王 充 (中国路桥工程有限责任公司，北京 100100)

0 引言

肯尼亚内罗毕至马拉巴标轨铁路一号隧道位于内罗毕城区西南侧，是该铁路的主要风险点，隧道出口附近存在陡崖，粗面岩出露，多形成危岩、落石，陡崖下覆盖层较厚，有一条小型冲沟由左向右从隧线分界附近通过，除出口陡崖和进口局部山坡外，部分地段为见基岩出露。

既有的工程地质详勘报告为全线的地质勘察，勘察点布置仅能描述部分地质情况，对于复杂的地质，岩层裂隙分布较多，尤其是洞口风化程度较大的地层，其很难准确地描述该地质的详细特征，对于工程施工安全造成不可控的风险。

隧道进出口段易发生坍塌、掉块。洞身较完整段局部受节理、裂隙切割较破碎段和风化不均匀段拱顶易掉块。局部节理密集带可能存在渗水等。对本隧道的不同段落进行地质复杂程度分级。根据地层岩性、物探异常、水量等变化，动态调整地质复杂程度分级和预报方法。

1 工程概况

内马铁路一期全长120km，其中内马一号隧道全长4498m，隧道进口里程DK34+826，出口里程DK39+324。隧道进口段位于R=-1200m 的右偏曲线上，其余段落均在直线上，隧道的纵坡采用7‰。因为工期紧张，且施工时序问题，隧道设置斜井一座[1]，斜井位置位于线路左侧，与左侧线路中心交点，和平面夹角70°，斜井平距约500m，斜井进洞采用11.5%的下坡，采用无轨单车道运输[2]。

一号隧道位于Kapiti 高原向东非大裂谷过渡地带，属于东非大裂谷东翼区，地形起伏较大，地势略向东南倾斜，植被茂密，沟谷不发育，地面高程约为1877m～2005m。进口地势整体较为平缓，左侧有一小冲沟与出口段近平行，右侧山体临近南环采石场。洞身地形相对平坦，有村庄、学校及耕地分布，土路纵横，出口附近存在陡崖，粗面岩出露，多形成危岩、落石，陡崖下覆盖层较厚，有一条小型冲沟由左向右从隧线分界附近通过。整个隧址区覆盖层广布，地表植被发育，除出口陡崖和进口局部山坡外，其他地段为见基岩出露。

2 工程地质特征

2.1 地层岩性

经对工程场地工程地址调绘，场地内出露的主要地层有第四系全新统坡积层、冲积层、火山堆积层和第四系更新统，根据调查，对场地发育地层描述如下：粉质黏土（Q4al），棕红色，土质较均匀，局部含少量砂砾或石块；块石土（Q4dl），灰色，稍密至中密，稍湿，成分主要为粗面岩，块径约20cm～20cm，III 级硬土，主要分布在出口附近，为陡崖崩塌堆积体；细砂（Q4vl），灰色，稍密至中密，稍湿，成份主要为火山喷发物，I级松土，主要分布在隧道出口粉质黏土层之下，靠近陡崖逐渐变厚，呈喇叭口状分布；粗角砾石（Q4vl），灰褐色，稍密至中密，稍湿，砾石成份主要为粗面岩，II 级硬土，主要分布在隧道出口附近，靠近陡崖处渐厚。

粗面岩：石英含量变化较大，该套地层具有风化不均匀的特点，弱风化。强风化和弱风化岩体之间没有稳定的风化界限或风化带。常以某一种风化程度为主，夹杂（包裹）其他风化程度，相互穿插变化，风化岩体节理根发育，惯性好，以张节理为主，充填物多为粉质黏土，主要分布在隧道中后段。玄武岩：以强风化-弱风化层为主，岩芯呈柱状及碎块状，节 长5cm～30cm，碎 块 径5cm～10cm，锤击声响，不易碎，见结构裂隙，表面较平整，呈锈黄色。主要分布于隧道进口附近，层度不均。凝灰岩：凝灰质结构，状块构造，岩质较软，较轻，全风化，原岩结构已损坏，岩石风化呈土状。碎屑状，夹残余强风化碎块，手捻可碎，强风化，凝灰质结构，状块构造，节理发育，锤击易碎，层厚1.5m～6m，分布于粗面岩之下，凝灰质角砾岩之上。凝灰质砾岩：灰黑色-灰褐色，凝灰质结构，状块构造，岩质较软，强度较低，结构较疏松，夹含有较多火山喷发块状碎屑物，近似朽木块状，全风化，原岩结构已损坏，岩石经风化呈土状、碎屑状，夹残余强风化碎块，手捻可碎，强风化，凝灰质结构，块状构造，节理发育，锤击易碎，层厚1.5m～6m，分布于凝灰岩之下，层厚未揭穿，其中主要赋水地层为凝灰岩和凝灰质角砾岩，玄武岩、粗面岩地层的钻孔未见地下水，但岩体裂隙发育，有少量基岩裂隙水存在。

