中国铁路隧道勘察技术的发展与展望

2021-11-29杜宇本蒋良文陈明浩王哲威

隧道建设(中英文) 2021年11期

杜宇本，蒋良文，陈明浩，王哲威

(1. 西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 611756； 2. 中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

0 引言

隧道是一种修建于地下岩土体中的工程构筑物，按功能可分为交通、水工、市政、矿山、军事隧道，是人类开发利用地下空间的一种形式。铁路隧道勘察技术是隧道工程技术的重要组成部分，是制约和控制隧道建设技术水平的因素之一。21世纪以来，铁路隧道勘察技术得到了快速发展，在充分利用航空、航天遥感图像资料和区域地质资料进行地面地质调查测绘的基础上，合理使用钻探、物探、原位测试等各种勘察手段，针对铁路隧道不同地形、地质条件和不同的工程地质问题及勘察阶段技术要求，以最佳的勘察方法组合模式实现一体化综合勘察。随着中国铁路隧道的建设，特别是西部地区以川藏铁路为代表的重大铁路工程的实施，深埋长大隧道数量越来越多，规模越来越大，加之西部地区复杂的地质条件，隧道地质勘察工作面临着前所未有的挑战。同时，随着大数据、人工智能、5G技术的迅猛发展，在机械化与信息化高度融合的基础上，亟需发展具有自感知、自学习、自决策、自实施功能的智能化勘察技术。诸多专家和学者对铁路隧道勘察技术进行了探讨和实践，促进了中国铁路隧道勘察技术的进步与发展，但相关报道多针对某一具体隧道工程或某类勘察技术进行研究和应用，而针对中国铁路隧道综合勘察技术的发展过程及趋势讨论的文献相对较少。因此，本文通过回顾铁路隧道勘察技术的发展历程，分析隧道勘察技术的发展现状和面临的挑战，并提出隧道勘察技术的发展方向。

1 中国铁路隧道勘察技术发展历程

古代的隧道建造根据建设者的经验积累，没有单独进行隧道地质勘察工作。自20世纪50年代起，中国才正式开展隧道地质勘察工作。新中国成立后，勘察方法逐渐丰富，勘察技术愈发成熟，综合分析日臻完善，为隧道建造提供了有力的技术支撑。

1.1 起步阶段

为20世纪50年代。新中国成立后，自1953年开始在铁路正式开展工程地质工作，但当时由于铁路工程地质工作处于起步阶段，机构体制不健全，规章制度不完善，机具、仪器设备短缺，技术水平低，只能边干边摸索。1955年以后，随着勘察机具如机动钻机、人力钻机、电测深、电测剖面、电阻法测井和自然电位测井等物探设备的增加，遥感地质工作开始起步，航测技术开始用于铁路越岭地段选线。该时期勘察工序、测绘方法、操作规程、勘测资料内容、检查验收等逐步进入正轨，广大地质专业人员的技术和业务水平有了较大程度的提升[1]。

在20世纪50年代的隧道工程地质勘察、设计和施工中，解决了许多复杂的工程地质问题，且积累了较丰富的隧道工程地质勘察经验和教训。然而，受制于当时的技术条件，铁路选线侧重于考虑地形条件，修建的山区铁路隧道多为沿河傍山的短隧道群，越岭地区选线为了缩短隧道长度，以低垭口穿越为首选方案，这些地区多是地质条件较差的地段，给隧道施工及运营留下了隐患。

1.2 发展阶段

为20世纪60—70年代。在这一时期的铁路建设中，逐步认识到地质工作的重要性。西南川黔、贵昆、成昆三大铁路干线的建设，使隧道数量猛增，迎来了隧道建设的大发展。隧道勘察开始重视越岭隧道方案的比选，地震勘察广泛应用于铁路隧道勘察中。为查明铁路通过地区的工程地质条件，选好线路方案，采用地质调绘、钻探、挖探、物探、水土试验相结合的方法，为隧道工程设计提供成套的地质资料，并组织地质工作者参加施工，与施工人员一起解决施工中出现的各种工程地质问题。勘察阶段在查明洞身工程地质条件的同时，对洞身涌水也进行了简单的水文地质计算，但因勘察资料、计算参数及计算公式都存在一些问题，计算结果与实际出入较大。

