殊的水动力作用下，形成复杂的岩溶深潭、管道及溶隙网络系统。岩溶强烈发育，岩溶、岩溶水极其复杂，是制约工程建设的突出问题。岩溶隧道可能产生的突（涌）水、突泥（块石）等突发性地质灾害将严重危及施工和运营安全。勘察中虽然针对岩溶地质问题采用了超常规、多方法、多手段和多领域的勘察、试验和长期观测的专项地质工作，但由于岩溶发育的不规则性和复杂性以及目前所有勘察手段的局限性，不可能在勘察期间查明所有的岩溶地质问题

［１］

采取预防措施、避免灾害的发生或在一定程度上减少灾害造成的损失、保证隧道的施工及运营安全。

2　施工地质技术主要内容

施工地质是工程勘察阶段工程地质勘探在施工阶段的延续，用以在施工过程中解决勘察阶段所没有或不能解决的工程地质问题。

施工地质以超前地质预测预报为主体，以规避大型施工地质灾害为目的，在施工阶段针对可能发生的隧道围岩变更；可能存在的溶腔、断层构造、地下暗河的预测预报；可能引发的水文环境地质问题；工程竣工以后可能存在的隐伏地质病害等，在隧道施工环境条件下为保证施工进度、保证施工安全、保证工程效益、保证工程质量所进行的综合工程地质工作。

施工地质包括综合超前地质预报、水文观测和隧道周边及隧底隐伏岩溶探查。

因此，在岩溶隧道施工期间，必须采取施工地质技术对隧道掌子面前方、隧道底板和周边的地质情况进行及时准确分析和判断，预报可能产生的风险，

［收稿日期］　２００９－１０－２９

。

3　综合超前地质预报技术

宜万铁路采用了地质素描、物探与钻探相结合，长短距离预报相结合以及预报资料与地质分析相结合的综合预报技术。物探技术包括：ＴＳＰ，ＨＳＰ、陆地

［作者简介］　申志军（１９７１－），男，河南开封市人，高级工程师，主要从事铁路隧道建设管理和施工工作；Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｋｅｘｓｄ＠１２６．ｃｏｍ

２００９年第１１卷第１２期　47

声纳、直流电法、地质雷达、红外探水等；钻探技术包括：中长距离钻探、超长炮孔、炮孔。

预报原则为物探先行，钻探验证，有疑必探，不明不掘。现场钻探时，安全岩盘按照预留３～８ｍ进行控制。通过多种方法的实践和比选，地质素描和探水对岩溶水难以起到定量分析作用，而超前钻探预报准确率几乎达到１００％。因此，对复杂岩溶隧道采取“地质素描、ＴＳＰ先行，以钻孔为主”进行岩溶及岩溶水超前预测预报。3．1　地质素描法

地质素描是对掌子面及周边围岩的地层岩性、地质构造、结构面产状及裂隙出水、夹泥等地质情况进行直接描述的一种方法，主要是通过描述围岩的变化情况来分析预测掌子面前方的地质情况，重点是发现是否存在出水、夹泥、掉块等成灾先兆。3．2　TSP203物探法

ＴＳＰ２０３超前地质预报法采用弹性波反射原理，ＴＳＰ起到了一定的宏观预报作用，但地质雷达和红

时，一部分弹性波（反射波）信号会反射回来，反射回的信号被两个三分量高灵敏度检波器接收并通过电缆传输给ＴＳＰ主机，再通过对接收的弹性波信号进行分析，便可推断断层及破碎带、溶洞等不良地质体的位置、规模、产状及岩石力学参数3．3　钻探法

３．３．１　超前钻探技术

［２］

。

钻探法包括超前钻探、周边超长炮孔和炮孔。

超前钻探是一种机械的直接的超前探测手段，

可以直接揭露溶腔或断层破碎带的里程位置，并确定它的富水参数。长距离钻探可以用一定的外插角和仰、俯角，探测隧道围岩一定厚度以外不良地质发育情况，探测时，需有一定厚度的稳定岩盘，保证施工安全。

１）超前钻孔的设计。钻孔超前探测的目的主

要有验证物探异常、控制稳定岩盘厚度，其投入数量根据地质的复杂程度级别确定，一般情况下，对Ａ级风险地段，钻孔数量达到３～６个，不同风险等级的钻孔布置见图１、图２，并以一定的外插角进行钻探，

