综合勘察与超前地质预报技术在兰渝铁路长寿山隧道中的应用研究

李慎岗

(兰州铁道设计院有限公司，兰州 730000)

1 概况

长寿山隧道位于兰州市安宁区黄河北岸的低中山区，是兰渝铁路兰州枢纽的主要控制工程，为双线特长隧道。进出口为喇叭口形式，主要左线起讫里程HDK41+900～HDK54+409，双线长12.112 km，左线单线长412 m，右线单线长509.5 m，另有腰子沟、苏地沟斜井等共8个斜井，总长3.696 4 km。其前半段大多顶部覆盖黄土，底部基岩出露，后半段大部基岩裸露，沟谷深切，山体起伏大，相对最大高差约180 m，隧道最大埋深约340 m，总体地形条件复杂。部分沟谷内有便道通行，交通较差［1］。

2 工程地质概况

长寿山隧道位于阿森特－加里东期褶皱系构造单元中，地质构造复杂。其经过范围内地层岩性种类繁多，主要有第四系全新统及上更新统风积黄土，冲积黄土、砂类土、碎石类土，下伏第三系中新统砂岩、泥岩、砾岩、砂岩夹砾岩，加里东期混合岩、花岗岩，前寒武系片岩。其中第三系中新统砂岩，成岩作用差，岩质软，胶结差，易剥落、坍塌呈散砂夹杂碎块状，施工及处理难度大。

隧道除进口端位于砂质黄土层中外，大多位于加里东期混合岩、花岗岩、片岩及第三系砂岩夹砾岩层中。通过十里店复式背斜、3处不整合接触带及许多小的背斜、向斜及小断层、节理密集带等，小型褶曲极发育，褶皱岩性多变质较深，导致段内隧道围岩节理裂隙发育，岩体破碎，岩质软弱。施工中存在围岩失稳坍塌、掉块、涌水现象。局部段落有掏砂洞、膨胀岩、放射性超标等地质灾害。

3 综合勘察技术的应用

针对长寿山隧道位于山区，长大、深埋且地形、地质复杂的特点，确定了采用多种勘察手段密切配合［2］，相互补充、印证、点面结合、以间接推断与直接验证相结合的综合勘察技术。

3.1 遥感技术

长寿山隧道区域地貌上属低中山区，峰峦叠嶂，沟谷发育，地形起伏，选线及调查面积达20 km2，线路范围内褶皱构造发育，分布有滑坡、崩塌、掏砂洞、防空洞等不良地质，因此，在如此宽广的范围内快速选择一条地质条件相对较好、技术可行、经济合理的隧道方案并查明其工程地质及水文地质条件［3］，难度很大。

遥感技术在选线及前期勘察工作中具有关键作用。利用遥感影像的宏观性、穿透性、全面性，可以迅速查清区域地质构造特征，尽量避开地质断裂带、滑坡以及地质构造复杂地带等。在前期勘察中，针对隧道约20 km2广大区域内不同坡系、不同长度的多个方案，首先选用1∶100 000的卫片以做好宏观控制，然后选用1∶10 000的黑白航片做微观调绘，它改变了以往点→线→面的常规地面调查方法，变成了面→线→点［4］，以其判释成果指导地面地质调绘，再和以后的地面调查结果互相验证，从而达到不遗漏大的地面不良地质问题及有价值的线路方案，大大提高了勘察效率。

3.2 大面积地质调绘

地质调绘是地质工作中最直接、重要而有效的工作方法，也是后续勘察工作的基础。在对区域地质资料和遥感判释资料详细分析研究基础上。地质人员对隧道进行了大面积地质调绘工作，重点调绘内容有:地层岩性的分布、特征、时代划分及其组合关系;褶皱构造的展布、规模、性质及对工程的影响;岩体节理裂隙的发育特征;湿陷性黄土、掏砂洞、防空洞、滑坡、崩塌等不良地质与特殊岩土分布范围及规模等;隧址区内较大沟谷流水、积水及泉水出露情况。调查以线路两侧各500 m为重点区，以500～1 000 m为补充调查区，通过不同阶段对地质现象的调查与再认识，结合大量资料间互相补充及印证，逐步加深了对隧道区域内等地质条件的认识，并更明确了后续的物探及钻探工作，使得其目的性及针对性更强，勘探布置更合理有效。