1.3 技术突破和创新阶段

为20世纪80年代后。这一时期的隧道地质勘察积极引进国外新技术，掌握新手段，将地质力学、环境工程、数学地质、模糊数学、电子计算机等技术应用于铁路隧道工程的勘察设计中，在铁路工程勘察设计和施工中不断总结，形成了隧道钻爆法、TBM施工地质勘察成套技术，铁路隧道勘察和建造取得了技术突破和理论创新。该时期重视隧址的选择，开展地质复杂地区及越岭地段的隧道方案比选工作，形成了高烈度地震区、活动断裂带、高地温、冻土、黄土等复杂地形地质艰险山区及海底隧道防灾减灾选线成套技术。地质勘察普遍采用“空天地”一体化综合勘察，并针对重难点地质问题开展专项地质勘察。在设计方面，从单一功能设计发展到综合功能设计，进一步完善了隧道支护理论与方法，提高了支护的合理性与有效性。在施工方面，形成了超前地质预报、施工作业、监控量测的隧道施工综合技术体系，成功地解决了隧道施工中面临的各种地质问题，打通了一座又一座工程艰巨、技术复杂的隧道[2]。

2 中国铁路隧道勘察技术发展现状

随着科学技术的发展，遥感、物探、钻探、测试等技术和设备发展迅速，相继从国外引进并开发一批先进的、数字化的高分遥感、物探、钻探、挖探、原位测试技术及室内试验仪器设备，计算机技术在数据采集、处理和制图等方面的广泛应用，促进地质勘察技术发生全新改观，铁路地质工作的主要勘察手段有了较大的变化。铁路工程地质工作者进行了长期的、艰苦的努力，打破了传统的以地面调绘和钻探为主的勘察技术模式，采用不同阶段隧道工程“空天地”一体化综合勘察技术，逐步形成了标准化的组合模式和工作程序，促进了新技术方法的有效应用，从整体上提高了铁路隧道地质勘察的质量和效率。

2.1 遥感技术

隧道勘察的首要工作是遥感地质解译。铁路遥感技术(航天遥感和航空遥感)的应用紧密结合铁路建设的实际，遥感解译成果直接为铁路勘察设计服务。通过生产实践，遥感片种从原来的黑白航空像片，发展到利用各种航空遥感图像和高分辨率航天遥感图像相结合，以及雷达遥感图像的处理和解译；应用范围从初期的仅应用于铁路线路前期方案研究，发展到应用于隧道工程施工和运营阶段；解译方法从目视定性解译、静态解译，发展到计算机自动分类、定量解译，以及静态解译和动态解译相结合的解译方法[3-5]。

2.2 工程地质调绘

工程地质调绘是隧道勘察的基础和重点，隧道勘察的各个发展阶段均较重视地质调绘工作。现阶段除采用传统的野外地质调绘方法外，在高寒缺氧、地形陡峻、人员不能到达地段，结合高分无人机测绘、三维激光扫描等新技术进行地质调绘，保证了地质调绘的质量，提高了工作效率。

2.3 工程物探技术

现用于隧道地质勘探的物探方法几乎包括目前工程物探所有常用的方法，随着物探设备和解译技术的发展，物探技术日新月异，已成为隧道勘察的重要组成部分。每种物探方法各有自己的特点，在一定的环境条件下，可以解决特定的地质问题[6]。针对特殊或复杂地质问题，往往采用2种或2种以上的物探技术进行综合分析[7]。

