宜萬鐵路施工地質工作

曾憲明

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司, 北京 100055)

宜萬鐵路從2004年開工至今,歷經五年多時間,目前大部分工程已建成。期間因地質條件的復雜多變,施工過程中進行了大量的地質調查、補勘、超前預測預報、驗基、驗樁、基底巖溶探查等各方面的施工地質工作。本文就宜萬鐵路的施工地質工作進行一些總結,以期能對類似復雜山區鐵路施工階段地質工作提供有益的借鑒。

宜萬線地質條件極其復雜,地層多變,構造復雜,滑坡、巖堆、危巖落石、順層、采空區等不良地質普遍,巖溶廣泛發育。地形地質條件的復雜程度,決定了宜萬鐵路工程的艱險,施工就出現了如地層風化軟硬不均，揭示溶洞、裂隙、溶槽、基巖面起伏變化，隧道突水、突泥，高陡巖質邊坡危巖崩塌、順層滑塌、邊坡失穩等與設計地質不符的情況。這些地質問題種類繁多、危害極大,只有通過高效、準確的施工地質勘察,為工程變更設計措施的制定提供地質依據,才能確保工程的安全。

1 施工地質工作主要內容

宜萬線的施工地質工作除應按“鐵路工程地質勘察規范”(TB10012—2007)中所規定的內容實施外,其重點及難點主要有以下幾個方面。

1.1 溶腔基底補充勘探

施工中揭示較多的隱伏巖溶,尤其是在隧道開挖后揭示了數量眾多、規模大小不一的溶洞,需進行詳細補勘,分析評估巖溶對隧道的影響,為結構設計提供地質依據。

1.2 復雜巖溶橋重點墩臺施工階段加深地質探查

巖溶發育在宏觀上雖有規律可循,但在微觀或工程尺度上有時還是很難確定的。因此,施工開挖后地質變化的情況時有發生,如有的橋基在勘察階段已根據巖溶發育程度安排了逐樁鉆探、梅花形鉆或逐墩鉆,但由于巖溶發育的特殊性和不可預見性,部分巖溶橋地質資料與施工開挖后揭示的地質情況仍存在一定的出入,有的甚至變化較大,需多次補充地質勘探才能查明。

1.3 深埋復雜巖溶隧道高風險地段施工階段加深地質勘察

勘察階段通過采取超規范、多地勘階段的綜合地質勘察,確定了全線深埋復雜巖溶隧道可能存在的高風險地段。但受各種主客觀因素的制約,以及儀器設備和技術手段的限制,部分巖溶水文地質條件異常復雜的高風險地段,可能仍難以確定形態各異的巖溶細節(溶腔高度、寬度等),仍需在施工階段加深地質勘察。

1.4 地形陡峻及受拆遷影響的補充勘探

受宜萬線復雜的地形(山高坡陡)、地物(房屋等未拆遷)等原因的影響,在勘察階段部分工點鉆孔未能實施,也需在施工場地平整、施工便道到位后,房屋拆遷后才能進行補充地質勘探。

1.5 巖溶隧道基底隱伏巖溶探查

宜萬鐵路I線巖溶隧道長度達153 km,II線巖溶隧道長度約89 km,由于巖溶地質條件的復雜性,隧道基底或周邊可能存在影響結構安全的隱伏巖溶,有必要開展隧道基底及周邊隱伏巖溶探查。

1.6 巖溶路塹基底隱伏巖溶探查

巖溶路塹Ⅰ線長約30 km,Ⅱ線長約6 km,路塹基底可能存在影響路基穩定的隱伏巖溶,有必要在路塹施工開挖到位后進行基底隱伏巖溶探查。

2 施工階段施工地質工作方法

宜萬線的地質勘察工作采取的是遙感判譯為先行,地質測繪和巖溶水文地質調查為基礎,開展綜合地質勘探,以物探和適量鉆探為主要勘探手段,輔以必要的測試、試(化)驗和重要水點及氣象的長期觀測等綜合性的勘察方法。施工階段地質的變化主要是某一單項工程或某一明挖基礎、樁基等單個工程的局部變化,施工階段補充地質勘察的主要目的是為變更設計提供地質依據。因此,施工地質工作采用的方法是以工程地質鉆探(淺孔及深孔)為主,但針對重大地質災害或存在重大地質問題的復雜工點,則仍應遵循綜合地質勘探的原則。

