宜万铁路施工地质工作

曾宪明

(中铁工程设计咨询集团有限公司, 北京 100055)

宜万铁路从2004年开工至今,历经五年多时间,目前大部分工程已建成。期间因地质条件的复杂多变,施工过程中进行了大量的地质调查、补勘、超前预测预报、验基、验桩、基底岩溶探查等各方面的施工地质工作。本文就宜万铁路的施工地质工作进行一些总结,以期能对类似复杂山区铁路施工阶段地质工作提供有益的借鉴。

宜万线地质条件极其复杂,地层多变,构造复杂,滑坡、岩堆、危岩落石、顺层、采空区等不良地质普遍,岩溶广泛发育。地形地质条件的复杂程度,决定了宜万铁路工程的艰险,施工就出现了如地层风化软硬不均，揭示溶洞、裂隙、溶槽、基岩面起伏变化，隧道突水、突泥，高陡岩质边坡危岩崩塌、顺层滑塌、边坡失稳等与设计地质不符的情况。这些地质问题种类繁多、危害极大,只有通过高效、准确的施工地质勘察,为工程变更设计措施的制定提供地质依据,才能确保工程的安全。

1 施工地质工作主要内容

宜万线的施工地质工作除应按“铁路工程地质勘察规范”(TB10012—2007)中所规定的内容实施外,其重点及难点主要有以下几个方面。

1.1 溶腔基底补充勘探

施工中揭示较多的隐伏岩溶,尤其是在隧道开挖后揭示了数量众多、规模大小不一的溶洞,需进行详细补勘,分析评估岩溶对隧道的影响,为结构设计提供地质依据。

1.2 复杂岩溶桥重点墩台施工阶段加深地质探查

岩溶发育在宏观上虽有规律可循,但在微观或工程尺度上有时还是很难确定的。因此,施工开挖后地质变化的情况时有发生,如有的桥基在勘察阶段已根据岩溶发育程度安排了逐桩钻探、梅花形钻或逐墩钻,但由于岩溶发育的特殊性和不可预见性,部分岩溶桥地质资料与施工开挖后揭示的地质情况仍存在一定的出入,有的甚至变化较大,需多次补充地质勘探才能查明。

1.3 深埋复杂岩溶隧道高风险地段施工阶段加深地质勘察

勘察阶段通过采取超规范、多地勘阶段的综合地质勘察,确定了全线深埋复杂岩溶隧道可能存在的高风险地段。但受各种主客观因素的制约,以及仪器设备和技术手段的限制,部分岩溶水文地质条件异常复杂的高风险地段,可能仍难以确定形态各异的岩溶细节(溶腔高度、宽度等),仍需在施工阶段加深地质勘察。

1.4 地形陡峻及受拆迁影响的补充勘探

受宜万线复杂的地形(山高坡陡)、地物(房屋等未拆迁)等原因的影响,在勘察阶段部分工点钻孔未能实施,也需在施工场地平整、施工便道到位后,房屋拆迁后才能进行补充地质勘探。

1.5 岩溶隧道基底隐伏岩溶探查

宜万铁路I线岩溶隧道长度达153 km,II线岩溶隧道长度约89 km,由于岩溶地质条件的复杂性,隧道基底或周边可能存在影响结构安全的隐伏岩溶,有必要开展隧道基底及周边隐伏岩溶探查。

1.6 岩溶路堑基底隐伏岩溶探查

岩溶路堑Ⅰ线长约30 km,Ⅱ线长约6 km,路堑基底可能存在影响路基稳定的隐伏岩溶,有必要在路堑施工开挖到位后进行基底隐伏岩溶探查。

2 施工阶段施工地质工作方法

宜万线的地质勘察工作采取的是遥感判译为先行,地质测绘和岩溶水文地质调查为基础,开展综合地质勘探,以物探和适量钻探为主要勘探手段,辅以必要的测试、试(化)验和重要水点及气象的长期观测等综合性的勘察方法。施工阶段地质的变化主要是某一单项工程或某一明挖基础、桩基等单个工程的局部变化,施工阶段补充地质勘察的主要目的是为变更设计提供地质依据。因此,施工地质工作采用的方法是以工程地质钻探(浅孔及深孔)为主,但针对重大地质灾害或存在重大地质问题的复杂工点,则仍应遵循综合地质勘探的原则。

