建 筑 ・技 术 第４８卷第３期２０１７年３月 Ｖ＿ｏ１．４８ Ｎｏ．３ Ｍａｒ．２０１７ ２５６・ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 沪昆客专贵州段典型岩溶隧道超前地质预报技术研究 马振华 （中铁第一勘察设计院集团有限公司检测公司，７１００４３，西安） 摘要：应用地质调查法、ＴＳＰ、地质雷达和红外探测等相结合的方法，进行岩溶隧道的超前地质预报。 以沪昆客专贵州段为例，在研究区段岩溶发育特征和各类超前地质预报方法优缺点的基础上，总结综合超前 地质预报的技术组合、运用程序及其工程效果，以提高铁路岩溶隧道超前地质预报水平。 关键词：沪昆客专贵州段；岩溶隧道；超前地质预报 中图分类号：ＴＵ９４１ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１０００—４７２６（２０１７）０３—０２５６—０３ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ｏＮ ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＧＥｏＬｏＧＩＣＡＬ ＰＲＥＤＩＣＴＩｏＮ ＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ ｏＦ ＴＹＰＩＣＡＬ ＫＡＲＳＴ ＴＵＮＮＥＩ １Ｎ ＧＵＴＺ Ｈ０Ｕ ＳＥＣＴＩｏＮ ｏＦ ＳＨＡＮＧＨＡＩ．ＫＩＪＮＭＩＮＧ ＲＡＩＩＪｗＡＹ ＭＡ Ｚｈｅｎ－ｈｕａ （Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｆｉｒｓｔ Ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔｅｓｔ Ｃｏｍｐａｎｙ，７１００４３，Ｘｉ’ａｌｌ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｈａｒｍ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｋａｒｓｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｒａｉｌｗａｙ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ａｕｔｈｏｒ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｗｏｒｋｅｒ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｕｒｖｅｙ，ＴＳＰ，ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｒａｄａｒ ａｎｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅｓｅ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｋａｒｓｔ ｔｕｎｎｅｌ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｏｂｔａｉｎ ｇｏｏｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ－－Ｋｕｎｍｉｎｇ ｒａｉｌｗａｙ ｓｅｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｇｕｉｚｈｏｕ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｃｌａｒｉｆｉｅｄ ｋａｒｓｔ’Ｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ ａｄｖａｎｃｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｐｏｒｔｆｏｌｉｏ，ｕｓｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｉｔｓ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ，ｅｘｐｌｏｒｅ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ａ ｎｅｗ ｗａｙｓ ｉｎ ｒａｉｌｗａｙ ｋａｒｓｔ ｔｕｎｎｅｌ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｈａｎｇｈａｉ－Ｋｕｎｍｉｎｇ ｒａｉｌｗａｙ Ｇｕｉｚｈｏｕ ｓｅｃｔｉｏｎ；ｋａｒｓｔ ｔｕｎｎｅｌ；ａｄｖａｎｃｅｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ 由于岩溶地质发育的复杂眭、多变陛及不确定陛， 等不良地质现象就成为困扰隧道掘进的技术难题ｆｌ 。 区的主要通道之一。该专线贵州段岩溶地质发育，受 冒顶等不良地质现象丛生，地质条件复杂，安全风险 铁路隧道施工中常见的溶洞、涌水、涌泥、岩溶塌陷 断层破碎带及循环地下水影响，溶洞、突水、突泥、 从２０世纪７０年代起人们就开始注重隧道施工过程中 等级高，为保证施工安全需加强超前地质预报工作以 超前地质探测理论、技术研究及工程实践ｐ】。 便采取相应预防措施。 超前导洞、超前钻探方法最先被用来勘探掌子面 １ 沪昆客专贵州段岩溶发育特征 的地质情况，由于其经济和时间成本都很高，人们逐 步研发地球物理超前探测技术。铁道部第一勘测设计 沪昆客专贵州段线路经过地区地形多为侵蚀、剥 院物探队在２０世纪９０年代提出了“负视速度法”的 蚀中低山区，区域内群峰起伏，山脉延绵；地层自震 物探新技术；１９９２年７月又利用地震反射波法对云 旦系至第四系均有出露，岩性以栖霞组（Ｐ。。）、高 台山隧道进行隧道超前地质预报，预报成果与开挖后 台组（ｇ２ ）、清虚洞组（ｓ ）灰岩、白云岩可溶岩为主， 的隧道左侧岩体破碎带和断层的位置基本一致；曾昭 相间分布有板岩、泥岩、砂岩、页岩及煤系地层；受 璜（１９９４）对利用多波进行反演的“负视速度法”进 气候、地形地貌、岩性、构造等的影响，地下水发育。 行研究［４ ；１９９５年，铁道部下属各单位从瑞士引进 不溶于酸的物质含量越大，比溶解度 值越小， 了ＴＳＰ２０２探测预报系统，通过不断更新升级，目前， 岩石越不易腐蚀；相反，岩石的碳酸质矿物含量越高， 已发展到ＴＳＰ２０３ｐｕｌｓ等型号，这些物探技术应用于 岩石的可溶性越强，岩溶就越容易发育，其中方解石 隧道超前地质预报，大幅降低了岩溶隧道的施工风险。 含量比白云石含量多的碳酸盐岩，岩溶发育更强烈。 沪昆客运专线铁路东起上海西至昆明，是贵州、 可溶性较强的碳酸盐岩、强烈的地质构造、强循环的 四川、云南等西南省份通往华南沿海及华东、中南地 地下水动力条件及气候地形地貌等因素，成为沪昆客 收稿日期：２０１６—１ｌ＿２１ 作者简介：马振华（１９８０一），男，甘肃平凉人，工程师，硕士 ｅ—ｍａｉｌ：ｍａｚｈ１２３＠ａｌｉｙｕｎ．ｔｏｍ． 专贵州段铁路所经地区岩溶发育的主要诱因。 可溶盐岩与非可溶岩层或岩体接触带，常是地下 水运动汇集的地方，地下水常在此集中并沿接触带流 ２０１７年３月 马振华：沪昆客专贵』、Ｉ，Ｉ段典型岩溶隧道超前地质预报技术研究 ．２５７． 动，岩溶则沿接触带一侧的可溶盐岩发育；厚而纯的 导坑法是利用超前导坑直接揭示隧道地质隋况的一种 碳酸盐岩常形成规模较大、延伸较深的洞穴及岩溶塌 超前地质预报方法。近年来，随复线铁路隧道的修建， 陷等不良地质。在可溶岩层与非可溶岩层接触带往往 洞间距变小使利用超前施工的隧道所揭示的地质情况 会形成大型溶洞或暗河。