铁路隧道超前地质预报和施工组织方法介绍及部分实例

第一章铁路隧道超前地质预报技术第一节概述20世纪90年代以前，总公司系统隧道施工超前地质预报工作基本上处于空白。

90年代以后，在铁道部各勘测设计院、铁科院、中铁西南铁科院，各高等院校桥隧施工地质所的带领、帮助和指导下，隧道施工超前地质预报工作开始起步，并取得良好效果。

主要是结合长大隧道和地质条件复杂的隧道施工，开展了综合的或以TSP探测为主的地质预报工作。

新建铁路宜万线是沿江铁路通道的重要组成部分，线路基本呈东西走向。

隧道115座，3km<L<10km的隧道17座共89km,，L 2>10km的隧道3座共35.9km，最长隧道为野三关隧道，长13792m。

隧道总长约为213.8km，占线路总长的56.56％。

线路位于鄂西、渝东山区，山峦巍峨，河谷深切，地势陡峻。

线路处在东西向构造带、新华夏系统构造极其复合部位，褶皱强烈，断裂构造发育，不良地质普遍，岩溶广泛分布而复杂，过程地质和水文地质条件极其差异极大。

宜万线多座长大隧道的大部分通过可溶岩地层，且都发育复杂的背斜，向斜和断裂构造，同时煤系地层发育。

在地壳多期间歇上升和河谷下切的作用下，从地表到地下深部形成规模相当大的岩溶洞穴、管道、暗河系统，发生突泥、突水、暗河改道、地面塌陷、地下水流失、地表水枯竭等地质灾害和环境问题的可能性相当普遍存在，风险极大，在加上还相当存在的煤层瓦斯和高地应力问题，使这些长大隧道的地质问题更为复杂。

宜万铁路的施工，作好地质超前预报技术工作相当重要。

依据不同的地质预报需求，研究超前地质预报体系的建立，将对集团公司的投标工作和以后的施工生产起到重要的指导作用。

根据近几十年国内、外的发展情况，并结合工程总公司的工程实践，我们认为目前地质超前预报技术主要包括以下方法：超前导坑(包括超前平导)地质素描正洞施工作业面观测地质分析法地下地质构造与地表相关性分析地质作图地下水观测地质超前预报地震波反射法声波法物探法红外线法地质雷达法钻孔测试法(声波、电阻率等)短钻孔(包括爆破孔)深孔钻探法长钻孔(30—100m)地质分析方法是地质超前预报的最基本方法．不管是物探方法还是水平钻孔方法，都是地质分析方法向前方延伸的手段．对物探和钻孔超前探测资料的任何解释和应用，都离不开施工过程中随时随地观测和采集到的地质资料的判断。

缺少了这个基础性环节，采用任何超前探测方法都很难取得好的效果．采用物探方法进行超前预报的优点是；快速，超前探测距离大，与施工干扰相对小，可以多种方法组合应用．但由于物探[常规电法、震探、顺变电磁、大地音频电磁（EH-4、V6、GDP32）等等]是利用物理性质进行地质判断的间接方法，一是不同的物探方法受限于不同的场地和地质条件，各种方法都有一定的局限性；二是对物探资料的地质解释，需要与地质分析资料深入结合，有一定技术难度．深孔钻探方法是最直观的超前预报方法，缺点是成本高，对施工影响大，而且钻孔的方向控制和钻探工艺有一定的技术难度．这三种方法应综合应用，应用原则是：地质分析方法作为基本方法必须大力加强，进一步提高水平；物探方法作为快速“侦察”手段，应大力发展，积极采用；水平钻孔方法在地质特殊复杂地段必须坚持应用，井合理纳入施工组织；三种方法有机结合和合理使用，是组织地质超前预报完整的技术体系。

长期地质预报所采用的主要方法和仪器有：①TSP地震波反射法，使用TSP202（203）隧道地震探测仪：②陆地声纳法(高频地震反射法)，使用FY-20型浅层地震仪：③断层参数预测法；④地面地质体投射法。