在高寒缺氧、地形陡峻、人员难以到达的线位进行地面物探的隧道，如川藏铁路部分越岭隧道，航空电磁法在探测断层、主要岩性界线、破碎软弱或富水岩体的埋深和规模、线路方案比选等方面发挥了不可替代的作用，取得了较好的勘探效果。

2.4 钻探技术

铁路隧道勘察钻探随着钻探设备和技术的发展在不断地突破和创新。铁路隧道勘察钻探技术大致经历了常规钻探—绳索取芯钻探—定向绳索取芯钻探技术发展阶段。近年来，钻探设备除采用常规的立轴式钻机外，还引进了动力头式钻机，钻探设备不断更新，钻探工艺水平不断提高，孔深超过1 500 m的定向钻探设备和技术的采用，适应了隧道勘察中各种地质条件下的钻探工作，破解了勘探技术难题。

2.5 原位测试技术

原位测试可获取隧道洞身围岩的物理力学指标、水文地质、波速、放射性、水温、地应力、有害气体参数等，常用的测试方法有综合测井，地应力、有害气体测试，水文地质试验等。结合隧道勘察钻探技术的发展和创新，在小孔径、定向钻孔内开展原位测试的技术和设备也取得了发展和创新。

2.6 岩土试验与测试

岩土试验工作是从根本上保证岩土工程设计的精确性、代表性以及经济合理性的重要手段。岩土试验与测试的设备和测试技术，伴随着隧道建设取得了突破和创新。试验项目从最初的仅限于水、土、砂、石4大类126项，发展到现在的300多项，测试成果能满足设计要求。深埋隧道受多场耦合环境影响，工程岩体力学响应复杂多变，探究了热-水-力耦合环境下岩石、结构面的力学特性，考虑多场耦合复杂环境对岩石与结构面参数影响的权重和力学参数的修正方法。

2.7 超前地质预报技术

隧道超前地质预报是隧道施工的工序之一。采用地质调绘、物探、钻探等综合方法，探测隧道开挖面前方的地质情况，规避施工安全风险。中国铁路隧道超前地质预报工作始于20世纪50年代末，经过60多年的发展[8]，形成了铁路隧道超前预报技术体系，取得了超前地质预报设备和探测技术创新与发展。

2.8 勘察资料综合分析

逐步形成将地质调绘、遥感图像地质解译及各类物探、钻探、原位测试、岩土试验、超前地质预报成果资料进行分类汇总，采用定性和定量相结合的综合分析方法。岩土的物理力学指标按同类地质条件或同层位进行数理统计，岩土参数根据隧道特点、参数类型、设计要求综合确定，并评价其可靠性和适用性。

2.9 综合勘察技术体系

为适应中国复杂的自然条件和不断提高的技术标准，铁路工程地质工作者经过长期的、艰苦的努力，打破了传统的以地面调绘和钻探为主的勘察技术模式，发展为充分利用航天、航空遥感技术进行地质测绘，综合应用物探、钻探、挖探、测试、室内试验等多种勘探手段，针对不同地形、地质条件、工程设置、勘察阶段的技术要求，以最佳的勘探方法组合模式和工作程序，将取得的地质资料相互验证、取长补短，并在地质资料整理过程中采用综合分析方法，使获得的地质资料更加全面、准确，以最少的勘察工作量达到最佳的勘察效果，从整体上提高隧道地质勘察的质量和效率。隧道综合地质勘察技术体系如图1所示[9-10]。发展和创新综合勘察技术，已成为铁路系统工程地质勘察的原则和发展方向。