沪昆客专贵州段朱砂堡２号 来推测后施工隧道可能遇到的地质条件成为可能，但 隧道进口方向从洞口掘进至约７８ｍ处即揭示出一大 目前该法在铁路隧道的施工中应用较少。 型溶洞，溶洞与线路斜交６７。，溶腔最宽约３５ ｍ，最 地质雷达法检测分辨率较高，但由于预报距离短， 高约８７ｍ，最低点位于隧底以下约８５ｍ，据测算溶 易受隧道洞内机械、检测面平整程度的影响，该法目前 洞容积约３２万Ｉｎ 。该溶洞的发育具有沪昆客专铁路 多用于岩溶洞穴、含水带和断层破碎带的探测预报。 贵州段岩溶发育的典型特点：地层为清虚洞组（ 。） 中～厚层状灰岩夹泥质灰岩，与震旦系下统南沱组 （ｚ ）灰、灰黄色中厚层至块状含砾砂岩、炭质页 岩呈整合接触；受构造影响，围岩节理裂隙发育、岩 体破碎；加上受气候及地形地貌的影响，地下水常年 发育。该溶洞分布形态如图１所示。 ６００ ５００ ４００ 挺３００ ２００ ｌｏｏ ０ ５００ １０００ １５００ ２０００ ２５００ ３０００ 距离，ｍ 图１ 沪昆贵外ｌ段朱砂堡２号隧道岩溶发育剖面 ２岩溶隧道超前地质预报技术 所谓超前地质预报就是要了解隧道掌子面前方的 地质信息，及时发现异常情况，以减小不良地质对隧 道掘进过程中的危害。目前超前地质预报的手段主要 还是地质与物探方法的结合，包括：工程地质调查法； 超前钻探与导坑法；地质雷达探测法；隧道内地震反 射波法（ＴＳＰ技术和地震负视速度法）；水平声波反 射法（ＨＳＰ）；反射地震层析成像法（ＴＲＴ）；陆地 声纳法和红外探水法。 工程地质调查法是根据隧道洞内外地质调查结果 和隧道掌子面地质调查结果（主要包括岩体结构面产 状、岩体破碎程度、岩石的变质程度等特征），通过 地质作图及构造相关洼分析，由地面构造产状来推测 不良地质体在隧道内的发育位置、走向、规模等信息 （相关关系法）；由掌子面岩体结构面产状、岩体破 碎程度、岩石变质程度等变化特征来推测掌子面前方 可能出现的构造及性质（趋势外推法）【】］。 超前钻探是在隧道掌子面进行超前水平钻探，从 而揭示掌子面前方的地质睛况。其中钻进速度、岩芯 采取率、地下水出水量等信息均能反映出掌子面前方 地质发育隋况，达到进行超前地质预报的目的。超前 地震反射波法目前在进行超前地质预报中应用较 多，该法通过接收地震波在地层中的反射信号来判断 隧道掌子面前方不良地质体。当岩层界面两侧介质波 阻抗有差异时，即可产生反射波，这是反射波法研究 不良地质体的物质基础。地震波由震源点出发向外传 播，直接到达接收点的波称为直达波，直达波由炮点 沿最快的有效途径传播到接收器。测得直达波的行进 时间（ ），即可求出弹眭波的速度（ ）为： ＝ ／ （１） 式中： 为现场测得的激发孔与接收孔之间的 距离（ｍ）。 已知地震波的传播速度就可通过测得的反射波传 播时间推导出岩溶体的位置（图２），其与接收器之 间的距离由式（２）给出： ＝（ ）／２ （２） 式中： 为接收点与岩溶体之间的距离（Ｉｎ）； 为通过直达波计算得到的弹性波速度（ｍ／ｓ）； 为反射波传播时间（ｍｓ）。 ２ ＴＳＰ探测岩溶位置计算不意 本文总结出针对该段岩溶地质条件下的超前地质 预报技术应用效果如下。 地质调查法：优点为能准确预测断裂构造发育的 规律和岩溶发育的规模、部位、走向及形态；缺点为 对埋深较大、构造复杂的隧道预报效果较差。 ＴＳＰ技术：优点为采用地震反射波法的原理开发 研制较先进的预报方法，轻便、操作简单，预报长度 较大，可弥补传统方法只能定量预报的缺陷；缺点为 采用炸药爆破作业，对探测孔要求较高；对断层的产 状、岩溶发育的走向、形态不能准确预报。 地质雷达：优点为能准确预测掌子面前方不良地 ・２５８・ 建筑技术 第４８卷第３期 质体位置及大致产状，对岩体节理、裂隙、地下水富 ３１４Ｉｔ．Ｗ／ｃｍ２，最小值为３０３￣ｔＷ／ｃｍ２，差值为１１￣Ｗ／ｃｎ＃。 水情况的探测较明显；检测方便简单；缺点为预报距 根据以上隧道洞身及掌子面的红外探测曲线变 ００前方存在岩溶现象，并 离较短，对掌子面前方大型不良地质体走向、规模探 化，推测掌子面Ｄ２Ｋ４７３＋８有富水构造体存在。