短期地质预报所采用的主要方法和仪器有：①地质雷达探测法，使用KDL-3型矿用地质雷达；②声波探测法，使用ZGSl610智能工程探测声波仪；③掌子面编录预测法；④超前钻探法，使用ZY-150型钻机等；⑤红外线探测法(探水)，使用HY-303型红外线探测仪。

第二节超前地质预报物探技术方法从八十年代起，中国铁路工程总公司及前身铁道部基建总局，按铁道部的要求。

积极开展了地质超前预报技术的研究应用．其中重点的项目有以下四项：从1985年起至1988年，原铁道部基建总局，组织铁道部隧道工程局与中国科学院地质研究所合作，开展了以隧道地质素描和短钻孔综合测试为土要内容的研究项目．军都山隧道位于北京北部山区，全长8km，是一座地质复杂的火山岩隧道．该项目在地质分析方法方面，重点研究了在正洞掌子面、正洞超前导坑和平行导坑中进行的地质测绘、素描、作图以及与地表地质构造相关性分析的预报方法，还研究了利用台车凿孔、风钻孔进行转速测试，声波测试和压水试验等孔中测试方法。

据研究报告统计，预报准确率达到71.5%，由于应用了地质超前预报技术，塌方次数明显减少，施工速度明显加快，如以1985年塌方次数和影响施工数为100，1986年塌方次数为71.4%，影响施工天数为51%；1987年分别为38.1%、23.1%。

该项研究成果通过铁道部鉴定，并于1990年编写了“军都山隧道地质超前预报实施指南”。

1990午8月至1995年5月，由中国铁路工程总公司主持完成了铁道部科研项目“隧道开挖工作面前方不良地质预报(90G13)”。

该项目由中铁地质物探试验研究中心牵头，由铁一院、中铁西南科研院和铁科院铁建所参加，分别侧重承担了地质雷达法、地震波反射法、水平声波反射法和高频地震反射法4个子课题的研究。

该项目于1995年12月通过铁道部鉴定．这4种物探方法有如下特点一、地震波反射法该项研究将常规地震勘探中的“钻孔垂直地震剖面”方法(VSP)，应用于水平状态的隧道中，定名为“地震负视速度法”。

其基本原理是：在隧道掌子面前方一定距离，沿边墙布置一激振点和一系列接受点；激发时产生的地震波信号在围岩中传播，当有断层和岩层变化的界面时产生反射波，返回的信号被接受点的检波器接受，由此可确定反射界面的位置(图1-1)；纵、横波共同分析还可了解反射界面两侧的岩性、密实程度的变化。

这种方法与瑞士安伯格公司推出的隧道地震剖面法(TSP)原理相同。

不用小量炸药激发产生。

地震波在岩石中以球面波形式传播。

当地震波遇到岩石物性界面(即波阻抗差异界面，例如断层、岩石破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，一部分地震信号透射进入前方介质。

反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。

反射信号的传播时间和反射界面的距离成正比，故能提供一种直接的测量。

图1-3 TSP203预报原理图地震波反射法的优点是不占用掌子面，超前探测距离大，可达数十米，条件好时可达一、二百米。

这种方法主要是探测断层、大的岩性界面等平直地质界面效果较好。

如宝中线老爷岭隧道，超前距离17m和41m，预报断层位置误差分别为3.0%和2.4%；南昆线康牛隧道，超前距离37m，预报断层位置误差为1.0%；南昆线米花岭隧道，超前距离121m预报F3断层不存在，符合实际；朔黄线长梁山隧道，超前距离49～170m，预报断层位置误差平均7.4%，对于形状复杂的岩溶边界，采用地震波反射法的效果有局限性。