3.3 物探技术

本次勘察中将隧道中构造发育、岩层接触、硬质岩节理密集带集中段落采用可控源音频大地电磁法(V8)与高密度电法相结合的综合物探技术进行了贯通。因HDK43+475～HDK46+950段埋深较大，电磁干扰相对较小，选用音频大地电磁法(AMT)，使用V8系统。HDK46+950～HDK51+965段埋深小于150 m，电磁干扰较大，选用高密度电法，使用WDA－1型分布式高密度电法仪。除个别因地形太陡，无法攀爬偏离隧道中线外，测线基本沿隧道中线布设。

通过资料处理及分析解译，基本确定了隧道通过地段不同岩性分带，特别提出在 HDK48+450～HDK48+630和HDK49+130～HDK49+300两段为混合岩破碎含水带，HDK49+000～HDK50+100段，隧道将在第三系地层与混合岩接触面上下穿行，对施工不利，需注意塌方;并建议在 HDK44+650和HDK50+300附近钻孔，以验证这两段低阻异常的原因及工程性质。

实践证明，使用物探方法来查明隧道地质构造及岩层接触、硬质岩节理密集、破碎、含水带等，并与地面调绘资料互相验证，查找差异及异常带(点)［5］，可加深对地质条件的认识，并为后续更经济、合理布设勘探点提供有效依据。参见图1。

图1 HDK47+025～HDK52+070段高密度电法物探断面成果简图

3.4 工程地质钻探

钻探是地质勘察中最常用、直接、可靠而有效的手段［6］，可以直接获取岩芯，从而直观反映地层岩性、厚度、完整性、破碎程度、含水层及稳定水位等地质、水文参数。通过各种原位测试及钻取岩土体试样进行室内试验，获得水及岩土体的侵蚀性及物理力学指标等，从而为围岩划分、隧道设计等提供直接依据。同时还可以作为综合测井的平台。

在遥感判释、地质调绘及物探成果的基础上，长寿山隧道选择在隧道进出口处、褶皱构造密集带、富水段、重要岩性控制点处、物探低阻异常带、岩性变化不明处、岩体较破碎带、沟谷明洞段、浅埋代表段，地表水流经过段等地带，参照隧道埋深情况，共布置浅孔1 876.7 m/45孔，深孔1 245 m/8孔。并坚持了一孔多用，尤其在深孔中，均进行水文地质测试和综合测井，通过有限的深孔，最大限度地获取更多的地质信息，发挥了每个钻孔的作用，提高了深孔的利用率。

3.5 综合试验、测试

依靠钻探平台及从中获取的岩土体样品、水样，进行了孔内测试和孔外试验。孔内测试包括标准贯入、动力触探等常规原位测试，还包括在每个深孔中的水文地质测试(抽提水、压水)，其他7种参数(自然γ、井温、自然电位、电阻率、井径、声波纵、横波速度和扩散法水文测井)的综合测井［7］，最大限度地获取更多的地质信息，尤其在CSZ－3号钻孔在孔深64.2～75.7 m、75.7～100.3 m、100.3～103.4 m 自然伽玛最大值分别为 80γ、99γ、200γ，BDSZ －6 号钻孔在孔深 36.3～58 m、58～93 m、93～106 m自然伽玛最大值分别为74γ、116γ、214γ，基岩自然伽玛值超过国家标准 63γ，推定HDK46+500～HDK49+600段混合岩含放射性物质较多，建议施工开挖该段落时，做好洞内放射性的实时监测工作并采取防护措施，对放射性超标段落内的隧道废渣应进行专门的安全处理，保护环境不受污染。依靠孔外对水样、岩土体样品的室内试验，获得水、岩土体样品的侵蚀性、物理力学性质等，为设计及施工提供详细而可靠的地质资料。见图2。

3.6 综合分析、运用

综上所述，在充分熟悉区域地质资料前提下，用遥感指导大面积调绘，再在此基础上开展物探工作，最后进行钻探及综合测试、试验工作，每一个勘察成果为下一勘察手段做了准备，而下一勘察成果又是对前一甚至之前所有勘察成果的验证、补充与完善［8］。通过这种多勘察手段的综合运用，取长补短，把取得的各种勘察成果进行对比、分析并综合运用，最终取得详实、准确的勘察资料，为隧道设计及施工提供了地质依据。

图2 BDSZ－6钻孔综合测井成果示意

4 综合超前地质预报的应用

类似长寿山隧道这种长大、深埋、地质复杂隧道施工，仅靠勘察阶段所得有限地质资料是不足的。为了进一步及时查清隧道开挖工作面前方的工程地质与水文地质条件，指导施工安全、顺利进行，降低地质灾害发生的机率和危害程度，并为优化工程设计提供地质依据［9］，在施工阶段，应进行地质超前预报。