此外,针对宜万线深埋岩溶隧道地质条件的复杂程度,为详细查明隧道掌子面前方异常体、重要界面、断层的具体位置,验证突水突泥的位置、段落和规模,修正设计,指导施工,确保施工安全、顺利的进行,制定了《宜万线复杂隧道施工地质实施细则》,提出了在施工阶段地质工作的不同要求,明确要求采用TSP203、地质雷达、红外探水、超前水平钻等手段进行综合超前地质预测预报工作。这些都是施工阶段重要的、不可或缺的地质工作方法。

3 施工地质勘察原则

宜万线岩溶隧道施工揭示的溶洞数量多、规模大、水压高；岩溶发育地区的桥梁、路基等工点揭示的地质变化多；桥隧相连高陡岩坡不良地质多见。因此,施工地质工作的总体原则应以“规避风险、确保安全、抓住重点、突破难关、合理运用综合地质勘探手段,查明地质条件”为主。

3.1 溶腔基底及复杂岩溶桥重点墩台施工补勘原则

按初勘及详勘分阶段进行补勘,初勘时以探查溶腔边界及发育深度为主；详勘阶段则根据工程处理措施,逐桩勘探,钻探深度应满足工程处理要求。

3.2 深埋复杂岩溶隧道高风险地段施工阶段加深地质勘察原则

针对岩溶水文地质条件异常复杂、仅靠洞内超前探查仍存在风险的地段,应补充加深地质勘察,重点进行地表物探结合深孔钻探工作,继续做好勘察阶段延续下来的重要水点的观测工作。根据施工揭示的溶洞、溶蚀裂隙管道等岩溶形态特征和发育规律，以及岩溶水流量系统观测资料,进一步分析岩溶水文地质特征,详细查明前方地质条件,提出地质预测预报意见,指导隧道高风险地段的安全施工。

3.3 岩溶路堑基底隐伏岩溶探查原则

对所有岩溶路堑基底进行隐伏岩溶探查,单线路堑采用二条测线贯通,双线、多线路堑,适当增加测线数量,测线距一般为3～5 m。

对重大物探异常安排钻探进行验证。每公里验证孔不少于5孔,验证孔深不大于15 m,不小于10 m,个别特殊情况根据需要确定。

3.4 岩溶隧道基底隐伏岩溶探查原则

根据既有勘察资料、施工地质超前预测资料以及施工前岩溶探查结果,先将岩溶隧道划分为不同的复查等级,然后再按不同的地质条件进行探查和验证(见表1)。

4 宜万铁路施工地质工作效果

4.1 施工阶段完成的主要勘察工作量

宜万线历经多次勘察,投入了大量的人力、物力和财力,完成了大量的勘探工作量,提供了较为翔实的地质资料。施工阶段又根据进展及揭示地质情况,补充进行了大量的地质调查、物探、勘探及测试试验等综合勘探工作。完成的主要工作量见表2。

4.2 施工阶段施工地质工作取得的主要效果

通过上述贯穿于宜万铁路整个施工过程的施工地质工作,补充进行了大量的工程地质调查、勘探(钻探、物探)、以及必要的测试试验等工作,编制了《宜万线复杂隧道施工地质实施细则》、《宜万铁路复杂岩溶隧道基底及周边和岩溶路堑基底隐伏岩溶探查实施细则》、《宜万铁路施工阶段核实地质补充内容及要求》、《宜万铁路地质勘察资料清查报告》、《宜万铁路安全风险排查报告》、《宜万线复杂岩溶隧道设计排查报告》等一系列施工地质文件,以及各工点的地质补充勘察资料,指导并运用于宜万线的施工地质工作,为宜万线变更设计、复杂岩溶隧道水文地质条件分析、地质灾害抢险及其治理提供了详实的地质资料,成效显著。

