钱蔷薇

贵广高铁油竹山隧道施工风险地质预报应用研究

钱蔷薇

（中国中铁城市投资集团有限公司，四川 成都 610000）

介绍了贵广高铁油竹山隧道安全穿越复杂高风险岩溶地区的成功经验。从超前地质预报方法选用、结果分析和预报效果等方面，对高风险岩溶隧道的地质风险预报进行了较为全面的分析和总结，为岩溶地区隧道地质风险的预报提供了借鉴经验。

高速铁路；岩溶隧道；高风险施工；地质预报

1 前言

随着中国铁路网的快速成型，铁路隧道施工地质条件千变万化，遇到的风险种类也越来越多。贵广高铁油竹山隧道处于较典型的岩溶发育地区，其可能引起暗河水涌入、突水突泥等事故，对隧道施工威胁巨大。高速铁路隧道如何对地质风险进行可靠预报，是隧道安全、快速施工的前提和保障，具有很大的研究和实用价值。以贵广高铁油竹山隧道成功通过高风险岩溶强烈发育区的案例，对高速铁路隧道通过大型溶洞、大段溶蚀破碎带、大型储水溶岩管道等强烈发育区的超前地质预报技术进行了较为全面的分析和总结，为岩溶地区隧道工程提供借鉴。

2 工程概况

贵广铁路油竹山隧道全长9 896 m，始于贵州省贵定县昌明镇，终于贵州省都匀市甘塘镇。线路左侧设有平行导洞，进口导洞长度2 717 m，出口长度2 371 m。

隧道最大埋深约720 m，隧址区地质条件复杂，隧道穿越岩溶、岩爆、顺层、暗河、断层破碎带、节理裂隙密集带等多种不良地质，隧道平常涌水量为54 200 m3/d，雨季涌水量为136 000 m3/d，存在突水突泥高风险，为Ⅰ级高风险岩溶隧道。

3 地质风险预报方法

目前在隧道施工中较常使用的地质风险超前预报技术有直接法和间接法，直接法主要采用钻探和导坑，间接法有TSP、地质雷达等。每种探测方法均有优缺点和适用范围，单一使用不能全面预报前方地质风险，存在一定的安全隐患，鉴于油竹山隧道的高风险性，施工中创新采用了多源信息综合超前地质预报技术和岩溶发育地质模型，前者可以利用各种探测技术的优点更确切地预报前方地质风险情况，后者更加系统地总结岩溶病害的发育特征，提高预报准确度。

3.1 TSP探测技术

TSP探测作为一种中长期的预报方法，其预报范围一般界定为100～150 m，监测系统通过对人工地震波振幅和反射系数等数据的分析，从而可清楚判断前方地质体的变化，为施工单位制定相对长期的施工计划提供科学依据。

3.2 地质雷达探测

地质雷达预报距离一般在20～30 m，是综合超前地质预报技术体系的关键技术。地质雷达超前预报主要用于进一步查明表面雷达发现的掌子面前方富水构造、不连续体及破碎带，判断地下水赋存情况，有助于减少超前钻孔的数量，弥补超前钻孔在复杂地质条件下难以预测小断层、贯穿性大节理及与隧道轴线平行结构面的缺陷，对确保超前地质预报的准确率具有决定性的作用。

3.3 岩体温度场探水技术

岩溶隧道水的赋存状态直接影响施工安全，对水的探测是必要的，主要采用红外线探水技术。水的存在会引起围岩红外场的明显变化，因而可以探测前方是否存在水体。其探测、分析速度较快，不易引起窝工，适合与中、短期物探手段互相补充使用。

3.4 超前钻孔法

超前钻探主要适用于前方30 m围岩级别，富水带、断层、岩溶、高地应力、有害气体等的预报，建立在物探预报基础之上。超前水平钻可直接探测前方岩体的地层岩性、含水性、完整性，对其结果的分析可以较为准确推测构造岩溶洞穴的位置与其规模；更能直观准确反映岩体概况和预报地质风险结果，但工期长，工程投资大。

3.5 高精度孔内成像技术

孔内成像对孔内壁四周及下部进行全方位彩色摄像，并实时传回全景图像到地面系统控制器，通过电视屏幕直观显示围岩破碎程度及裂隙产状等。孔内成像可以直接观测到钻孔中地质体的各种特征及细微构造，适用于钻孔取芯难度大、无法取芯的情况，在岩溶地区较为适用。

360°全景镜头成像如图1所示。

图1 360°全景镜头成像

综上所述，油竹山隧道施工中建立的多源信息综合风险地质预报体系，物探方面采用TSP与地质雷达长短结合，辅以岩体温度场探水技术；钻探方面利用超前水平钻孔和高精度孔内成像技术，不仅能直观探测前方风险地质情况，还能对更深层次的岩体岩性和构造进行预测。其运行的有效性证明了体系在岩溶地区高风险长大隧道的适用性。