图1 隧道综合地质勘察技术体系

3 中国铁路隧道勘察技术面临的新挑战

随着中国经济的发展，隧道建设重点向地形地质条件复杂的西部山区和岩溶地区转移，高海拔、高烈度地震区、大埋深超长铁路隧道将越来越多。特别是刚刚开工建设的川藏铁路雅安至林芝段，分布有72座隧道，隧道总长约840 km。其中，长度在20 km以上的隧道有16座，长度在30 km以上的隧道有6座，最长的隧道超过40 km，埋深超过1 000 m的隧洞段长610 km[11]。隧道位于印度板块与欧亚板块强烈挤压的横断山区，新构造运动强烈，地形地质条件极端复杂，隧道建设将要面临的活动断裂、硬岩岩爆、软岩大变形、高地温、超高压涌突水等不良地质问题十分突出。由于跨区域交通的需求，东部地区正在建设或者规划跨海隧道或越江隧道工程，如正在建设的珠江口水底隧道，汕头湾、甬舟海底隧道，正在规划的琼州海峡、渤海海峡、台湾海峡跨海通道等，超长深水跨海铁路隧道的勘察技术亟需取得突破。相对于隧道钻爆法施工，全断面硬岩隧道掘进机TBM施工方法具有掘进速度快、施工扰动小、成洞质量好、综合经济社会效益高等显著优势，随着钻爆法人力成本的快速增加，未来中国将越来越多地采用掘进机进行施工。鉴于隧道建设的现实需求和现有的勘察技术水平，隧道勘察技术面临的挑战主要有：

1)在高海拔、大高差、地形陡峻、交通困难、勘探设备甚至技术人员难以到达的位置，隧道工程物探技术取得了长足进步，宏观或部分解决了一些工程地质问题，但物探与隧道工程勘察设计所要求的精度还有较大差距。随着隧道埋藏深度的逐渐增加，地表常规勘察技术手段有待提升，对于埋深在2 000～3 000 m以及高地应力、高水压条件下的隧道工程，尚缺乏适宜的勘探测试设备。

2)铁路进入城市后，隧道埋深变浅，周边环境复杂，沉降控制要求高，工程和水文地质条件较差，多采用盾构法施工。采用TBM法施工是深埋山岭隧道和跨海隧道的发展趋势，相对于常规的隧道钻爆法，TBM法和盾构法对勘察成果的精度要求更高。

3)大埋深超长隧道地质条件复杂，洞身工程地质问题难以査清，隧道施工期间洞内塌方、涌水、涌泥、岩爆、瓦斯爆炸等灾害时有发生，想要对隧道掌子面前方地质条件进行及时准确的预测评估，具有一定的难度。

4)对遥感、物探、钻探等勘探资料的解译水平还比较低，提取地质信息的手段还较为落后，从而导致勘察资料的利用率较低。

5)高速铁路多采用无砟轨道，其能否高效运营取决于轨面平顺性，而控制基底变形是保证无砟轨道轨面平顺性的关键。近年来，已有至少9座铁路隧道在运营阶段发生了底鼓问题，且隧道所处环境较施工前发生了巨大变化，需研究隧道围岩原位关键地层信息、原位岩体力学参数、原位硬岩或破碎软弱岩体扰动应力及原位岩体结构精细勘察技术，从而揭示其上拱变形机制，并提出技术可靠、经济合理的防控措施。

4 中国铁路隧道勘察技术展望

4.1 高海拔、大埋深、复杂地质超长铁路隧道勘探方法及设备发展

随着西部地区铁路建设规模的逐年加大，特别是川藏铁路雅安至林芝段的开工建设，使隧道勘察工作面临着前所未有的挑战，要求在工作过程中不断探索新技术和新手段。航空物探技术通过航空飞机发射和接收电磁波，探测地下一定深度范围内的各项电磁特性，最大有效探测深度可达地下2 000 m，主要用于判释高寒、高海拔无人区山体的构造破碎带、地层界线、节理密集带、蚀变带、富水带、软弱岩体等工程地质特征。(千米级)超深定向钻探技术用于山高谷深、雪山密布、施工地点海拔较高、大型钻探设备不具备到达条件的地段，突破“点”勘察为“线”勘察。其他诸如勘探区域广、探测深度大、装备轻便、外业效率高的广域电磁法、井地时频电磁法、三维地震精细勘探等新型物探技术。