通过后期开挖，在Ｄ２Ｋ４７３＋７９８ 测较困难。 红外探水优点为能定性确定一定深度（２０－３０ ｍ） 处即出现小型溶洞，且岩溶水发育，有地下水富集现 范围内地层中含水的部位及富水程度；检测速度快， 象。由于超前地质预报工作的及时性及准确性，施工 方便简单；缺点为不能准确获得地下水水量等信息。 单位改变了原施工方案，采取了应对措施，避免了事 超前钻探：优点为直观，能掌握掌子面前方最可 故的发生，减少了人员和设备的损坏。 信的地质信息；缺点为费时费力，成本较高，钻孔长 度受限，探测有局限性。 ３综合超前地质预报的技术组合及应用实例 ３．１ ＴＳＰ和地质调查法相结合 沪昆客专铁路ＳＧ２标朱砂堡２号隧道，地形为 构造剥蚀中低山区，所经地层岩性为清虚洞组中～厚 层灰岩，最大埋深５５ｍ，地面高程５７５－６５０ｍ，自然 坡度１０。～３５ｏ，局部陡峻，植被发育。 ２０１２年８月７日，对ＳＧ２标段朱砂堡２号隧道 采用ＴＳＰ超前预报系统和地质调查相结合的方法进 行超前地质预报工作。预报时隧道施工开挖面里程为 Ｄ２Ｋ４７３＋８７２。通过后期对采集的数据进行处理分析 发现：Ｄ２Ｋ４７３＋８００－＋７８０处围岩波速、密度、杨氏 模量物性参数值明显降低，泊松比值升高，反射界面 较密集；根据数据分析预测在该段有发育中小型溶洞 的可能。受基岩裂隙发育程度和岩溶较发育的影响， 预测地下水整体较发育，主要以基岩裂隙水和岩溶水 为主，出水形式以滴水、渗水、股状涌水为主，局部 出水量有增大趋势，有岩溶水富集现象。 ３．２地质雷达和红外探测法验证 ３．２．１地质雷达法 通过地质雷达对掌子面里程Ｄ２Ｋ４７３＋８０４位置 的探测，发现在Ｄ２Ｋ４７３＋８０４－Ｄ２Ｋ４７３＋７７９段雷达 图像同相轴连续陛较差，能量衰减明显，电磁波相位 一致性较差，因此推测该段隧道围岩破碎，弱风化 为主，岩体中溶蚀沟槽、溶隙、溶孔等岩溶发育， Ｄ２Ｋ４７３＋８００一Ｄ２Ｋ４７３＋７８５段有中小型溶洞发育的可 能，可能存在岩溶水富集现象，地下水较发育，局部 可能出现股状涌水现象。 ３．２．２红外线探测法 （１）采用红外线探测法对洞身Ｄ２Ｋ４７３＋８６０－－＋８０５ 段进行探测，左边墙、左拱腰、拱顶、右拱腰、右边 墙和隧底中线的各探测曲线整体呈平缓下降态势。 （２）在Ｄ２Ｋ４７３＋８００处的岩体上均匀布置 ２４个测点，由红外辐射场强数值可知其最大值为 ４结论 （１）采用ＴＳＰ法进行超前地质预报时，尽管宏 观上可对前方溶洞、断层、暗河等不良地质体进行预 报，但对近距离的特殊异常体预报准确性则较差。如 掌子面前方出现的小型溶洞、溶隙、溶孔、夹泥等不 良地质体，因其反射界面较小及反射信号能量变弱， 在ＴｓＰ数据处理反射界面提取过程中极有可能被忽略。 （２）采用地质雷达法进行超前地质预报虽有很 高的分辨率，但每次预报距离较短（一般２０ｍ左右）， 且在掌子面探测时受现场环境制约，地质雷达天线无 法贴紧掌子面进行有效探测；隧道拱顶岩体较破碎 时，还会对检测人员造成伤害。 （３）采用红外探测法进行超前地质预报，具有 操作简单快捷、反映直观等优点，但对隧道可能发生 涌水地段仍无法精准做出水量大小的定量解释。若需 进一步查明水量大小，则须采用钻孔法对地质异常体 的水头压力及围岩含水量大小进行核实。 不同预报方法虽各有其优缺点，但预报结论均有 一致眭，在进行隧道超前地质预报中，应将多种预报 方法相结合，相互验证以提高超前地质预报的准确率。 参考文献 ［１］齐 ．隧道地质超前预报技术与应用［Ｍ］．北京：气象出版社， ２０１Ｏ． ［２］马振华．ＴＳＰ技术对隧道隐伏断层预报效果研究［Ｊ］．铁道勘察， ２０１ １（６）：８３－８６． ［３］李术才．隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势［Ｊ］．岩石力 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