表1 岩溶隧道基底隐伏岩溶探查原则

注:在岩溶复查过程中,根据复查的物探成果资料或钻探验证资料,显示存在重大物探异常或发育大型溶腔,应适当提高其复查等级，增加相应的探测工作。

表2 施工阶段完成的主要勘察工作量

4.3 溶腔基底补勘取得主要的效果

全线隧道在施工中已揭露约900余处岩溶,其中溶腔约占90%；裂隙约占3%；管道约占7%。有的岩溶发育深入在隧底,影响工程安全，需研究采取桩基承台、跨越结构、换填、钢管桩、基底注浆等措施处理。针对施工中揭示的岩溶,通过施工地质工作,详细查明了其形态特征、水量、水压与降雨量的动态变化特征等,分析评价了其稳定性及水文条件的改变对工程的影响等,并根据结构处理方案,详细补勘,为隧道结构通过岩溶地段提供地质依据。

如五爪观隧道从大型暗河下部通过,风险显而易见。通过施工阶段进行的探洞、洞内EH-4物探及钻探等补充地质勘探工作,查明隧道穿越暗河段堆积体厚度为7.7～20.9 m,堆积体成分主要由卵石土、块石土及粉质黏土夹砾砂等组成。采取清除堆积体、暗河内铺设钢筋混凝土底板、设排水渠及挡水坝,将暗河大厅分散水归槽导流后,再对暗河下的堆积物进行注浆加固，隧底采用钢管桩加固，衬砌结构采用加强型复合衬砌及全包防水等综合加固措施后,安全通过暗河,成功规避了施工风险。

4.4 复杂岩溶桥重点墩台施工阶段加深地质探查取得的主要效果

全线桥梁195座/52.948 km,约占全线总长的14%；其中岩溶桥117座,占全线桥梁数的60%,跨越峰(丘)丛洼地、溶蚀-侵蚀峰丛沟谷、溶丘洼地和岩溶槽谷、岩溶槽谷、岩溶沟(峡谷)等,不少桥梁都位于复杂岩溶发育区,施工中部分墩台揭示岩溶异常发育,如长巴河大桥2号墩，冷水桥特大桥3号、4号墩等。通过补勘,进一步查明了桥基底岩溶形态、发育深度及水文地质特征等,为墩台基础设计提供准确的地质资料。

如长巴河大桥2号墩在桩基施工过程中发现桩底发育溶洞,孔内涌水，发生塌孔，地表产生裂缝等。勘察阶段对2号墩已逐桩钻探,出现问题后,又在2号墩各桩桩侧补充进行了加深地质钻探,共钻探28孔/2 597 m。根据地质补钻,结合地表勘察资料,综合分析2号墩位于深部长巴河暗河主通道上,暗河为充水腔体,其暗河规模(宽度)涉及整个墩位。孔内漏浆可能是由于存在裂隙、侧壁溶洞等原因所致；多次漏浆反复填充后仍难以成孔则是由于塌孔导致底部覆盖层松动引起。由此提出了桩基设计、施工的地质处理意见。

4.5 深埋复杂岩溶隧道高风险地段施工地质工作取得的主要效果

施工阶段根据深埋复杂岩溶隧道高风险地段的风险特点及等级,重点通过系统观测、测试和分析研究其岩溶水文地质特征,在对高风险点及其影响区域进行地表调查、地面物探及洞内探测(探洞、物探及钻探)的基础上,布置必要的深孔钻探及相应的测试及试验工作,全面分析既有地质资料,补充、修正、完善隧道的地质分析及评价,为高风险地段的超前预报、整治措施、制定抢险预案等提供了科学依据。取得的主要成果有以下几个方面。

(1)岩溶主要类型及其地质风险分析研究

通过施工阶段地质工作,系统研究、分析、总结了宜万线岩溶隧道高风险地段岩溶主要类型及其地质风险(表3),为高风险地段的灾害预报及施工处理提供了准确的地质依据。

表3 宜万线岩溶隧道高风险地段岩溶主要类型及风险

(2)划分了岩溶隧道风险等级及风险施工管理等级

宜万铁路隧道127座,共计240.994 km,其中岩溶隧道约占75%,通过施工阶段地质调绘、水文地质调查、物探、钻探、测试试验等加深地质探查工作,根据每座隧道可能发生突涌水突泥地段、规模、危害程度等，划分了A、B、C三个地质风险等级(见表4)。