以保证稳定的岩盘厚度。

当人工激发的弹性波在隧道中的岩体内传播，遇到掌子面前方的反射界面（如断层、破碎带、溶洞等）

图1　全断面开挖不同风险等级的超前钻孔布置图

Fig ．1　Full －face excavation of different risk levels ahead of drilling layout

　　２）钻孔设备选型。钻孔机械设备性能是影响

称之为慢速钻机。ＭＫＤ－５Ｓ（煤科院西安分院产）、５～７ｍ／ｈ，称之为中速钻机。ＲＤＰ－１５０Ｃ（日本进ＺＹＧ－１５０Ｂ（煤科院重庆分院产）钻机钻探能力为

将超前钻探技术纳入工序管理的最主要原因。从宜万线情况来看，由于受经济能力和对钻机性能的认识等多方面原因影响，由现场实际钻孔能力来看，针

口）钻机钻探能力为１０～１５ｍ／ｈ，称之为快速钻机。按平导月平均进度１８０～２４０ｍ／月，钻机进出场及施工准备时间按２ｈ，一次钻孔深度按３０ｍ，开挖

对灰岩和白云质灰岩地层，在不取芯条件下，ＨＧＹ－３００Ｄ，ＪＤ－３０，ＬＦ－１００，ＭＧＹ－６０Ｂ，ＭＫ－３，ＭＫ－５，ＸＹ－２，ＸＹ－１５０，ＸＹ－２Ｐ，ＸＹ－２ＰＣ，ＹＱ－

１００，ＺＤ－６０共１２种钻机钻探能力约为１～３ｍ／ｈ，48　中国工程科学

２５ｍ，余留５ｍ岩盘，每次掌子面钻设计１个超前探孔等综合指标考虑，慢、中、快三类钻机对施工的影

３．３．２　超长炮孔探测技术

主要采用不取芯钻探。

超长炮孔探测主要是为了弥补超前钻孔的不足

而采取的超前预报措施，就是将正常的施工炮孔延长到５ｍ左右，确保一个施工循环后，掌子面前方和周边还有３ｍ左右的稳定岩盘。由于可以在炮眼施工时同时施做，占用掌子面的时间较少，是一种经济有效的短距离探测方法。

３０°～４５°外插角，弥补水平钻探对隧道周边探测的盲区，以保证有３ｍ左右的稳定围岩（见图３），掌子

图2　台阶法开挖不同风险等级的超前钻孔布置

Fig ．2　Step method different risk levels ahead of excavation hole layout

超长炮孔一般布置在隧道掌子面的周边，呈

面的正前方一般视雷达异常和超前钻孔数量适量布置。

由于超长炮孔布置和密度可以根据需要确定，主要用来发现其他方法不能发现的小的溶腔和导水通道，据统计宜万线６０％以上的溶腔和突水突泥事３．３．３　炮孔探测技术件，都是超长炮孔提前发现的。

掌子面炮孔，全断面接近１００孔，是判断地质的

响分别为１６．６％，７．６％，４．９％，因此，要想将超前钻探纳入施工工序管理，在经济条件允许时，建议优先购置快速钻机，否则，也应购置中速钻机。慢速钻机不适宜于施工地质钻孔要求，对施工影响太大，建议不应采用。

现场使用效果较好的钻机有ＭＫＤ－５Ｓ（煤科院西安分院制造）、ＺＹＧ－１５０Ｂ（煤科院重庆分院制造）、ＲＤＰ－１５０Ｃ（日本进口）地质钻机。

３）钻探模式。当工程结构需要掌握前方岩性

最后一道关，发现钻孔渗水及异常时，不能急于爆破，应谨慎分析后确定下一步措施。要做到这一点，３．３．４　实例

需要有经验的司钻工和严格的管理制度。

云雾山隧道Ⅰ线全长６．６ｋｍ，进口施工

的变化、破碎程度或溶洞充填物的性质时，可采用取芯钻探，当为了提高钻探速度，减少掌子面占用时间，在只需要掌握掌子面前方是否存在不良地质异常时，可采用不取芯钻探，宜万铁路隧道的超前钻探

