蒋艳君

（中铁十四局集团第四工程有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

随着我国铁路交通建设的持续发展，我国高速铁路建设取得了一系列的成就。在铁路隧道建设领域，各类不良地质预报方法运用于铁路隧道建设过程中，有效地减少了安全事故。蔡盛[1]运用短期物探与长期物探相结合，并参考钻探揭露的水文地质信息，保障隧道安全施工和隧道进度。唐宇豪等[2]分析了弹性波法与电磁法探测机理，提出一种适用于施工干扰环境下的隧底岩溶物探方法，成功避免了隧道建设过程中的隧底岩溶危害。闫强刚[3]使用地质雷达法结合钻探对含导水构造岩层进行探测，试验结果表明，该方法可以有效提高含导水构造岩层工作效率。王刚[4]将电导率反演方法运用于隧道不良地质灾害中，有效预报了隧道不良地质灾害。将地质雷达结合掌子面地质素描信息作为隧道短期不良地质灾害判据，并调整相应的风险管控技术措施，已在目前隧道施工中广泛应用[5]。在隧道出洞的过程中，各类风险发生的可能性较大，并且隧道掘进对出洞位置附近的原有第四系覆土、植被等有不良影响，需要将不良地质风险的预判与隧道出洞的风险管控措施、技术措施紧密结合起来，以保障隧道出洞安全、高效、绿色和低耗。

1 工况介绍与技术路线

五丰坡隧道为宣城至绩溪高速铁路单洞双线隧道，隧道全长3503.38 m，最大埋深约254.9 m，正洞开挖断面尺寸为152 m3。出口下方临近戈溪河，施工便道无法到达隧道出口，管棚无法施作，隧道出口航拍图如图1 所示。仅能由洞内向外开挖出洞。

图1 五丰坡隧道出口航拍图

为保障隧道出洞过程中施工人员安全，避免出现技术失误，该文以宣绩铁路五丰坡隧道出洞为研究对象，首先在出洞前使用TSP 弹性波反射超前预报措施，对隧道进行长距离的风险预判，再使用地质雷达和地质素描法对掌子面前端近区的地质风险进行细致探测，进而确定爆破参数和支护技术措施。在隧道掘进的过程中，充分进行洞内围岩监控量测和地表沉降观测记录，作为隧道掘进风险预判的重要依据。同时使用全息扫描仪对开挖面进行断面扫描，确定隧道断面的开挖效果的变形规律。通过上述综合探测方法与技术措施，隧道顺利出洞，可以节约经济成本，该文技术路线如图2 所示。

图2 技术路线图

2 长距地质风险探测

在隧道出洞综合探测方法中，首先使用弹性波反射法（TSP 法），以查明出洞段较大范围的前方地质情况，TSP 法具有预测范围大、探测效率高等优点，可以为隧道后续精细化探测提供参考。

预报隧道边墙都应布置爆破钻孔进行重复测量；施测时隧道中应没有其他振动源，以免影响试验效果和计算精度。计算结果判断依据如下：1）弹性波反射激励幅值越大，说明此处岩体的波阻抗和反射系数的差异越高。2）发生正反射的岩体为刚性系数较大的岩体，反之为较小的岩体。3）如果S 波反射强度高于P 波的反射强度，说明此处岩体含水量较大。4）如果P 波与 S 波波速大幅度提高或泊松比δ突然增大，说明此处岩体存在一定量的流体。5）如果P 波波速变低，就说明岩体中的孔隙较多。五丰坡隧道TSP 预报的计算结果如图3 所示。

图3 物性变化图

根据图3 的数据库处理计算结果并结合上节判断依据，可以得出探测段的以下地质预报结果：DK144+900.8~DK144+909段，P 波波速为3032m/s~3135m/s，该段纵横波速度均呈升高状态，预测结果为围岩情况较掌子面稍好，岩体弱风化～强风化。岩体为较破碎，同时节理裂隙发育。DK144+909~DK144+923段P 波波速为2864~2850m/s，该段纵横波速度、杨氏模量下降，预测结果为围岩弱～强风化，破碎、节理裂隙发育。DK144+923~DK144+933 段P 波波速在2893~3048m/s，该段纵横波速度、杨氏模量较前段升高，预测结果为该段围岩强度有所提高。岩体为较破碎，节理裂隙发育。DK144+933~DK144+976.46 段P 波波速在2355~3122m/s，该段纵横波速度、杨氏模量下降，预测结果为该段围岩强度下降，弱~强风化。

3 短距地质风险探测

在TSP 预报所得长距预测结果的基础上，短距探测主要采用地质雷达结合掌子面素描结果，与TSP 结果进行对比分析，较复杂段增设超前水平钻作为补充判据，为隧道掘进提供掌子面前方更精细的地质预报信息。其中地质雷达每30 m探测一次，掌子面素描每循环进行一次。