按照每座隧道的工程地质、水文地质条件,发生突涌水突泥的几率、规模、危害程度等,确定其风险施工管理等级。其中可能出现大规模岩溶突水突泥的隧道为Ⅰ级风险隧道(共8座)；可能出现局部突泥突水或大型干溶腔隧道为Ⅱ级风险隧道(共13座)；其他施工风险较低的为Ⅲ级风险隧道。根据各隧道不同段落的地质风险等级,制定相应的超前预测预报手段、安全进洞条件、防灾报警措施及结构处理措施,起到了突出重点、有的放矢、防范风险的目的。

(3)查明了深埋复杂岩溶隧道高风险地段岩溶地质条件

在施工阶段通过加深地质工作,进一步查明、核实了野三关隧道602富水溶腔段、F18断层、④号暗河支管道、大支坪隧道990富水溶腔、云雾山隧道617富水溶腔群、562大型充填溶腔、马鹿箐隧道PDK255+978富水溶腔、齐岳山隧道PDK363+537溶腔突水、DK366+300～DK365+450段高压裂隙水、得胜场槽谷段、五爪观隧道穿越暗河段等深埋复杂岩溶隧道高风险地段的岩溶地质条件,为隧道结构设计提供了可靠的地质依据。

如齐岳山隧道得胜场槽谷段是全线岩溶水文地质条件最复杂的地段,暗河规模大,水量丰富,风险极大。为此在施工过程中,在得胜场槽谷补充进行了岩溶水文地质调查、物探(EH-4、GDP-32、V-6、CT)、孔内摄影、深孔钻探、测井、水文试验、水量观测等工作。通过上述施工阶段加深地质探查,进一步细化了得胜场槽谷岩溶区的岩性分层,发现和验证了岩溶区的多处物探异常,查明了F11断层的上盘边界,重新校正了F11断层位置和断层宽度,深化了岩溶区岩溶和岩溶水发育特征、F11断层的水文和工程特性、岩溶暗河与F11断层的水力联系及对隧道工程的影响等的认识。

4.6 地形陡峻及受拆迁影响地段的补勘效果

宜万线地形困难,受地形地物的影响,在勘察阶段部分钻孔未能实施,在施工阶段场地平整,施工便道到位后,进行了补充地质勘探。如贺家坪车站内桥梁、冷水桥左线及右线特大桥等,桥址位于陡壁斜坡地段,坡度40～60°,植被发育,人几乎无法行走,勘察阶段部分桥墩难以进行钻探。在施工进场平整场地后,及时进行了补钻,为基础设计提供了地质资料。部分桥墩则位于民房等建筑物内,也需在施工阶段征地拆迁后方能进行补钻。如宜昌东站内部分桥梁位于宜昌城区,分布有众多的民房等建筑物,部分桥墩在房屋等建筑物拆迁后完成补钻。

4.7 岩溶隧道基底隐伏岩溶探查、岩溶路堑基底隐伏岩溶探查取得的主要成果

通过系统的基底隐伏岩溶探查,查明了全线岩溶隧道基底和岩溶路堑基底隐伏岩溶的分布、形态、规模及其对运营安全的影响。如彭家坡隧道DK29+430～DK29+452段在铺底后仍发现隧底下3～15 m串珠状岩溶发育；长巴隧道铺底仰拱均完成后复查发现某段隧底以下2.5 m发育岩溶空洞；王家岭Ⅰ线隧道某段铺底后复查发现5.2～8.8 m串珠状岩溶空洞。同时,经复查还发现了一些存在一定安全隐患的岩溶发育地段,如汪家寨隧道、高坪隧道复查发现的某段隧底以下8～16 m范围内串珠状充填型溶腔发育,高阳寨隧道周边岩溶异常发育等。此外,在灰岩段路堑基底的探查中更是发现了很多大型、特大型溶腔,如DK349+541基底下0.4～17.3 m为串珠状溶洞；DK224+120基底下1.2～8 m为岩溶空洞等。针对复查出的问题,提前采取了注浆、回填混凝土、盖板及桩基础等工程措施进行处理,消除了安全隐患,为确保运营安全奠定地质基础。