８００ｍ。地表ＥＨ－４物探异常，洞内ＴＳＰ探测发现异常。采用钻探进行查找和锁定溶腔，见图

４。

３．５ｋｍ、出口施工３．０ｋｍ进入核心部位，该段埋深

图3　掌子面超长炮孔布置示意图

Fig ．3　Schematic layout of tunnel face long hole

２００９年第１１卷第１２期　49

图4　云雾山隧道溶腔探测平面示意图

Fig ．4　Caverns detection plane diagram of Yunwushan Tunnel

个掌子面各配一台，并备用１台。快速钻机作业功效高，故障率低，钻探时选用矱９０，矱１１５，矱１４５钻头，配足钻杆可一次钻进３０～１５０ｍ，一般凿岩进度１２～１５ｍ／ｈ，溶腔段４～６ｍ／ｈ。

２００８年７月２１日云雾山隧道出口Ⅰ线掌子面

　　钻机采用德国ＫＬＭ和意大利Ｃ６钻机共５台，４

4　水文观测

岩溶隧道水文地质条件复杂，岩溶及地下水对隧道施工和运营安全构成威胁，特别在施工过程中易发生突水突泥，并且隧道发生突水突泥后还会诱发环境水文地质问题，为避免岩溶地下水对隧道安全造成影响，需系统地对深埋岩溶隧道进行水文地质监测，目的是为防灾预警提供依据、为环境影响评价积累观测资料。

水文监测内容包括降雨量、涌水量、水压力３个方面。

4．1　降雨量监测

为了掌握大气降水与隧道涌水的关系，分别在齐岳山、马鹿箐、大支坪、野三关等长大深埋隧道的山顶建立气象观测站，观测记录大气降水的时间、降水量、汛期变化情况，结合勘察阶段的调查资料，对隧道涌水做出预测和预警。马鹿箐隧道降雨量与涌水量关系见图

５。

时返水呈黄色，当钻进２６．５ｍ，钻进速度加快，２ｍｉｎ后，钻杆突进１．５ｍ，钻孔水压陡增，钻机无法钻进。退钻后钻孔发生突水涌泥，孔口喷水距离约２０ｍ，

３

ＤＫ２４５＋６４５施做超前水平地质钻探，在钻进１７ｍ

钻孔最大出水量估算８００ｍ／ｈ，最大水压１．２ＭＰａ。后３５ｍ施工横通道，绕行到Ⅱ线施工，２００８年９月

８月２５日隧道出口Ⅰ线掌子面ＤＫ２４５＋６２５退

４日在施工超前水平地质钻，钻至Ⅱ线位置时，遇突泥突砂。说明隧道出口段Ⅰ，Ⅱ线岩溶不良体相关度密切。９月２０日隧道进口Ⅱ线ⅡＤＫ２４５＋４９８掌子面进行超前水平地质钻时，钻机钻进４０ｍ时遇溶腔，有少量水和泥涌出。１０月８日隧道进口Ⅰ线ＤＫ２４５＋５１９施工超前水平地质钻时，钻进６０ｍ突

３

水突砂，孔口出水约４００ｍ／ｈ，水压０．８６ＭＰａ，１ｈ后钻口被突砂淤塞。

通过上述过程的钻探得出以下结论：ａ．溶腔为深埋高压富水充填性溶腔；ｂ．Ⅰ线岩溶不良地质段为ＤＫ２４５＋５７７～＋６２５，长４８ｍ；ｃ．Ⅱ线岩溶不良地质段为ⅡＤＫ２４５＋５２３～＋６５４，长１３１ｍ，隧道内两段溶腔长４０ｍ和３０ｍ，中间６１ｍ为较完整围岩；ｄ．Ⅰ线和Ⅱ线存在水力联系，在隧道上方可能连通。

图5　马鹿箐隧道降雨量与涌水量关系图

Fig ．5　Diagram rainfall and water inflow of Maluqing Tunnel

50　中国工程科学

4．2　涌水量监测

超前钻孔、重要出水点、集中汇水点、重要井泉等均需进行水量监测，主要采用人工监测及自动监测相结合的监测方法进行涌水量监测。为了查明隧道中已揭露涌水点与地面水系的连通关系，都进行了连通试验，如马鹿箐隧道ＤＫ２５５＋９７８突水点与地面水系的连通关系和野三关隧道ＤＫ１２４＋６０２突水点与地面三号暗河的关系。4．3　水压力监测

每实施１次超前钻孔均需布置不受开挖影响的水压监测孔；每个溶腔至少需布置１孔进行水压监测。水压监测孔，需设置孔口管、安装法兰盘、Ｑ型管、空气室及压力表，孔内需设置软式透水管等。