4.1 超前地质预报工作方法

本工程超前地质预报工作方法包括:地质调查法、超前水平钻探法、物探法(弹性波反射法、电磁波反射法、红外探测3种)［10］。并让它们各尽其能，各展所长，各有侧重、相互配合、验证补充，距离上长短结合。

(1)地质调查法

地质调查法是根据隧道已有的勘察资料、地表补充地质调查资料和隧道内地质素描，通过地层层序对比，地层分界线及构造线地下和地表相关性分析，断层要素与隧道几何参数的相关性分析，临近隧道内不良地质体的前兆分析等，利用常规地质理论、地质作图和趋势分析等，推测开挖工作面前方可能揭示地质情况的一种超前地质预报方法，它适用于各种地质条件下的隧道超前地质预报。

(2)超前钻探法

超前钻探法是利用水平钻机或风钻在隧道开挖工作面进行钻探获取地质信息的一种超前地质预报方法。它适用于各种地质条件下的隧道超前地质预报，在富水软弱断层破碎带、富水岩溶发育区、煤层瓦斯发育区、重大物探异常区等地质条件复杂地段必须采用。

(3)物探法

物探法是利用物理学的原理、方法和专门的仪器，观测并综合分析天然或人工地球物理场的分布特征，探测地质体或地质构造形态的勘探方法。主要方法有:弹性波反射法、电磁波反射法、红外探测法、高分辨直流电法。其中弹性波反射法包括地震波反射法、负视速度法、陆地声呐法、水平声波剖面法。物探法超前地质预报应具备一定地质条件。

本隧道超前地质预报物探法应用了地震波反射法(TSP203)、电磁波反射法(地质雷达)及红外探测法，其中TSP预报有效距离可以达到100～150 m，地质雷达及红外探测在30 m左右。由于各种物探方法有一定的局限性，且物探解译具有多解性，因此宜采用两种以上物探方法结合地质综合分析，才能较为准确地进行超前地质预报。TSP203原理见图3。

图3 TSP203原理

(4)地质物探综合分析法

要提高隧道超前预报水平及准确度，就必须将地质调查方法与多种物探方法有机结合起来［11］，对地质物探资料进行系统处理和综合分析，称之为地质物探综合分析法。

4.2 施工超前地质预报工作流程

隧道施工超前地质预报工作采用长短结合、上下对照、定性与定量相结合，多方法、多频次相互印证的原则，进行综合施工超前地质预报［12］，以提高重点地段预报的质量和精度。综合施工超前地质预报流程［13］见图4。

图4 综合超前地质预报工作一般流程

4.3 隧道施工预测预报内容及范围

长寿山隧道正洞通过了兰州十里店复式背斜(阿森特－加里东期)，小型褶曲发育，并经过3处不整合接触带，地层岩性较为复杂，第三系砂岩、砂岩夹砾岩、加里东期花岗岩、混合岩及前寒武系片岩交错，部分地段节理裂隙发育，岩体破碎、基岩裂隙水发育等，进出口端及明洞浅埋段，存在围岩失稳、坍塌等地质灾害，地质条件复杂。

在施工过程中对长寿山隧道全线进行了地质编录;对HDK46+500～HDK49+600段进行放射性实时监测及超前预报;为尽量减少施工干扰并使超前地质预报经济合理顺利进行，结合工程实际，仅对部分地段地层岩性及设计中的岩性接触带、不整合接触带、富水带、节理裂隙密集带，褶皱发育带等重点地段采用了物探方法探测，必要时辅以超前水平钻探，总计设计地震波反射法(TSP)探测42次，电磁波反射法(地质雷达)探测20次、红外探测25次，超前水平钻探900 m。进行地质物探综合分析法超前预报。实施时，再根据施工地质编录及之前物探成果的分析，及时调整设计提出的超前物探范围、段落，并做了适当的调整、补充。

4.4 超前地质预报效果

经施工开挖验证，对地层岩性、岩性接触带、不整合接触带、富水带、岩体破碎地层及节理密集带、褶皱发育带等的预测预报与实际基本一致，超前地质预报同时判断了掌子面前方的围岩类别与原设计是否吻合及其稳定性，并为随时提供修改设计、调整支护类型、确定二次衬砌时间提供了依据及建议等，起到了很好的指导施工及保驾护航作用［14］。