4 岩溶发育地质模型

通过对广西、贵州岩溶地区隧道工程典型案例的分析总结，系统研究了在不同构造条件下，岩溶病害的发育特征，阐述了岩溶在不同构造地质条件下的发育规律，形成多个岩溶地质发育模型，其中油竹山隧道倾斜岩层节理较发育、上下部有隔水层岩溶发育模型为岩溶隧道超前地质预报和岩溶不良地质处理提供了理论指导，填补了岩溶地质预报理论体系的空白。倾斜岩层节理较发育、上下部有隔水层岩溶发育模型与现场对比如图2所示。

图2 倾斜岩层节理较发育、上下部有隔水层岩溶发育模型与现场对比图

通过建立上述地质模型，丰富了岩溶工程地质的基本理论体系，在技术上确立了涉及岩溶工程地质问题的基本依据，为贵广铁路岩溶发育隧道超前地质预报提供了技术保障，提高了预报的可靠度。

5 超前地质风险预报体系

首先确定预报区域所对应的地质模型类型，然后利用TSP203配合岩体温度场探水对前方岩体结构完整性、岩溶和地下水发育的情况进行长距离预报。在开挖前利用地质雷达对掌子面30 m范围内进行短距离预报。对疑似存在富水带、断层、岩溶、高地应力、有害气体等不良地质风险的情况进行水平钻孔，必要时可采孔内雷达及孔内成像验证。在岩溶发育地质模型理论的指导下进行超前地质预报工作，从宏观上了解岩溶地质情况。

在实践操作中，超前地质预报根据设计图纸上明确的地质风险等级和探测方法，分别采用地质调查、TSP、表面雷达、红外探测等物探方法，结合超前钻孔（水平地质钻探、加深炮孔探测）、地质编录等手段，对隧道掘进施工进行超前地质综合预报，大力推广孔内雷达、钻孔摄像、孔内成像等新技术手段应用，对复杂地质情况进行辅助探测，各手段的使用应根据图纸和现场地质灵活掌握，并采用TSP辅以表面雷达、红外探测进行综合分析，如有疑问则应采用地质钻探法进行核查。

各种超前地质预报手段使用流程如图3所示。

图3 各种超前地质预报手段使用流程图

6 预报成果

6.1 TSP预报

油竹山隧道进口平导TSP结果显示：P1K82+906—P1K83+006围岩溶蚀裂隙较发育，存在岩溶富水区，突水地质风险较大。

6.2 地质雷达

为进一步明确TSP探测结果，施工过程中进行了多次地质雷达探测。经多次探测数据对比分析，可以推测出平导P1K82+906—P1K82+936段岩体破碎，溶蚀作用强烈发育，涌水量预测在10～12 m3/h之间。岩溶发育危及施工安全，建议立即停止掌子面施工，对掌子面进行钻孔探测后再行施工。地质雷达探测成果如图4所示。

6.3 红外探水

红外探测后，结合已开挖揭示的围岩情况，分析判定出P1K82+906—P1K82+936段可能存在大规模含水体，地下水发育，施工中发生突涌水的可能性大。

图4 地质雷达探测成果图

6.4 超前钻孔验证情况

为探明平导P1K82+906前方地质风险情况，采用30 m×3超前水平钻孔进行探测验证：P1K82+906—P1K82+936岩性为白云岩，岩溶作用发育，地下水发育，开挖该范围易出现突水涌砂，地质风险较大。结合模型可以对前方岩溶发育情况进行推测，通过多源信息综合风险地质预报体系对预测进行验证，并根据超前地质风险预报体系大数据分析，指定相应的技术措施和管理措施，以及完善的处置体系，确保油竹山隧道通过岩溶、断层、富水带、高地应力等强烈发育区施工生产安全。

7 结语

贵广铁路油竹山高风险岩溶隧道建立岩溶地区长大隧道综合超前地质预报技术体系，通过恰当选择预报技方法及各种预报方法的相互验证，基本确定不良地质的性质、规模。多源信息综合预报技术和岩溶隧道地质预报体系的应用极大地提高了地质风险预报的准确率。以上多种超前地质风险预报技术的综合应用为油竹山高风险岩溶隧道规避地质风险，安全快速完成建设奠定了基础，对其地质风险预报经验的分析和总结为此类工程提供了重要参考。建设过程中以油竹山隧道为依托展开了高速铁路隧道施工机械化配套设备开发及应用研究、岩溶地区高风险隧道综合超前地质预报新技术应用研究、岩溶隧道爆破控制技术研究等七项探索型课题，科研工作硕果累累，工程荣获2016年度中国建设工程鲁班奖。

［1］王良奎.多种超前地质预报方法在隧道施工中的应用［J］.金属矿山，2001（11）：45-47.

［2］何振起，李海，梁彦忠.利用地震反射法进行隧道施工地质超前预报［J］.铁道工程学报，2000（4）：81-85.

［3］曾宪强，沙椿.工程物探论文集［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

钱蔷薇，毕业于西南交通大学土木工程专业。

〔编辑：严丽琴〕