宝兰客运专线黄土隧道超前地质预报方法的研究

梁树文

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

宝兰客运专线黄土隧道超前地质预报方法的研究

梁树文

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

宝兰客运专线定西段黄土隧道施工中出现的工程地质问题主要因土体高含水率引起。单纯的物探法在黄土隧道超前地质预报中效果不理想，新方法的研究对于弥补物探法的不足及达到预报目的具有十分重要的意义。分析常规物探法的局限性，通过上庄隧道超前地质预报工程实例，提出应用综合分析法开展地质预报的新思路。

黄土隧道；超前地质预报；TSP预报的局限性；综合分析法

1 概述

随着西北地区铁路的快速发展，黄土隧道所占比例越来越高，目前在建的宝兰客运专线黄土隧道长度约占隧道总长的10%，随之而来的工程地质问题也越来越突出，主要表现为土体含水率高或含水砂砾层在拱顶的分布影响正常施工，或造成安全事故。《铁路隧道超前地质预报技术指南》[1]是目前唯一一本行业标准，相关章节的内容多以硬质岩、岩溶发育地区为例说明，对黄土隧道可能出现的地质问题，缺乏具针对性的说明及方法介绍，对此进行预报。因此，综合分析法就变得格外重要。

2 地质概况及工程地质问题

2.1 地质概况

宝兰客运专线定西段东起定西市通渭县，西讫兰州市榆中段，线路长约146 km。地处陇西黄土高原沟壑、梁峁区，区内黄土沟壑纵横，梁峁起伏，地形起伏较大，地面高程在1 200～2 000 m，相对高差200～500 m。土质隧道洞身通过地层主要为第四系上更新统-中更新统砂质黄土、黏质黄土，第三系泥岩。地表水不发育，各沟基本无天然地表径流，只在雨后形成暂短水流，黄土孔隙水主要在地表平坦、洞身浅埋段分布，且季节性变化大。

2.2 工程地质问题

宝兰客运专线土质隧道施工过程中出现的工程地质问题[2]主要为高含水率黄土，砂砾石含水层的分布。

2.2.1 高含水率黄土

部分隧道土体含水率普遍大于17%，一般为22%～26%，个别段落甚至大于26%，形成饱和黄土，出现掌子面稳定性差，沉降量大等现象，甚至发生掌子面涌泥、塌方、地表塌陷、隧道冒顶等严重事故。

2.2.2 砂砾石含水层

不同于针对桥涵工程基础的勘察，受限的勘探数量及位置、不规律的地层成因，使得地勘阶段的地质纵断面不可能完全精准地揭示出隧道洞身地层岩性的分布及变化。例如隧道地质断面多将单个钻孔揭示的砂砾石层以透镜体分布处理，但部分隧道实际开挖显示当隧道掌子面地层结构为土石界面时，往往在第四系黄土底部层状分布有冲积成因的砂砾石，单层厚一般小于5 m，由于第三系泥岩的隔水性，使得砂砾石成为地下水的富集和流通通道。尤其当基岩面抬升，砂砾石层到达隧道拱顶位置时，开挖掉块、坍塌的现象时有发生。

3 常用物探法的工作原理

3.1 TSP工作原理

TSP 探测为弹性波发射法中最常用的一种。工作原理是利用在隧道围岩以排列方式激发弹性波，弹性波在向三维空间传播的过程中，遇到声阻抗界面(介质的密度和其传播弹性波的速度乘积)，即地质岩性变化的界面、构造破碎带、岩溶和岩溶发育带等，会产生弹性波的反射现象，这种反射波被布置在隧道围岩内的检波装置接收下来，输入到仪器中进行信号的放大、数字采集和处理，实现拾取掌子面前方岩体中的反射波信息，达到预报的目的[2-3]。

3.2 地质雷达工作原理

地质雷达(简称GPR)是一种用于探测地下介质分布的广频电磁技术。其工作原理是基于地层的电性差异(介电常数和电导率不同)，向掌子面发射高频电磁波，并接收反射的电磁波进行处理、分析、解释的一项工程物探技术[2-4]。

4 物探法预报目的及效果

4.1 预报目的

针对黄土隧道存在的工程地质问题，物探法预报的目的在于辅助地质人员预判前方掌子面土体含水率的变化趋势、饱和黄土的分布段落及砂砾石夹层的厚度、埋深变化。从而达到高效预报，为安全施工提供保障。

4.2 预报效果

单纯的依靠物探手段进行黄土隧道超前地质预报，效果不是很理想。对地质雷达而言，反射波能量的大小取决于反射系数，反射系数与界面两侧介质的相对介电常数的差异程度呈正比。有别于基岩裂隙水，黄土孔隙潜水发育段与干燥土体之间不可能存在明确的界面，所以在基岩隧道采用地质雷达预报，完整岩体与破碎段裂隙水之间能反应出反射波能量的变化，而在土体中就不明显了。相比土石(第三系泥岩)界面，土与砂砾石层界面较理想。