2.2 不良地质

隧址区岩体经历了断裂等构造运动和风化作用的交叉影响，产状多呈大角度直立，构造节理、劈理和风化节理等发育，各种类型的原生、次生结构面等相互穿插，这种杂乱的结构面组合严重破坏了岩体的完整性，降低了岩体的强度，形成了渗水通道，大大加剧了岩体的不稳定性，施工中若处理不当，易形成塌方。

3 超前地质预报

超前地质预报的目的主要是充分掌握地层情况，在施工过程中实现信息化管理。信息化即在施工过程中能获取影响施工的相关信息，并对信息进行分析，了解该类信息对于施工的影响，并据此调整设计变更及施工，保证施工质量与安全生产的进行。

超前地质预报信息主要通过施工过程获得，在施工过程中对未开挖隧道断面的地质进行探测，作为后期设计、施工与监理的预报系统，该系统结合多种探勘手段，主要探测地质不良地质情况，尤其是对隧道施工安全影响较大的不良地质因素，如岩溶、煤气瓦斯、地下水等。超前地质预报在提出地质灾害的同时，需组织严密的方案论证，是否满足施工及安全生产的需要，更注重对方案经济性的审查。

超前地质预报是建立一个地质信息系统，然后采用各种手段对地质进行摸查，形成系统的各项子项，当地质信息系统完备后，可组织设计、施工方案的论证，并同时形成评估工程风险的支撑，在后期的施工过程中，根据安全风险的变化调整施工方法和支护参数，同时根据施工进度获取新的超前地质参数，依次进行循环。在该过程中，经分析、整理的地层参数、地质资料作为施工技术资料存档。

超前地质预报核心即为地质综合判析，即采用各种预报手段对地层的情况进行分析、归纳、总结与对比，形成综合分析探测报告，在施工的过程中，结合设计因素，提出设计方案优化，并形成资料，同时在后期的施工过程中指导施工。超前地质预报需对地质情况进行综合描述，包含对工程的描述，及工程范围内的地质、水文，尤其是特殊的不良地质因素的摸查及修编。

4 超前地质预报选择原则及方法

超前地质预报的方法选择主要根据隧道的地质情况，地质风险源、风险等级，所处的位置等确定，超前地质报告目前按隧道地质调查时序、深度、广度可分为地质调查、地质情况素描、地质雷达探测法、地质物探法、地质钻孔和掌子面加深炮眼法[3]。

施工超前地质预报是一项系统、比较完备的工作，需根据工程进度及发展情况纳入施工工序过程中。肯尼亚内罗毕至马拉巴标轨铁路一号隧道的超前地质预报可根据里程及地质初步调查后具体方法选用如下表所示。

根据一号隧道超前地质选用方法，各方法具体介绍如下。

①地质调查：即通过对已有的地质勘察、地形测绘等资料对隧道范围内的既有的地形、地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件等进行全面的核查，必要情况下可以通过物探的方法进行摸清。

②洞内地质素描：根据已有的地质勘察对隧道范围内全段及特殊的地段进行地质描述。

③地质雷达探测：利用雷达技术对隧道范围内的不良地质条件，特别是断层破碎带、软弱夹层等不均匀的地质情况进行摸查，雷达对于距离长短要求较高，但距离较短时，可准确地探测断层破碎带、裂隙发育带位置、规模等进行完整的探测，在施工过程中能有效地对地层的应力进行分布并查明。

④超前地质钻孔：隧道与岩石中易出现溶岩现象，地质钻孔技术在探孔的过程中易发现溶岩的分布情况，在地质素描过程中，发现的断层破碎带、褶皱地段、沟谷地段、可溶岩与非可溶岩接触带、裂隙发育带、岩脉出露带及其他预报手段探测到的异常地段可通过重点布置多孔探测，进行超前地质探孔验证。

⑤掌子面加深炮眼：该方法主要是利用隧道开挖掌子面上进行炮眼钻孔，以掌握掌子面的地质情况。

超前地质预报需结合具体的工程筹建情况进行，并结合已有的施工工序，超前地质预报应根据地质复杂程度分级进行超前地质预报设计，并编制实施大纲，综合考虑地质分析，最终出具地质预报成果，以指导后期的设计变更及施工方案的编制，具体流程图如图1所示。

