铁路工程复杂岩溶隧道施工地质工作方法，看世界级难题怎么解决？

来源：铁道部工程设计鉴定中心

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宜万铁路隧道概况

宜昌至万州铁路全长377公里，共有159座隧道（含Ⅰ线和Ⅱ线），总长338km，其中Ⅰ线有226km隧道,隧线比达60%。 其地形、地质条件之复杂集西南山区铁路之大成，建设条件之艰、难、险居我国铁路历史之最，特别是长大隧道穿越地区岩溶发育规模、多样性、突水突泥的风险程度及工程处理难度为国内外罕见，工程之艰巨、施工风险之大、环境压力之突出均属于世界级难题。 全线70%隧道位于岩溶发育区，共有8座Ⅰ级风险隧道，26座Ⅱ级风险隧道。

隧道岩溶发育情况

隧道岩溶发育情况--五爪观隧道

岩溶大厅宽120m，纵向长71m，洞内岩堆高耸，发育有石笋、钟乳石等，水流湍急，隧道洞身位于暗河堆积层中。

隧道岩溶发育情况—野三关隧道

野三关隧道I线全长13833m，II线全长13796m，为全线最长隧道，最大埋深684m，纵坡为人字坡； 在DK125+100左侧设置长1844.5m的无轨运输斜井，出口Ⅰ线左侧设置长5250m的排水洞。 最大的问题是通过6条暗河，中部发育一大溶腔，与3#暗河连通。

隧道岩溶发育情况—大支坪隧道

大支坪隧道全长8775米，最大埋深495米，纵坡为人字坡。 进口段Ⅱ线右侧设置长5900m的排水洞。 最复杂岩溶地质地段为DK132+990处大型充水（泥）溶腔。

2008年4月30日，该隧道进口工区ⅡDK132＋914发生突水突泥，持续约10分钟，突水7000m3，突泥至掌子面后方约200m处，掌子面涌泥砂高度3m，涌泥砂量约3000m3 。

隧道岩溶发育情况—马鹿箐隧道

 马鹿箐隧道全长7879m，最大埋深660m，15.3‰单面上坡。 在进口Ⅱ线左侧20m处设长4695m的泄水洞。

马鹿箐隧道1.21突水事故

溶腔纵向长17～47m（Ⅰ线47m、Ⅱ线25m 、泄水洞17m），横向宽大于55m，向下发育至隧底以下约50 m，向上发育至拱顶以上25m，溶腔充填淤泥质黏土夹块石，碎石。

马鹿箐隧道曾发生“4.11” 、“4.19”、“5.10”、“5.23”、“5.26”、 “6.12” 、“6.18”、 “6.20” 、 “6.21” 、 “7.03” 、 “7.04” 等多次突水突泥，携带溶腔突出物主要为块石、碎石及淤泥混合物，经初步估算，突出物淤积Ⅰ线正洞约450m，Ⅱ线正洞约1070m。  

马鹿箐隧道978溶腔照片

隧道岩溶发育情况—齐岳山隧道

齐岳山隧道全长10528m，为单面下坡。 在隧道左侧30m设置贯通的平行导坑，右侧设斜井，长752m，隧道区共发育15条断层，进口工区为岩溶极发育区，其中F11断层规模大、水头高、水压大、岩体破碎，是全线施工最困难的地段之一。

岩溶隧道施工地质工作内容

宜万铁路自2003年～2009年建设期间，通过认真开展施工地质工作，及时预测预报掌子面前方的地质情况，采取针对性的防灾措施，避免了多次大规模的突泥突水地质灾害，为深埋复杂岩溶隧道的施工探索出一条行之有效的技术管理方法。

