貴廣高鐵油竹山隧道施工風險地質預報應用研究

錢薔薇

貴廣高鐵油竹山隧道施工風險地質預報應用研究

錢薔薇

（中國中鐵城市投資集團有限公司，四川 成都 610000）

介紹了貴廣高鐵油竹山隧道安全穿越復雜高風險巖溶地區的成功經驗。從超前地質預報方法選用、結果分析和預報效果等方面，對高風險巖溶隧道的地質風險預報進行了較為全面的分析和總結，為巖溶地區隧道地質風險的預報提供了借鑒經驗。

高速鐵路；巖溶隧道；高風險施工；地質預報

1 前言

隨著中國鐵路網的快速成型，鐵路隧道施工地質條件千變萬化，遇到的風險種類也越來越多。貴廣高鐵油竹山隧道處于較典型的巖溶發育地區，其可能引起暗河水涌入、突水突泥等事故，對隧道施工威脅巨大。高速鐵路隧道如何對地質風險進行可靠預報，是隧道安全、快速施工的前提和保障，具有很大的研究和實用價值。以貴廣高鐵油竹山隧道成功通過高風險巖溶強烈發育區的案例，對高速鐵路隧道通過大型溶洞、大段溶蝕破碎帶、大型儲水溶巖管道等強烈發育區的超前地質預報技術進行了較為全面的分析和總結，為巖溶地區隧道工程提供借鑒。

2 工程概況

貴廣鐵路油竹山隧道全長9 896 m，始于貴州省貴定縣昌明鎮，終于貴州省都勻市甘塘鎮。線路左側設有平行導洞，進口導洞長度2 717 m，出口長度2 371 m。

隧道最大埋深約720 m，隧址區地質條件復雜，隧道穿越巖溶、巖爆、順層、暗河、斷層破碎帶、節理裂隙密集帶等多種不良地質，隧道平常涌水量為54 200 m3/d，雨季涌水量為136 000 m3/d，存在突水突泥高風險，為Ⅰ級高風險巖溶隧道。

3 地質風險預報方法

目前在隧道施工中較常使用的地質風險超前預報技術有直接法和間接法，直接法主要采用鉆探和導坑，間接法有TSP、地質雷達等。每種探測方法均有優缺點和適用范圍，單一使用不能全面預報前方地質風險，存在一定的安全隱患，鑒于油竹山隧道的高風險性，施工中創新采用了多源信息綜合超前地質預報技術和巖溶發育地質模型，前者可以利用各種探測技術的優點更確切地預報前方地質風險情況，后者更加系統地總結巖溶病害的發育特征，提高預報準確度。

3.1 TSP探測技術

TSP探測作為一種中長期的預報方法，其預報范圍一般界定為100～150 m，監測系統通過對人工地震波振幅和反射系數等數據的分析，從而可清楚判斷前方地質體的變化，為施工單位制定相對長期的施工計劃提供科學依據。

3.2 地質雷達探測

地質雷達預報距離一般在20～30 m，是綜合超前地質預報技術體系的關鍵技術。地質雷達超前預報主要用于進一步查明表面雷達發現的掌子面前方富水構造、不連續體及破碎帶，判斷地下水賦存情況，有助于減少超前鉆孔的數量，彌補超前鉆孔在復雜地質條件下難以預測小斷層、貫穿性大節理及與隧道軸線平行結構面的缺陷，對確保超前地質預報的準確率具有決定性的作用。

3.3 巖體溫度場探水技術

巖溶隧道水的賦存狀態直接影響施工安全，對水的探測是必要的，主要采用紅外線探水技術。水的存在會引起圍巖紅外場的明顯變化，因而可以探測前方是否存在水體。其探測、分析速度較快，不易引起窩工，適合與中、短期物探手段互相補充使用。

3.4 超前鉆孔法

超前鉆探主要適用于前方30 m圍巖級別，富水帶、斷層、巖溶、高地應力、有害氣體等的預報，建立在物探預報基礎之上。超前水平鉆可直接探測前方巖體的地層巖性、含水性、完整性，對其結果的分析可以較為準確推測構造巖溶洞穴的位置與其規模；更能直觀準確反映巖體概況和預報地質風險結果，但工期長，工程投資大。

3.5 高精度孔內成像技術

孔內成像對孔內壁四周及下部進行全方位彩色攝像，并實時傳回全景圖像到地面系統控制器，通過電視屏幕直觀顯示圍巖破碎程度及裂隙產狀等。孔內成像可以直接觀測到鉆孔中地質體的各種特征及細微構造，適用于鉆孔取芯難度大、無法取芯的情況，在巖溶地區較為適用。

360°全景鏡頭成像如圖1所示。

圖1 360°全景鏡頭成像

綜上所述，油竹山隧道施工中建立的多源信息綜合風險地質預報體系，物探方面采用TSP與地質雷達長短結合，輔以巖體溫度場探水技術；鉆探方面利用超前水平鉆孔和高精度孔內成像技術，不僅能直觀探測前方風險地質情況，還能對更深層次的巖體巖性和構造進行預測。其運行的有效性證明了體系在巖溶地區高風險長大隧道的適用性。