5　隧底及周边隐伏岩溶探查

隧底及周边隐伏岩溶探分为工前和工后两个阶段。工前的岩溶复查是根据既有勘察资料分析和洞内地质素描及超前地质预报所获得的岩溶发育情况，对疑有岩溶发育的段落，在仰拱和衬砌施工前，由施工单位采用地质雷达、风钻进行探查，对影响稳定的异常部位采用钻孔验证，从而获得隧底和周边隐伏岩溶的位置、大小、顶板厚度，以便在施工阶段做出相应处理。工后隧底及周边岩溶勘察是在隧道完工后，铺碴３个月前，由设计单位再采用地质雷达及地震仪对灰岩段隧底和重点地段周边岩溶进行复查，影响稳定的异常段落用钻孔验证，评价隧底稳定性和施工中岩溶处理效果和相应的处理措施，以保证运营安全。

5．1　隧底及周边岩溶复查分级原则

根据施工前的勘察资料和施工地质资料，以及工前岩溶探查结果Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，按以下原则将灰岩隧道划分为挖过程中揭示有充水Ⅰ级复查地段个等级。

：隧道位于地下水水位以下（泥）溶腔，或出现严重渗，在开

、漏水地段，以及重大物探异常体、推测可能发育暗河，

存在严重安全隐患和风险的地段。

（Ⅱ级复查地段：在开挖过程中揭示各类溶腔

育充填，或在工前岩溶探查中确定岩溶发育或较发育、半充填或未充填等）、溶槽、溶隙发育或较发，存

在一定安全隐患和风险的地段。

或不发育Ⅲ级复查地段，在工前岩溶探查中确定岩溶欠发育或不：在开挖过程中揭示岩溶欠发育

发育，安全隐患和风险较低的地段。

在岩溶复查过程中，根据复查的物探成果资料或钻探验证资料，显示存在重大物探异常或发育大型溶腔，应适当提高其复查等级、增加相应的探测工作。

5．2　物探探查原则

采用地质雷达或地震单点反射法与地震面波法等两种或两种以上的方法对隐伏岩溶进行综合探查。

对隧底进行岩溶复查，周边的岩溶复查在隧底复查完成后根据隧底复查结果结合结构加强情况安排，在已做结构加强地段不做周边复查，未进行结构加强地段在隧道的左、右边墙和拱顶各布置一条测线，双线或多线隧道在起拱线部位增加两条测线。当发现有较大异常时适当加密测线。单线隧道隧底布置二条物探测线，双线、多线隧道或特殊条件下，则适当增加测线数量，测线间距不大于５ｍ；对隧底进行岩溶复查；在发现重大异常时才对周边进行复查。

5．3　钻探验证原则

对在隧底岩溶复查物探测线中存在较大物探异常区，应安排适当的钻孔进行验证；对小于２００ｍ的地段，每段的验证孔的数量不大于２孔；对不连续而又相隔距离较短的地段，可以结合一并考虑钻孔验证工作。验证孔深不大于１５ｍ，不小于１０ｍ，特殊情况根据需要确定。

5．4　隧底及周边隐伏岩溶探查成果

通过全面系统的岩溶隧道基底隐伏岩溶探查，查明了全线岩溶隧道基底和周边隐伏岩溶的分布、形态、规模及其对运营安全的影响，提前采取注浆、回填砼、盖板及桩基础等工程措施进行处理，消除了安全隐患，为确保运营安全奠定地质基础。

如彭家坡隧道ＤＫ２９＋４３０～ＤＫ２９＋４５２段在铺底后仍发现隧底下３～１５ｍ串珠状岩溶发育；长２．巴隧道铺底仰拱均完成后复查发现某段隧底以下

复查发现５ｍ发育岩溶空洞５．２～８．８ｍ；王家岭串珠状岩溶空洞Ⅰ线隧道某段铺底后，同时，经复查还发现了一些存在一定安全隐患的岩溶发育地段，如汪家寨隧道、高坪隧道复查发现的某段隧底以下８～１６ｍ范围内串珠状充填型溶腔发育，高阳寨隧道周边岩溶异常发育等。