岩溶隧道施工地质工作内容主要包括：

超前地质预报、施工围岩分级及稳定性评价、隧底及周边岩溶探查、灾害评估及防治工程措施建议、竣工图及报告等内容。

岩溶隧道施工地质分级和超前预报分级

为方便岩溶隧道的建设管理，突出重点，把握关键，需要对岩溶隧道进行施工地质分级和超前预报分级。

常用岩溶隧道地质预报方法

国内外隧道地质超前预报的方法，主要有： 地质法、超前导坑法、超前水平钻孔法、声波测井法、波反射法、层析成像法等。

根据宜万铁路超前地质预报技术在岩溶隧道施工中的应用情况，认为在不同地质情况下（如岩溶溶洞、暗河、断层、裂隙等）的最优超前预报组合方法是物探方法（TSP203、TGP12等长距离弹性波反射法、掌子面地质雷达法、红外探水法等）与工程地质法（掌子面超前水平钻探法、工程地质类比法、地质素描等）有机合理结合，取长补短，长短结合。

超前水平钻探法

超前水平钻探是隧道掌子面前方及周围的富水地层位置、富水程度以及岩溶洞穴的形态、规模及其充填和富水情况预测的直接方法，是深埋复杂岩溶隧道地质灾害预测与防治的最有效手段。 一般分为超前水平钻孔长距离预报和超前长炮眼短距离预报。

• 超前水平钻孔长距离预报

超前水平钻孔长距离预报一般在掌子面布置3～5孔，钻孔长度一般在50～100m。 为兼顾对周边围岩探查，通常在掌子面以一定的外插角向前钻探。

• 超前长炮眼短距离预报

利用风钻在复杂岩溶隧道每个施工循环（施工循环2～2.5米）掌子面布置一些长炮眼（不小于5米）进行超前探测，它是对超前水平钻探的一种补充，因其数量比水平钻数量多，揭示岩溶的可能性较大，起到了保证施工安全的作用。

• 超前水平钻法预报的特点

同物探预报方法相比，具有直观性，不存在物探预报方法的多解性。 但同时也具有费用高、速度慢、占用隧道施工的掌子面时间长，且钻孔资料只是一孔之见，对溶洞有漏报的可能。

物探预报方法

物探预报主要利用声波、超声波、地震波及电磁破在地层中传播、反射，通过信号采集系统接收反射信号，判释隧道掌子面前方反射界面（断层、软弱夹层、孔洞等）距隧道掌子面的距离来进行隧道施工期地质预报的方法。 常用的有TSP—203、TGP12、地震负视速度法、掌子面弹性波单点反射法、掌子面地质雷达法、红外探水法、HSP、单孔或跨孔CT等方法。

要准确预报掌子面前方地质情况，往往要根据各种预报方法的功能特点选择一种或多种方法的组合，相互验证。 但不管怎样，还没有哪一种方法能准确预测岩溶隧道前方及周边全方位的地质情况。

在宜万铁路隧道地质预报工作中，物探方法应用最广泛的是TSP－203、TGP12、地质雷达和红外探水。 TSP－203、TGP12均属于地震反射法，是一种长距离的预报方法，有效探测距离100～150m，根据炸药在岩石上爆炸的主频推算，有效分辨率约2m，因此直径大于2m的溶腔或含水体可以被发现，如别岩槽隧道DK244+422、马鹿箐隧道DK255+978、云雾山隧道DK242+850等溶腔的预报。

宜万线施工揭示的位于掌子面前方、有一定规模的溶腔或断层，物探方法均有反映，配合水平钻探和其它方法，Ⅰ级风险隧道施工揭示的82处溶洞及涌水突泥有80处得到了准确预报，但由于其对干扰信号不能分辨和消除，有大量的假异常存在。 在王家岭隧道进行了TSP203与TGP12两种超前预报方法的对比试验，两种超前预报方法的预报结果基本一致，TGP12效果有时还更好些； TGP12方法检波器使用黄油耦合，经济实用，分析软件为中文，易于操作，预报准确率高，但配套器材有待改进。 地质雷达是一种短距离探测方法，有效探测距离约10～15m，有效分辨率约10cm，对大支坪隧道DK132+990突泥、野三关的4#暗河都做出了准确预报。 由于地质雷达探测距离过短，主要配合地震单点反射用于隧底及周边隐伏岩溶探查，通过地质雷达探测，在已建成隧道的隧底及周边发现了8处可能威胁运营安全的隐伏溶洞。 宜万线的岩溶水都是浅部循环水，所形成的温度差异不能从施工形成的温度异常中区分，因此不适用于浅循环地下水隧道的超前预报。