4.2 TBM或盾构法施工隧道、水下隧道勘察技术发展

隧道多采用钻爆法施工，但随着技术的不断进步，使用全断面掘进机施工的隧道工程越来越多，在按常规施工方法(钻爆法)进行勘探测试工作以外，还要结合全断面岩石掘进机选型、设计和施工效率等方面的特殊要求[12]，为岩体的完整程度(裂隙化程度)、岩石的磨蚀性等所需的地质参数开展新型勘探和测试技术研究。水下和城市铁路隧道应加强水文地质条件勘察，提供不同工法(钻爆法、盾构法、TBM法、沉管法和堰筑法)所需的参数[13]，为建设方案比选提供依据。水下隧道由于上部覆盖水体，给地质勘察工作带来较大难度，现场测试勘探技术还需进一步创新，如水域地段采用沿隧道轴线的长距离水平钻孔勘探，以及利用地质导洞进行现场试验等方法。

4.3 铁路隧道深部岩体数字化原位测试技术发展

针对铁路隧道深部岩体力学参数原位测试与解译难题，以原位测试技术及装备研发为关键手段，融合人工智能，开展深部岩体工程力学参数解译技术研究。主要为基于随钻关键参数自动采集的岩体力学参数智能分析系统、深部岩体力学参数原位数字化测试技术与设备、深埋隧道硬岩扰动应力场原位测试及长期监测技术、深埋隧道破碎软弱岩体地应力原位测试方法与技术、深埋隧道岩体结构原位识别与体视学数字重构等研究，以精准获取隧道围岩原位工程力学参数。

4.4 铁路隧道超前地质预报技术发展

超前地质预报是隧道施工中必不可少的环节，可提前采取预防措施，保证隧道施工安全。铁路隧道超前地质预报今后发展的重点和趋势主要为：极端复杂环境下机载式激光雷达及移动终端等设备，重点突破隧道高粉尘、弱光源、掌子面平整度差对数据干扰的难题，实现隧道开挖面地质体高精度图像获取、节理裂隙智能识别及构建；隧道施工定量化超前预报理论与技术；TBM施工隧道超前地质预报技术与装备；随钻或钻孔精细超前探测理论与技术；实时超前地质预报与施工灾害监测技术[14]等。

4.5 铁路隧道信息化、智能化勘察技术亟待提高

目标为逐步通过三维地质BIM技术将多源异构勘探测试数据及成果集成显示及可视化，实现智能遥感、智能物探、智能钻探，从而提高勘察效率和水平，保证勘察质量。

1)智能遥感。研究跨域联合深度学习驱动的地质灾害隐患分析方法，在系统分析地质灾害成因机制和模式的基础上，建立多源多模态地质灾害监测数据与数据之间、数据与地质灾害形变位移演化机制知识之间的跨域联合，并在深度学习框架下，构建能将两者有机融合的地质灾害隐患深度网络模型，实现跨域联合、深度学习驱动、渐精渐优的地质灾害隐患早期智能识别。

2)智能物探。针对物探资料分析解释中面临的海量数据、多源数据、多解性、主观性等技术难点和挑战，应用机器学习，尤其是深度学习新技术进行物探资料的分析与解释，摆脱或降低对人工经验的依赖，克服人工解释的主观性，改善人工解释的低效率，提升资料解释的客观性、可靠性、适应性和工作效率。

3)智能钻探。选择钻孔图像特征分析与结构面挖掘建模作为突破点，针对利用数字式钻孔摄像系统获取的钻孔图像，寻找出新的特征信号来描述钻孔图像中的结构面信息，合成一种新的、便于计算机处理的分块信号，开展机器学习及图像分割技术，实现钻孔图像结构面形态特征的判读和几何参数的区域划分与预测。通过随钻传感器，获取γ成像(地层岩性)、地层压力、温度、有害气体等参数，实现智能探测孔内地质参数及分析的目的。