与地质雷达工作原理相似，TSP的声阻抗界面[2]在该类地层结构隧道中的反应同样不是很理想。此外，相比地质雷达现场较便捷的操作，TSP实施还存在局限性。

5 TSP预报存在的局限性

TSP原理本质即为弹性波法，该预报系统是专门为隧道和地下工程超前地质预报研制开发的目前世界上在这个领域最先进的设备，它能方便快捷预报掌子面前方较长范围内的地质情况，弥补地质预报只能定性预报无法定量预报的缺陷。然而面对在建宝兰客运专线黄土隧道如何实施并达到良好的预报目的，TSP在操作性上还存在局限性，这种局限性主要体现在安全施工及观测系统的布置。

5.1 安全施工

段内隧道进、出口及浅埋段洞身地层多为第四系上更新统风积砂质黄土，土质较均匀，孔隙及虫孔发育，孔隙比一般在0.9左右。新黄土多孔隙、垂直节理发育的特性，使得地震波损失严重，信号信噪比低。黄土的土质造成地震波损失严重，土质地层滤波作用较强，损失高频有效信号，为了得到可靠的数据就要加大药量，但是加多大药量及孔内爆破对隧道安全施工的影响尚无科学论证，施工单位对此多表示不可实施。

5.2 观测系统布置的局限性5.2.1 系统布距

TSP系统主要由记录单元、接收单元及附件和爆炸装置组成，爆炸装置在初衬段埋设，接收单位(接收器)布置要求距掌子面50 m，然而在施工过程中往往因地质条件差，二衬早跟进，使得系统布距不足，TSP无法实施。

5.2.2 成孔率较差

炮孔要求深度1.5 m，V级围岩除表层0.25 m混凝土初衬外，需钻入土体1.25 m，按炮孔要下倾10°～20°的成孔要求，现场打孔时，工人完全凭手感开钻，上下调节，土体受不均匀扰动，拔钻后有塌孔现象，成孔率较低或成孔不理想，直接影响了有效数据的采集。此外，装药深度过浅或炸药掉入初期支护与围岩之间空洞，产生大量无用的面波信号，且无法过滤，造成有用信号和无用信号严重混淆[5]。

5.2.3 施工工艺

由于隧道开挖采用七步台阶法施工，24个炮眼同样高度(距隧道底面1 m)的要求受限，下台阶到掌子面的距离还有约12 m，往往需要在中台阶也打孔(一般为5～6个，视台阶长度定)。此外，第1个炮孔应该距掌子面的距离在《铁路隧道超前地质预报技术指南》[1]附录J中也没有明确的说明。当炮孔高差较大时，会造成洞身有效范围内的部分地质界面反映不出来，影响预报的准确性和精度。

6 综合分析法

针对黄土隧道存在的工程地质问题，要想单纯的依靠物探法获得理想的效果是不现实的。应利用常规地质理论、趋势预测，结合地质雷达、红外探水预报成果，综合的分析预判地质变化，才能达到超前预报的效果。根据现场实践情况，现总结为几下几点。

6.1 黄土高含水率现象

进行超前地质预报的地质人员不一定参与过地质勘测，在做好洞内掌子面素描，重点关注土体含水率变化的同时，应加强进、出口及浅埋段地表地质调查，主要了解受人类活动影响的地表现状。此外不能忽视对勘测地质资料的收集、分析。

上庄隧道位于兰州市榆中县，出口段长约495 m，埋深20～50 m，地表地形较平坦，经调查多已辟为耕地，黄土陷穴较发育。明暗洞里程DK983+395，掌子面地层为第四系上更新统冲积砂质黄土，土质均匀，土体潮湿，实测含水率上台阶20.3%，中台阶20.8%，下台阶20.4%，基地20.8%。设计洞身依次通过第四系上更新统冲积砂质黄土、中更新统风积黏质黄土。统计地勘阶段土工试验数据显示，砂质黄土塑性指数平均值为8.9，含水率21.6%，黏质黄土塑性指数为10.1，含水率20.7%；土体干密度均为1.6 g/cm3，孔隙比均为0.7。综合以上信息地质推测，出口段地形、地层岩性利于大气降水下渗，砂质黄土、黏质黄土物理性质差异小，孔隙水分布不受地层变化影响，预报该段土体含水率持续较高，三台阶差异小，局部可能出现饱和黄土。

开挖证明，该段土体含水率持续较高(平均22.5%)，施工监测沉降较大，掌子面局部含水率可达28%，土体饱和，掌子面稳定性较差，目前施工采用径向注浆方案处理。总结认为，当土体含水率W<17%时，正常施工；含水率17%26%时，措施加强，到28%时就出现饱和黄土了。