工程地质类比法

工程地质类比法是根据以往岩溶隧道施工总结出判断隧道岩溶发育的可能部位的一种经验方法。 岩溶发育可能的主要位置如下：

（1）可溶岩与非可溶岩接触界面可能岩溶发育；

（2）隧道通过断层、向斜、背斜核部的可溶岩可能岩溶发育；

（3）可溶岩中裂隙、溶隙发育位置可能岩溶发育；

（4）可溶岩中围岩整体突然变好或突然变差的位置可能岩溶发育；

（5）不同年代可溶岩接触界面、岩性分界面位置附近可能岩溶发育；

（6）掌子面附近出现泥质充填裂隙的可溶岩，前方可能岩溶发育。

地质预报技术管理及成果应用

为做好宜万线隧道的施工地质工作和岩溶隧道的预测预报工作，建设单位组织编写了《宜万铁路地质勘察与超前地质预报专项机制》、《宜万铁路复杂隧道地质超前探测实施细则》，设计单位制定了《宜万线施工地质实施细则》，对宜万铁路的岩溶地质施工起到了很好的指导作用。

超前地质预测预报设计、实施、判释实行分级管理，责任到人，做到“物探先行、钻探验证、有疑必钻、不明不掘”及坚持“三定三探”原则（即： 定人定孔定检查、重探密探加深探）。

施工地质工作技术管理

针对宜万线地质特别复杂的13座隧道分别成立由建设、设计、施工、监理等单位组成的施工地质组，现场组织实施复杂隧道的施工地质工作，并组建以设计单位的技术管理和地质、物探及隧道设计专家为主体，建设、施工、监理等单位专家为技术顾问的施工地质部，协调和强化复杂隧道的施工地质技术工作，并现场快速分析判断，决策处理复杂地质问题。 重大地质问题由设计院专家组决策处理，必要时报请铁道部专家组研讨后再决策处理。

施工地质工作成果

• 突水突泥预报

宜万线铁路隧道在施工过程中发生了9次大型的突水突泥，除了个别因为各种复杂原因未能预报出之外，其它的都做出了准确的预报。

宜万线铁路隧道施工超前预报了28次高压突水，如成功预报马鹿箐隧道进口泄水洞XDK255+701出水、平导PDK255+655～+696出水，预报野三关隧道IIDK124+680～+650段岩溶裂隙涌水，涌水量为6000m3/d左右，水压0.75MPa。 齐岳山隧道长距离超前预报探测中，物探资料显示PDK364+007～+015段围岩软弱异常，有溶洞富含水，超前钻探验证在PDK364＋008后确实存在富水溶腔，由于预报准确、措施得当没有造成事故。

超前地质预报中有10次是水平钻孔或超长炮孔发现的高压突水现象，如云雾山隧道DK244+901掌子面的涌水（含突泥2000m3）就是超长炮孔发现的。

• 大型溶腔预报

宜万线隧道在施工过程遭遇了大型充填或非充填溶腔36处，除鲁竹坝DK204+610～+640溶腔外都作出了预报，如云雾山隧道出口Ⅰ线DK247+547大型溶腔、大支坪进口在DK133+000附近（包括Ⅱ线）顺层发育的较大规模溶腔、金子山隧道IIDK264+870～+840段充填碎石土的溶腔，超前物探和超前水平钻探均取得较好的效果。

结语

• 对于复杂岩溶隧道的施工应成立专门的施工地质工作机构，制定施工地质工作管理办法，明确建设、设计、施工、监理各方职责，将施工地质和超前地质预报工作纳入施工工序，严格执行。
  

• 开工前应进行岩溶隧道的风险分析与评估，确定岩溶隧道的风险等级。

• 根据岩溶隧道的风险等级，制定隧道施工地质工作细则，确定隧道各段的施工地质级别和地质工作内容。

• 确定超前地质预报的级别，明确施工超前地质预报的内容、形式和工作方法。

• 根据超前地质预报及监测的成果，及时进行施工围岩分级、围岩稳定性评价和灾害评估。

• 制定针对性的防治工程措施，严格管理，避免灾害的发生。

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