图1 超前地质预报工作流程示意图

5 超前地质预报施工要点

5.1 地质描述

地质描述主要是通过利用已有的地质勘察、测绘、物探等资料对隧道开挖面范围内的地层岩性、地质构造及水文情况进行描述，并用图表的形式进行地质全方位具体的论述，其中包含掌子面的不良地质情况，以及围岩的等级等[4]。

一号隧道超前地质预报方法选取表

5.2 地质雷达探测要点

目前的地质雷达技术主要是利用宽带高频电磁波信号探测进行的一种方法，它主要是利用电磁波在传递及反射的过程中，因介质的不同其运动特点亦不同特点对地质情况进行探测的一种[5]。

探地雷达(Ground Penetrating Radar)主要组成为发射天线和接收天线，发射天线通过发射电磁波脉冲，并在地下传播，当电磁波遇到介质不均匀，或在各类介质传播的过程中出现不同传播特点的情况，其接收电磁波波长、波频、电性差异及集合后的形态等变化均存在影响，可通过该类情况分析并预测地质。

图2 地质雷达超前预报示意图

地质雷达超前预报主要是将雷达的天线贴在隧道掌子面，并缓慢移动天线，发射天线及接收天线均需缓慢移动，在移动过程中均需对数据进行采集。由于掌子面通常采用上、下导坑开挖，工作面很狭小，这种探测方式比较适合掌子面恶劣的工作条件。地质雷达探测的布线可采用两横两竖或一横三竖方式进行布线，必要情况下应根据掌子面的现场情况确定。现场首先记录好掌子面的具体桩号，探测时尽量保持测线一致，（建议从左到右进行检测）每个掌子面探测两遍进行数据对比，测量方法为点测（叠加参数为128），点测间距为10cm,脉冲采集道数不少于50道。

图3 布线布置图

5.3 超前地质钻孔

地质钻探作为最直观且能直接识别岩层分布的一种方法，可作为主要手段用于超前地质预报。钻探法适用于多种地质情况，且在有些特殊地层如富水软弱断层带、岩溶发育区、煤层瓦斯发育区、重大物探异常等地质条件复杂地段必须采用[6][7]。地质钻探技术需满足以下要求。

5.3.1 孔数

①侵入岩性接触带每循环可只钻一孔；

②地质钻探孔在掌子面钻探布置时，钻孔应向外扩散，以保证对掌子面周边的岩层进行摩擦。

5.3.2 孔深

①根据隧道的不同要求，且结构形式的不同，确定不同的钻孔深度；

②钻探过程中应根据地质情况以及出现的土层变化对钻孔进行动态控制和管理，并根据钻孔情况可适时调整钻孔深度，以满足施工设计所需地层深度为主；煤层瓦斯超前钻孔深度应符合《铁路隧道超前地质预报技术指南》相关规定；

③当孔深较深时，需进行连续钻探，一般情况下每次钻探可钻30～50m，如需更深的孔，可加强设备的选择，局部深度可钻至100m以上；

④连续钻探保持前后循环钻孔重叠5～8m。

5.3.3 孔径

钻孔与详勘提出的孔径大小一致，且满足相关规范要求。

5.4 掌子面加深炮眼

掌子面加深炮孔探测是利用风钻在隧道开挖工作面钻小孔径浅孔获取地质信息的一种方法[8]。加深炮孔探测应符合下列要求：

①孔深应较爆破孔深3m以上；

②钻孔直径宜与爆破孔相同；

③孔数、孔位应根据开挖断面大小和地质复杂程度确定；

④必须按设计认真实施在特殊地层且对爆破不利的地区，在钻孔过程中发现异常情况应及时反馈信息，严禁盲目装药放炮；

⑤加深炮孔探测严禁在爆破残眼中实施。

6 结论

肯尼亚内罗毕至马拉巴标轨铁路一号隧道出口附近存在陡崖，粗面岩出露等现象，易出现危岩、落石等问题，同时陡崖下覆盖层较厚，有一条小型冲沟由左向右从隧线分界附近通过，除出口陡崖和进口局部山坡外，部分地段为见基岩出露，易发生坍塌、掉块事故，为准确地对该地的地质岩层的分布以及节理、裂隙发展，需对场区的地质进行超前地质预报工作。

根据本工程的特点，本工程超前地质预报先对地质的岩层、裂隙等进行地质调查，而后，对洞内地质进行素描，对埋层较浅的岩层如隧道进出洞口可采用地质雷达探测法、物探法，对于较深的岩层，如隧道的较大埋深处，可采用超前地质钻孔和掌子面加深炮眼法。

通过对超前地质预报掌握地层的发展规律及岩层的薄弱处，实现对地质灾害的宏观控制，并指导灾害可能发生的事故，在具体工程中采用适当措施预防地质灾害。