6.2 黄土中砂砾夹层现象

受三台阶开挖工法限制，现场操作中地质雷达天线无法按“井”字形布置，一般多在上台阶掌子面进行。但当掌子面出现两种及以上岩性时，只在上台阶进行地质雷达测试无法很好对前方掌子面地层结构变化进行预报，应在充分了解该隧道地层结构特点的基础上分别在不同岩性面进行地质雷达预报。

上庄隧道位于兰州市榆中县，地貌单元属宛川河阶地。斜井兰州方向设计洞身通过地层主要为第四系中更新统黏质黄土、第三系泥岩，局部段落钻孔揭示分布有中砂透镜体，厚0～5 m，2 m位于隧道拱顶以上[6]。斜井交叉口开挖揭示，在仰拱顶部土石界面之间有薄层砂层，厚约0.3～0.5 m，以粗-砾砂为主，含砾石，局部有胶结，潮湿-饱和，有渗水现象。综合以上信息地质推测，该段内土石界面间的砂砾层是连续分布的，属第三系泥岩顶部洪积成因层，利于地下水的赋存、流通，开挖出水量与单层砂砾层厚度及胶结程度有关，在上台阶顶部分布时，不利于施工。

开挖证明，该段内土石界面的砾砂层是连续分布的，当土石界面高程接近钻孔中砂层底部高程时，掌子面距钻孔约100 m，拱顶以下约1.5 m为砂(中砂为主)土夹层，有渗水现象，左拱角为线状出水现象。为验证地质推测，分别用天线贴合掌子面砂土面和泥岩面进行了地质雷达测试。雷达数据显示，砂土面雷达信号反射波能量较弱，无明显异常，推断前方掌子面该段地层没有变化；泥岩面雷达信号反射波能量较强，有明显异常，推断前方掌子面岩性有变化。结论为推断前方20 m范围内拱顶以下砂土层将变厚，同时根据红外探水预报资料显示，前方掌子面10 m范围内拱顶及左拱角含水量相对当前掌子面增大，其他部位岩体含水量相当或减小。当前掌子面拱顶以下3 m为砂夹土层，中砂为主，左拱角含砂量相对较高，且砂质较纯，无胶结，随开挖伴随有间断性股状出水，出水量约45 m3/d。地质推测成立，物探辅助预报较理想，该段围岩等级由Ⅳ级变更为Ⅴ级[7]，目前施工采用管棚、小导管注浆处理。

7 结论

(1)黄土隧道常见的工程地质问题主要因土体高含水率引起。总结认为，当土体含水率W<17%时，正常施工；含水率17%26%时，措施加强，到28%时就出现饱和黄土了。

(2)黄土隧道运用常规物探法效果不理想，存在局限性，应运用综合分析法。

(3)及时、准确地掌握土体含水率的大小对进行综合分析意义重大。

(4)《铁路隧道超前地质预报技术指南》[1]未涉及实测含水率的相关要求，建议将该工作环节纳入超前地质预报工作范畴。

[1] 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.

[2] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.宝鸡至兰州客运专线隧道超前地质预报实施大纲[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2013.

[3] 王利伟，徐永明.综合超前地质预报在隧道施工中的应用[J].铁道标准设计，2014(7)：164-167.

[4] 毛星.地质雷达在超前地质预报中的应用[J].铁道标准设计，2014(7)：192-194.

[5] 解振师.TSP超前地质预报系统预报误差原因浅析及对策[J].铁道标准设计，2007(2):77-80.

[6] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.上庄隧道工程地质勘察报告[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2010.

[7] 中华人民共和国铁道部.TB10012—2007铁路工程地质勘察规范[S].北京：中国铁道出版社，2007.

Research on Advance Geological Forecast for Loess Tunnels on Baoji-Lanzhou Passenger Dedicated Line

LIANG Shu-wen

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xian 710043, China)

Some engineering geological problems in the construction of loess tunnels of Dingxi section on Baoji-Lanzhou passenger dedicated line are caused by high moisture content of soil. The pure geophysical exploration method employed in advanced geological forecast of loess tunnel is far from satisfactory. It is great significant to look for new methods to make up for the shortage of the geophysical exploration method for good forecast results. This paper analyzes the limitations of conventional geophysical exploration method with reference to the advanced geological forecast of Shangzhuang tunnel and puts forward a new and comprehensive analysis method for geological forecast.

Loess tunnel; Advanced geological forecast; Limitations of TSP forecast; Comprehensive analysis method

2014-09-16；

2014-09-24

梁树文(1982—)，男，工程师，2005年毕业于西安科技大学地质工程专业，工学学士，E-mail:liangshuwen2002@163.com。

1004-2954(2015)03-0087-03

U456.3+3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.03.020