6　结语

１）宜万铁路建设实践证明，只要严格认真地进

２００９年第１１卷第１２期　51

行超前预报，是可以较准确地查找到突水突泥风险源。因此，为规避岩溶隧道施工风险，必须将超前预测预报纳入工序管理。

２）超前钻探、周边炮孔是目前发现灾害溶腔的３）宜万铁路建设实践表明，ＴＳＰ等物探方法只

隧道采用红外探测方法意义不大。

回避风险、避免灾害的发生意义重大，应引起足够重视。

参考文献

［１］　刘招伟，张民庆，王树仁．岩溶隧道灾变预测与处治技术［Ｍ］．

北京：科学出版社，２００７

［２］　何发亮，李苍松，陈成泉．隧道地质超前预报［Ｍ］．成都：西南

交通大学出版社，２００６

５）隧底及周边隐伏岩溶探测对施工及运营中

最直接、最主要的手段，掌子面炮孔是最后一道关口。因此，施工单位应加强超前钻探设备的配备。

能对地质情况进行宏观预报，难以达到精确定量分析。

４）施工环境造成的温度不均匀，且灰岩中水

体、岩体在红外探测下没有明显的差异，因此，岩溶

Construction geology technology of Karst

tunnels on Yichang -Wanzhou Railway

ＳｈｅｎＺｈｉｊｕｎ

of Ministry of Railways ，Enshi ，Hubei 445000，China ）

（Yichang -Wanzhou Railway Construction Headquarters

ｗａｙａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｇｅｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｃｈｉｓａｃｏｎｔｉｎｕａｔｉｏｎｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｉｎｃｏｎｓｔｒｕｃ-ａｄｖａｎｃｅｄｇｅｏｌｏｇｙｐｒｅｄｉｃａｔｉｏｎａｓｉｔｓｓｕｂｊｅｃｔ，ａｉｍｉｎｇａｔａｖｏｉｄｉｎｇｌａｒｇｅ-ｓｃａｌｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｈａｒｚａｒｄｓ，ｃｏｎ-ｔｉｏｎｓａｆｅｔｙ，ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｂｅｎｅｆｉｔａｎｄｐｒｏｊｅｃｔｑｕａｌｉｔｙ，ｓｕｃｈａｓｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｐｏｓｓｉｂｌｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｔｕｎｎｅｌｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｖａｎｃｅｄｇｅｏｌｏｇｙｐｒｅｄｉｃａｔｉｏｎ，ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｃｅａｌｅｄｋａｒｓｔｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ．ｔｏｒｉｎｇ

ｓｔｒｕｃｔｉｏｎｇｅｏｌｏｇｙｒｅｆｅｒｓｔｏｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｇｅｏｌｏｇｙｗｏｒｋｆｏｒｅｎｓｕｒｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｇｒｅｓｓ，ｃｏｎｓｔｒｕｃ-ｒｏｃｋ；ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇｐｏｔｅｎｔｉａｌｓａｌｔｃａｖｉｔｉｅｓ，ｆａｕｌｔｓａｎｄｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｒｉｖｅｒｓ；ｆｉｎｄｉｎｇｏｕｔｐｏｔｅｎｔｉａｌｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｙｐｒｏｂｌｅｍｓｔｉｏｎｓｔａｇｅ，ｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｗｈｉｃｈｄｏｎｏｔｅｘｉｓｔｏｒｃａｎｎｏｔｂｅｓｏｌｖｅｄｉｎｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｓｔａｇｅ．Ｔａｋｉｎｇ

［Abstract ］　ＴａｋｉｎｇｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｇｅｏｌｏｇｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｐｒａｃｔｉｃｅｏｆｋａｒｓｔｔｕｎｎｅｌｓｏｎＹｉｃｈａｎｇ-ＷｕａｎｚｈｏｕＲａｉｌ-

ａｎｄｃｏｎｃｅａｌｅｄｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｄｉｓａｓｔｅｒｓａｆｔｅｒｐｒｏｊｅｃｔｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ，ｅｔｃ．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｇｅｏｌｏｇｙｉｎｃｌｕｄｅｓｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅａｄ-［Key words ］　Ｙｉｃｈａｎｇ-ＷａｎｚｈｏｕＲａｉｌｗａｙ；ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅａｄｖａｎｃｅｄｇｅｏｌｏｇｙｐｒｅｄｉｃａｔｉｏｎ；ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌｍｏｎｉ-

52　中国工程科学