此外,針對宜萬線深埋巖溶隧道地質條件的復雜程度,為詳細查明隧道掌子面前方異常體、重要界面、斷層的具體位置,驗證突水突泥的位置、段落和規模,修正設計,指導施工,確保施工安全、順利的進行,制定了《宜萬線復雜隧道施工地質實施細則》,提出了在施工階段地質工作的不同要求,明確要求采用TSP203、地質雷達、紅外探水、超前水平鉆等手段進行綜合超前地質預測預報工作。這些都是施工階段重要的、不可或缺的地質工作方法。

3 施工地質勘察原則

宜萬線巖溶隧道施工揭示的溶洞數量多、規模大、水壓高；巖溶發育地區的橋梁、路基等工點揭示的地質變化多；橋隧相連高陡巖坡不良地質多見。因此,施工地質工作的總體原則應以“規避風險、確保安全、抓住重點、突破難關、合理運用綜合地質勘探手段,查明地質條件”為主。

3.1 溶腔基底及復雜巖溶橋重點墩臺施工補勘原則

按初勘及詳勘分階段進行補勘,初勘時以探查溶腔邊界及發育深度為主；詳勘階段則根據工程處理措施,逐樁勘探,鉆探深度應滿足工程處理要求。

3.2 深埋復雜巖溶隧道高風險地段施工階段加深地質勘察原則

針對巖溶水文地質條件異常復雜、僅靠洞內超前探查仍存在風險的地段,應補充加深地質勘察,重點進行地表物探結合深孔鉆探工作,繼續做好勘察階段延續下來的重要水點的觀測工作。根據施工揭示的溶洞、溶蝕裂隙管道等巖溶形態特征和發育規律，以及巖溶水流量系統觀測資料,進一步分析巖溶水文地質特征,詳細查明前方地質條件,提出地質預測預報意見,指導隧道高風險地段的安全施工。

3.3 巖溶路塹基底隱伏巖溶探查原則

對所有巖溶路塹基底進行隱伏巖溶探查,單線路塹采用二條測線貫通,雙線、多線路塹,適當增加測線數量,測線距一般為3～5 m。

對重大物探異常安排鉆探進行驗證。每公里驗證孔不少于5孔,驗證孔深不大于15 m,不小于10 m,個別特殊情況根據需要確定。

3.4 巖溶隧道基底隱伏巖溶探查原則

根據既有勘察資料、施工地質超前預測資料以及施工前巖溶探查結果,先將巖溶隧道劃分為不同的復查等級,然后再按不同的地質條件進行探查和驗證(見表1)。

4 宜萬鐵路施工地質工作效果

4.1 施工階段完成的主要勘察工作量

宜萬線歷經多次勘察,投入了大量的人力、物力和財力,完成了大量的勘探工作量,提供了較為翔實的地質資料。施工階段又根據進展及揭示地質情況,補充進行了大量的地質調查、物探、勘探及測試試驗等綜合勘探工作。完成的主要工作量見表2。

4.2 施工階段施工地質工作取得的主要效果

通過上述貫穿于宜萬鐵路整個施工過程的施工地質工作,補充進行了大量的工程地質調查、勘探(鉆探、物探)、以及必要的測試試驗等工作,編制了《宜萬線復雜隧道施工地質實施細則》、《宜萬鐵路復雜巖溶隧道基底及周邊和巖溶路塹基底隱伏巖溶探查實施細則》、《宜萬鐵路施工階段核實地質補充內容及要求》、《宜萬鐵路地質勘察資料清查報告》、《宜萬鐵路安全風險排查報告》、《宜萬線復雜巖溶隧道設計排查報告》等一系列施工地質文件,以及各工點的地質補充勘察資料,指導并運用于宜萬線的施工地質工作,為宜萬線變更設計、復雜巖溶隧道水文地質條件分析、地質災害搶險及其治理提供了詳實的地質資料,成效顯著。

表1 巖溶隧道基底隱伏巖溶探查原則

注:在巖溶復查過程中,根據復查的物探成果資料或鉆探驗證資料,顯示存在重大物探異常或發育大型溶腔,應適當提高其復查等級，增加相應的探測工作。

表2 施工階段完成的主要勘察工作量

4.3 溶腔基底補勘取得主要的效果

全線隧道在施工中已揭露約900余處巖溶,其中溶腔約占90%；裂隙約占3%；管道約占7%。有的巖溶發育深入在隧底,影響工程安全，需研究采取樁基承臺、跨越結構、換填、鋼管樁、基底注漿等措施處理。針對施工中揭示的巖溶,通過施工地質工作,詳細查明了其形態特征、水量、水壓與降雨量的動態變化特征等,分析評價了其穩定性及水文條件的改變對工程的影響等,并根據結構處理方案,詳細補勘,為隧道結構通過巖溶地段提供地質依據。