但是，当溶洞规模较大、其边界有一定平直界面且与隧道走向交角较大时，特别是发育在断层附近或顺层发育的较大规模的板形岩溶，采用地震反射法有时也有好的效果。

如在南昆线铝厂隧道，地震法超前74m预报的岩溶发育带位置是DK781+816，实际位置为DK781+810～+819。

超前最长104m预报羊寨隧道有一长90m地段发育岩溶，与实际开挖情况相符。

二、地质雷达法地质雷达是近2年才在国内开始应用于地质检测的一项新技术，它的优点在于无损连续检测、精度高、效率高等。

为施工提供可靠参数，同时通过改变天线频率可以检测到岩层内存在的病害隐患。

地质雷达的检测原理是由于地质雷达是工作于VHF 、UHF 微波频段的超带宽(VWB)探测雷达。

是根据电磁波在有耗介质中的传播特性工作的，发射天线向地下发出电磁波，遇到地下介质不均匀、介电常数有差异时便会发生反射，其发射系数由介质的介电常数决定。

公式如下：)/()(2121εεεε+-=R式中： 1ε 为介质1的介电常数2ε为介质2的介电常数 反射信号由接收天线接收后记录下来，得到雷达剖面图，通过资料的处理解释可得到各种所需结果。

地质雷达探测深度范围和分辨率与所使用天线的频率有关，根据理论计算和多年来工程检测实践，在超前地质预报中，地质雷达主要是配合地震反射法，通过测定与岩溶含水性有关的介电常数的变化来探测充水的地质体，如含水的断层、岩性界面和溶洞等．试验表明，采用地质雷达沿地下巷道，对隧底、边墙、隧顶外围岩的不良地质探测效果最好，在超前导坑，超前平导中应用起到对正洞而言的超前预报作用。

在掌子面向前方探测，因工作面太小，拉不开测线扫描，探测效果不好；但是，如果针对具体地质情况，在掌子面采用“定点扫描法”、“偏角点测法’等技术处理，也可取得一定效果。

试验表明，在较完整石灰岩中，地质雷达的最大探测距离为30m 。

如图1-4由一溶洞引起。

由于空气介电常数ε＝1与周围介质有明显差异，因此存在很强的反射界面。

在地质雷达剖面上产生多组连续的反射波组即共振现象。

图1-4 围岩有溶洞时地质雷达剖面图因此反射波组合形态与反射界面形态相同，图象直观。

从图1-6中可看出，直达波是双曲线形态，反射波是直线形，很容易区分。

这种方法的另一优点是对反射界面倾角没有限制，适用的范围相对负视速度法广泛。

距离不超50m。

在隧道掌子面上采用极小偏移，单点采集高频地震反射信号形成连续剖面，通过十字型观测系统和宽带脉冲接受技术，预报掌子面前方断层及其它地质界面的位置和产状。

优点是分辨率高，缺点是占用掌子面，当需要短距离较高精确探测时可采用此方法。

第三节、典型预报实例分析一、秦岭隧道Ⅱ线平导Ⅰ线TBM施工超前预报1995年2000年，由工程总公司地质物探试验研究中心牵头，由中铁十八局、中铁一局、中铁隧道局和铁一院参加，共同完成了铁道部科研项目“西康线秦岭特长隧道修建技术”的子课题“Ⅱ线平导施工对I线实施地质预报(95-G48-L)”的研究工作。

该项研究是把前述90G13项目所试验的地震反射法、地质雷达法、直频地震反射法三种方法，应用于秦岭隧道II线平导对相距33m的I线隧道进行预报，对于I线而言，也是超前预报的一种形式。

该项目于2000年通过铁道部鉴定。

成果研究了预报断层破碎带从平导向正洞延伸的8种方法：中铁物探中心4种(“地质雷达长距离连续扫描法”、“地质雷达多次覆盖法”、地质雷达预报含水体的垂直迭加点测法、极化法”)1；铁一院3种(“地震反射法”、“预报破碎程度的多波分析法”、“预报含水体的A VO数据处理技术”)；铁科院铁建所1种(“高频地震反射法”)。

经施工开挖检验，6个重点地段( F4、F4-1、fq12、fq15、fq16)五条断层和一处节理密集带)的预报结果与实际情况相符，未出现漏报问题；而且在预报精度和内容上比90G13项目有所提高。