根据地质雷达探测结果，可以得到以下结果：DK144+917~DK144+952 段，同相轴较连续性略差，频率降低，预测结果为围岩弱风化，局部强风化，较完整～较破碎，节理裂隙较发育，建议围岩等级为V级围岩。DK144+945.8～DK144+976.5段，同相轴较连续性较差，预测结果为围岩弱风化，较完整～较破碎，节理裂隙较发育，建议围岩等级为V 级围岩。同时，由扫描结果可知，临近出洞段，围岩破碎更为明显。

4 钻爆与支护技术措施调整

在隧道掘进过程中采用光面爆破方案，根据地质预报和掌子面素描信息对光爆参数进行调整，现场钻爆设计图如图4 所示。在隧道出洞浅埋段，常出现掌子面拱部、拱腰处有泥质充填的情况，此时，如直接钻孔装药，极易造成局部出现大范围掉块，会降低现场施工效率，导致混凝土原料浪费。对此，使用预裂爆破处理上台阶泥质充填部分。同时，出洞段的第四系表土层厚薄不一，在同一循环断面，不同区域会出现差距较大的地质情况，在隧道掘进过程中使用沿开挖轮廓每循环施作一孔超前水平钻揭露前方地质信息，同时可以得到出洞剩余距离。

图4 隧道掘进钻爆设计图

在临近出洞浅埋段中，超前支护措施已由超前管棚支护变更为φ42mm 的超前单层小导管，环向间距0.3m，单根长度3 m，纵向每2 榀施做一环。同时，在超前支护注浆过程中严控注浆初终压，并检查注浆效果。隧道采用光面爆破法施工，根据前期预报结果在施工中根据实际围岩特点，不断优化钻爆设计，调整爆破参数；在出现泥质钙质填充时将装填系数调低20%～40%，并设置预裂孔等方式，取得最佳爆破效果，避免地质风险发生。

5 隧道围岩监控量测及全息扫描

在隧道出洞中，相邻检测断面间距5m，每个断面分别在拱顶和洞身布置5 个沉降监测点。洞内测点应在开挖后12h内埋设，并应在测点埋设后12h 内，且支护后2h 内读取初始数据。在隧道掘进开挖过程中，设置地表监测点，加强对地表的监测，发现异常及时处理。隧道掘进施工前对原有地面进行一次复测，准确掌握出洞时洞顶的覆盖层厚度，保障施工安全。隧道掘进出洞监测点拱顶沉降结果如图6 所示。通过图5 中的沉降监控量测数据，可以得出，在0d~6d 内沉降发展较快，多数在6d 后沉降逐渐趋于稳定，沉降量基本稳定在8mm~10mm，在出洞过程中没有出现较大的变形及沉降危害。

图6 拱顶沉降量测结果

每循环开挖完成后，采集利用SX12 全息扫描仪扫描，同时拍摄高清影像，生成数据文件即点云文件，点云数据无须拼接直接在仪器配套的TBC 软件中生成完整点云，计算断面扫描结果，进而与设计断面进行对比，确定现场施工结果7。通过扫描可以了解隧道掘进超欠挖的情况，及时调整钻爆方案，避免材料超耗和技术措施失误。

断面扫描结果如图7 所示。根据图7 中的隧道断面扫描数据可知，上台阶开挖拱腰区域的超挖情况比其他区域更严重，超挖多在8~12 cm，在爆破开挖过程中应注意控制，及时调整问题部位的爆破方案，在此处采用预裂爆破、降低装药等方式，并加强超前支护措施，保证超前注浆质量和监控量测。

图7 隧道扫描结果

6 隧道出洞

上台阶线路会率先出洞。出洞后，施工人员通过洞口对仰坡打设砂浆锚杆，锚杆长度4 m@1.2 m 梅花形布置，进行仰坡支护，仰坡开挖以人工为主，喷射C25 混凝土对坡面进行防护，防止后续爆破仰坡滑塌。隧道贯通后施作截排水设施。通过上述综合探测方法及调整技术措施，五丰坡隧道顺利贯通出洞，保护了出洞位置的生态环境，取得了良好的经济效益和社会效益。

7 结论

以宣绩铁路五丰坡隧道出洞为研究对象，首先在出洞前使用TSP 弹性波反射超前预报措施，对隧道进行长距离的风险预判，再使用地质雷达和地质素描法掌子面前端近区的地质风险进行细致探测，进而确定爆破参数和支护技术措施。1）出洞前采取TSP 弹性波反射超前预报措施，对隧道进行长距离的风险预判。使用地质雷达和地质素描法掌子面前端近区的地质风险进行细致探测，得到更为精确的不良地质风险预测，极大程度地降低了隧道掘进的安全风险。2）在隧道掘进过程中，通过前期物探结果和围岩监控量测结果、断面扫描结果，得到隧道开挖沉降变化规律和断面超挖规律，并根据结果及时对隧道钻爆参数、支护参数进行调整，实现了双线铁路隧道的安全、高效、低耗出洞施工。3）在隧道出洞过程中，通过精细化的不良地质风险预判和技术措施调整，有效降低了出洞段地质风险的发生概率，保护了出洞位置的环境，取得了良好的经济效益和社会效益，为类似隧道出洞施工提供参考。