以宜万线岩溶隧道和路堑基底隐伏岩溶探查为依托,开展了“高分辨率物探技术在隧底岩溶复查中的应用研究”,并运用研究成果,采用地质雷达(或地震单点反射法)与地震面波法等两种或两种以上的方法成功地对宜万线进行了隐伏岩溶进行综合探查。工后岩溶隧道及路堑基底隐伏岩溶探查工作在路内外尚属首次,通过大量的现场试验工作,首次研究总结了采用地质雷达法与地震单点反射法进行隧道隐伏岩溶综合复查,采用地质雷达法及地震面波法对路堑基底岩溶进行综合探测,具有一定的创新意义和实用价值。

5 结束语

施工阶段的施工地质工作在相关勘察规范中有明确要求,但往往并不重视,其除与相关参建单位地质人员不足、技术力量薄弱有限外,也与施工地质工作与施工交叉、现场地质调查与施工工期矛盾突出有关。可喜的是宜万线的施工地质工作全面、系统,通过溶腔基底补勘、隧道基底和路堑基底隐伏岩溶探查、地质复杂岩溶桥重点墩台施工阶段加深地质勘探、深埋复杂岩溶隧道高风险地段施工阶段加深地质勘察及地形陡峻及受拆迁影响地段的补勘等,在实际施工过程中摸索出了一整套操作性强的管理措施和方法,规避了许多安全风险,为宜万铁路的顺利建成奠定了基础。

复杂山区铁路的施工地质工作要抓住控制铁路工程安全的主要地质问题,分析、研究影响这些主要地质问题的内外因素,并在施工地质工作中重点监控。复杂山区铁路施工地质工作的重点和难点主要有：

(1)重点监测、分析、研究复杂岩溶隧道施工过程中岩溶水文地质条件的变化。

(2)岩溶发育地段的地质补钻,这里要强调地质补钻的时效性,否则变更设计时效性难以保证,势必严重影响施工进度。

(3)基底及周边隐伏岩溶的探查及处理。

(4)高陡岩质边坡隐蔽结构面的核查：特别要重视对控制岩体稳定的隐蔽节理的勘探,加强对各种不利结构面的核实、核查,及时发现问题及隐患,及时处理,避免出现安全问题。

建设单位要高度重视复杂山区铁路建设过程中的施工地质工作,以相关规范要求为基础,制定适应本项目的施工地质管理制度和办法,明确各方的责、权、利,共同做好施工地质工作,只有这样才能有效规避风险,确保安全。在宜万线的施工过程中,有的单位认为施工地质工作只是勘察设计单位的事,在基础地质核查确认、开挖揭示不利结构面核查、掌子面地质素描等工作中的责任和安全意识不强,参与的积极性不高,记录简单、真实性欠缺,也出现了大大小小不少的安全事故,教训是深刻的!此外,还存在施工单位、监理单位地质技术力量相对薄弱等问题。因此，对复杂山区铁路一定要加强现场施工相关地质专业技术人员的引进、培训,强化施工地质工作,各方共同努力,群策群力,才能确保安全。

[1] TB10012—2007，铁路工程地质勘察规范[S]

[2] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.宜万铁路安全风险排查报告[R].武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2008

[3] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.宜万线复杂岩溶隧道勘察及综合整治技术(初稿)[R].武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2009

[4] 铁道部宜万指挥部、中铁第四勘察设计院集团有限公司.宜万线复杂隧道施工地质实施细则.[R].恩施：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2006

[5] 铁道部宜万指挥部、中铁第四勘察设计院集团有限公司.宜万铁路复杂岩溶隧道基底及周边和岩溶路堑基底隐伏岩溶探查实施细则[R].恩施：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2006

[6] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.宜万线复杂岩溶隧道设计排查报告[R].武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2006

[7] 曹柏树,李小和.宜万线主要工程地质问题及勘察方法[J].岩土力学及工程学报，2006(9)