4 巖溶發育地質模型

通過對廣西、貴州巖溶地區隧道工程典型案例的分析總結，系統研究了在不同構造條件下，巖溶病害的發育特征，闡述了巖溶在不同構造地質條件下的發育規律，形成多個巖溶地質發育模型，其中油竹山隧道傾斜巖層節理較發育、上下部有隔水層巖溶發育模型為巖溶隧道超前地質預報和巖溶不良地質處理提供了理論指導，填補了巖溶地質預報理論體系的空白。傾斜巖層節理較發育、上下部有隔水層巖溶發育模型與現場對比如圖2所示。

圖2 傾斜巖層節理較發育、上下部有隔水層巖溶發育模型與現場對比圖

通過建立上述地質模型，豐富了巖溶工程地質的基本理論體系，在技術上確立了涉及巖溶工程地質問題的基本依據，為貴廣鐵路巖溶發育隧道超前地質預報提供了技術保障，提高了預報的可靠度。

5 超前地質風險預報體系

首先確定預報區域所對應的地質模型類型，然后利用TSP203配合巖體溫度場探水對前方巖體結構完整性、巖溶和地下水發育的情況進行長距離預報。在開挖前利用地質雷達對掌子面30 m范圍內進行短距離預報。對疑似存在富水帶、斷層、巖溶、高地應力、有害氣體等不良地質風險的情況進行水平鉆孔，必要時可采孔內雷達及孔內成像驗證。在巖溶發育地質模型理論的指導下進行超前地質預報工作，從宏觀上了解巖溶地質情況。

在實踐操作中，超前地質預報根據設計圖紙上明確的地質風險等級和探測方法，分別采用地質調查、TSP、表面雷達、紅外探測等物探方法，結合超前鉆孔（水平地質鉆探、加深炮孔探測）、地質編錄等手段，對隧道掘進施工進行超前地質綜合預報，大力推廣孔內雷達、鉆孔攝像、孔內成像等新技術手段應用，對復雜地質情況進行輔助探測，各手段的使用應根據圖紙和現場地質靈活掌握，并采用TSP輔以表面雷達、紅外探測進行綜合分析，如有疑問則應采用地質鉆探法進行核查。

各種超前地質預報手段使用流程如圖3所示。

圖3 各種超前地質預報手段使用流程圖

6 預報成果

6.1 TSP預報

油竹山隧道進口平導TSP結果顯示：P1K82+906—P1K83+006圍巖溶蝕裂隙較發育，存在巖溶富水區，突水地質風險較大。

6.2 地質雷達

為進一步明確TSP探測結果，施工過程中進行了多次地質雷達探測。經多次探測數據對比分析，可以推測出平導P1K82+906—P1K82+936段巖體破碎，溶蝕作用強烈發育，涌水量預測在10～12 m3/h之間。巖溶發育危及施工安全，建議立即停止掌子面施工，對掌子面進行鉆孔探測后再行施工。地質雷達探測成果如圖4所示。

6.3 紅外探水

紅外探測后，結合已開挖揭示的圍巖情況，分析判定出P1K82+906—P1K82+936段可能存在大規模含水體，地下水發育，施工中發生突涌水的可能性大。

圖4 地質雷達探測成果圖

6.4 超前鉆孔驗證情況

為探明平導P1K82+906前方地質風險情況，采用30 m×3超前水平鉆孔進行探測驗證：P1K82+906—P1K82+936巖性為白云巖，巖溶作用發育，地下水發育，開挖該范圍易出現突水涌砂，地質風險較大。結合模型可以對前方巖溶發育情況進行推測，通過多源信息綜合風險地質預報體系對預測進行驗證，并根據超前地質風險預報體系大數據分析，指定相應的技術措施和管理措施，以及完善的處置體系，確保油竹山隧道通過巖溶、斷層、富水帶、高地應力等強烈發育區施工生產安全。

7 結語

貴廣鐵路油竹山高風險巖溶隧道建立巖溶地區長大隧道綜合超前地質預報技術體系，通過恰當選擇預報技方法及各種預報方法的相互驗證，基本確定不良地質的性質、規模。多源信息綜合預報技術和巖溶隧道地質預報體系的應用極大地提高了地質風險預報的準確率。以上多種超前地質風險預報技術的綜合應用為油竹山高風險巖溶隧道規避地質風險，安全快速完成建設奠定了基礎，對其地質風險預報經驗的分析和總結為此類工程提供了重要參考。建設過程中以油竹山隧道為依托展開了高速鐵路隧道施工機械化配套設備開發及應用研究、巖溶地區高風險隧道綜合超前地質預報新技術應用研究、巖溶隧道爆破控制技術研究等七項探索型課題，科研工作碩果累累，工程榮獲2016年度中國建設工程魯班獎。

［1］王良奎.多種超前地質預報方法在隧道施工中的應用［J］.金屬礦山，2001（11）：45-47.

［2］何振起，李海，梁彥忠.利用地震反射法進行隧道施工地質超前預報［J］.鐵道工程學報，2000（4）：81-85.

［3］曾憲強，沙椿.工程物探論文集［M］.昆明：云南科技出版社，2006.

U455.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.069

2095－6835（2020）08－0154－03

錢薔薇，畢業于西南交通大學土木工程專業。

〔編輯：嚴麗琴〕