5 结语

(1)长寿山隧道施工开挖揭示表明，其勘察及综合超前地质预报准确率高，相符率高，指导及保证了隧道于2011年7月顺利施工贯通及兰州铁路枢纽全线于2012年12月正式开通运营。实践证明，山区长大、深埋、地形地质复杂隧道，勘察阶段采用综合勘察技术，施工阶段采用综合地质超前预报技术，其方法是必要、合理、恰当、适用而可行的，也是未来隧道勘察及配合施工的必然趋势及方向。

(2)综合勘察是一个由多阶段、多工种、多工序组合的勘察体系，其核心应为地质勘察项目部，在其组织、推动下，各工种才能协调，分工合作，共同完成任务。采用综合勘察技术可以大大减少不必要勘察工作，降低勘察成本，同时提高勘察效率、精度及准确性，在各方面条件允许的情况下，应尽可能采取多种手段进行综合地质勘察，但不宜过分强调勘察方法的主、次性和勘察方法的多少，应根据现场的具体情况，用实事求是的态度，选择比较科学、合理的勘察方法。

(3)每一种勘察方法和测试手段都不可避免地存在一些局限性或弊端，因此，工程勘察中应根据工程实际需要的勘察范围、深度和精度，选择1种或几种恰当的勘察手段。并对勘察成果进行系统的综合分析、研究，并合理解释，相互沟通，发现问题现场要及时解决，使勘察资料更加符合实际情况。保证勘察结论正确，为隧道工程的设计、施工提供合理、可靠地质依据。

(4)由于物探结果具有多解性，单一预报方法往往无法全面掌握隧道地质信息，采用综合地质预报技术，可以得出较为可靠的结论，能够大大减少误报和漏报情况。其所选用的预报方法应各尽其能，各展所长，各有侧重，同时相互配合、验证补充，距离上长短结合。将物探方法进行合理组合，可以防止重复探测，并能够增强预报效果，避免盲目施工带来的突水、突泥，危岩垮塌等工程事故，提高施工效率，降低成本。

(5)施工前，应根据隧道具体情况，各段落需要解决的具体问题，事先做好超前地质预报设计工作，施工过程中，根据施工揭示情况随时动态调整施工方案，以保证随时指导及保证施工安全。

［1］中铁第一勘察设计院集团兰州铁道设计院有限公司.长寿山特长隧道工程地质勘察报告［R］.兰州:中铁第一勘察设计院集团兰州铁道设计院有限公司，2009.

［2］谭远发.长大隧道工程地质综合勘察技术应用研究［J］.铁道工程学报，2012(4):24-31.

［3］陶玮.综合选线技术在宝麟铁路勘察设计中的应用［J］.铁道标准设计，2013(6):17-21.

［4］李景山.兰渝线西秦岭特长隧道综合地质勘察［J］.现代隧道技术，2012(4):63-68.

［5］姚成志.铁路通过小型采空区的综合勘察与线路优化［J］.铁道标准设计，2013(2):16-18.

［6］易鑫，白雪飞.浅谈综合地质勘察在长大隧道勘察中的应用［J］.铁道勘察，2011(4):75-78.

［7］许再良，赵建峰，王子武，等.太行山特长隧道综合勘察技术的应用与效果［J］.铁道工程学报，2007(10):53-57.

［8］黄勇.综合勘察技术在木寨山岭特长隧道中的应用［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2009(6):1011-1015.

［9］中华人民共和国铁道部.铁建设［2008］105号 铁路隧道超前地质预报技术指南［S］.北京:中国铁道出版社，2008.

［10］谭信荣，陈寿根，马辉.隧道综合超前地质预报技术在岩溶地区的应用［J］.铁道标准设计，2012(2):84-87.

［11］李桂林，张立国，靳天堂，等.超前地质预测预报在云雾山隧道中的应用［J］.铁道标准设计，2007(S2):65-68.

［12］雷春英，尚亿军，李晓虎，等.综合超前地质预报技术在马桑哨隧道中的应用研究［J］.工程地质学报，2012(6):1007-1012.

［13］薛斌，韩小敏.宜万铁路岩溶隧道地质综合超前预报技术［J］.铁道标准设计，2010(8):72-77.

［14］胡世权.综合地质超前预报在策马隧道斜井探测中的应用［J］.铁道建筑，2012(3):39-41.