如五爪觀隧道從大型暗河下部通過,風險顯而易見。通過施工階段進行的探洞、洞內EH-4物探及鉆探等補充地質勘探工作,查明隧道穿越暗河段堆積體厚度為7.7～20.9 m,堆積體成分主要由卵石土、塊石土及粉質黏土夾礫砂等組成。采取清除堆積體、暗河內鋪設鋼筋混凝土底板、設排水渠及擋水壩,將暗河大廳分散水歸槽導流后,再對暗河下的堆積物進行注漿加固，隧底采用鋼管樁加固，襯砌結構采用加強型復合襯砌及全包防水等綜合加固措施后,安全通過暗河,成功規避了施工風險。

4.4 復雜巖溶橋重點墩臺施工階段加深地質探查取得的主要效果

全線橋梁195座/52.948 km,約占全線總長的14%；其中巖溶橋117座,占全線橋梁數的60%,跨越峰(丘)叢洼地、溶蝕-侵蝕峰叢溝谷、溶丘洼地和巖溶槽谷、巖溶槽谷、巖溶溝(峽谷)等,不少橋梁都位于復雜巖溶發育區,施工中部分墩臺揭示巖溶異常發育,如長巴河大橋2號墩，冷水橋特大橋3號、4號墩等。通過補勘,進一步查明了橋基底巖溶形態、發育深度及水文地質特征等,為墩臺基礎設計提供準確的地質資料。

如長巴河大橋2號墩在樁基施工過程中發現樁底發育溶洞,孔內涌水，發生塌孔，地表產生裂縫等。勘察階段對2號墩已逐樁鉆探,出現問題后,又在2號墩各樁樁側補充進行了加深地質鉆探,共鉆探28孔/2 597 m。根據地質補鉆,結合地表勘察資料,綜合分析2號墩位于深部長巴河暗河主通道上,暗河為充水腔體,其暗河規模(寬度)涉及整個墩位。孔內漏漿可能是由于存在裂隙、側壁溶洞等原因所致；多次漏漿反復填充后仍難以成孔則是由于塌孔導致底部覆蓋層松動引起。由此提出了樁基設計、施工的地質處理意見。

4.5 深埋復雜巖溶隧道高風險地段施工地質工作取得的主要效果

施工階段根據深埋復雜巖溶隧道高風險地段的風險特點及等級,重點通過系統觀測、測試和分析研究其巖溶水文地質特征,在對高風險點及其影響區域進行地表調查、地面物探及洞內探測(探洞、物探及鉆探)的基礎上,布置必要的深孔鉆探及相應的測試及試驗工作,全面分析既有地質資料,補充、修正、完善隧道的地質分析及評價,為高風險地段的超前預報、整治措施、制定搶險預案等提供了科學依據。取得的主要成果有以下幾個方面。

(1)巖溶主要類型及其地質風險分析研究

通過施工階段地質工作,系統研究、分析、總結了宜萬線巖溶隧道高風險地段巖溶主要類型及其地質風險(表3),為高風險地段的災害預報及施工處理提供了準確的地質依據。

表3 宜萬線巖溶隧道高風險地段巖溶主要類型及風險

(2)劃分了巖溶隧道風險等級及風險施工管理等級

宜萬鐵路隧道127座,共計240.994 km,其中巖溶隧道約占75%,通過施工階段地質調繪、水文地質調查、物探、鉆探、測試試驗等加深地質探查工作,根據每座隧道可能發生突涌水突泥地段、規模、危害程度等，劃分了A、B、C三個地質風險等級(見表4)。

按照每座隧道的工程地質、水文地質條件,發生突涌水突泥的幾率、規模、危害程度等,確定其風險施工管理等級。其中可能出現大規模巖溶突水突泥的隧道為Ⅰ級風險隧道(共8座)；可能出現局部突泥突水或大型干溶腔隧道為Ⅱ級風險隧道(共13座)；其他施工風險較低的為Ⅲ級風險隧道。根據各隧道不同段落的地質風險等級,制定相應的超前預測預報手段、安全進洞條件、防災報警措施及結構處理措施,起到了突出重點、有的放矢、防范風險的目的。

(3)查明了深埋復雜巖溶隧道高風險地段巖溶地質條件

在施工階段通過加深地質工作,進一步查明、核實了野三關隧道602富水溶腔段、F18斷層、④號暗河支管道、大支坪隧道990富水溶腔、云霧山隧道617富水溶腔群、562大型充填溶腔、馬鹿箐隧道PDK255+978富水溶腔、齊岳山隧道PDK363+537溶腔突水、DK366+300～DK365+450段高壓裂隙水、得勝場槽谷段、五爪觀隧道穿越暗河段等深埋復雜巖溶隧道高風險地段的巖溶地質條件,為隧道結構設計提供了可靠的地質依據。

如齊岳山隧道得勝場槽谷段是全線巖溶水文地質條件最復雜的地段,暗河規模大,水量豐富,風險極大。為此在施工過程中,在得勝場槽谷補充進行了巖溶水文地質調查、物探(EH-4、GDP-32、V-6、CT)、孔內攝影、深孔鉆探、測井、水文試驗、水量觀測等工作。通過上述施工階段加深地質探查,進一步細化了得勝場槽谷巖溶區的巖性分層,發現和驗證了巖溶區的多處物探異常,查明了F11斷層的上盤邊界,重新校正了F11斷層位置和斷層寬度,深化了巖溶區巖溶和巖溶水發育特征、F11斷層的水文和工程特性、巖溶暗河與F11斷層的水力聯系及對隧道工程的影響等的認識。

4.6 地形陡峻及受拆遷影響地段的補勘效果

宜萬線地形困難,受地形地物的影響,在勘察階段部分鉆孔未能實施,在施工階段場地平整,施工便道到位后,進行了補充地質勘探。如賀家坪車站內橋梁、冷水橋左線及右線特大橋等,橋址位于陡壁斜坡地段,坡度40～60°,植被發育,人幾乎無法行走,勘察階段部分橋墩難以進行鉆探。在施工進場平整場地后,及時進行了補鉆,為基礎設計提供了地質資料。部分橋墩則位于民房等建筑物內,也需在施工階段征地拆遷后方能進行補鉆。如宜昌東站內部分橋梁位于宜昌城區,分布有眾多的民房等建筑物,部分橋墩在房屋等建筑物拆遷后完成補鉆。

4.7 巖溶隧道基底隱伏巖溶探查、巖溶路塹基底隱伏巖溶探查取得的主要成果

通過系統的基底隱伏巖溶探查,查明了全線巖溶隧道基底和巖溶路塹基底隱伏巖溶的分布、形態、規模及其對運營安全的影響。如彭家坡隧道DK29+430～DK29+452段在鋪底后仍發現隧底下3～15 m串珠狀巖溶發育；長巴隧道鋪底仰拱均完成后復查發現某段隧底以下2.5 m發育巖溶空洞；王家嶺Ⅰ線隧道某段鋪底后復查發現5.2～8.8 m串珠狀巖溶空洞。同時,經復查還發現了一些存在一定安全隱患的巖溶發育地段,如汪家寨隧道、高坪隧道復查發現的某段隧底以下8～16 m范圍內串珠狀充填型溶腔發育,高陽寨隧道周邊巖溶異常發育等。此外,在灰巖段路塹基底的探查中更是發現了很多大型、特大型溶腔,如DK349+541基底下0.4～17.3 m為串珠狀溶洞；DK224+120基底下1.2～8 m為巖溶空洞等。針對復查出的問題,提前采取了注漿、回填混凝土、蓋板及樁基礎等工程措施進行處理,消除了安全隱患,為確保運營安全奠定地質基礎。

以宜萬線巖溶隧道和路塹基底隱伏巖溶探查為依托,開展了“高分辨率物探技術在隧底巖溶復查中的應用研究”,并運用研究成果,采用地質雷達(或地震單點反射法)與地震面波法等兩種或兩種以上的方法成功地對宜萬線進行了隱伏巖溶進行綜合探查。工后巖溶隧道及路塹基底隱伏巖溶探查工作在路內外尚屬首次,通過大量的現場試驗工作,首次研究總結了采用地質雷達法與地震單點反射法進行隧道隱伏巖溶綜合復查,采用地質雷達法及地震面波法對路塹基底巖溶進行綜合探測,具有一定的創新意義和實用價值。

5 結束語

施工階段的施工地質工作在相關勘察規范中有明確要求,但往往并不重視,其除與相關參建單位地質人員不足、技術力量薄弱有限外,也與施工地質工作與施工交叉、現場地質調查與施工工期矛盾突出有關。可喜的是宜萬線的施工地質工作全面、系統,通過溶腔基底補勘、隧道基底和路塹基底隱伏巖溶探查、地質復雜巖溶橋重點墩臺施工階段加深地質勘探、深埋復雜巖溶隧道高風險地段施工階段加深地質勘察及地形陡峻及受拆遷影響地段的補勘等,在實際施工過程中摸索出了一整套操作性強的管理措施和方法,規避了許多安全風險,為宜萬鐵路的順利建成奠定了基礎。

復雜山區鐵路的施工地質工作要抓住控制鐵路工程安全的主要地質問題,分析、研究影響這些主要地質問題的內外因素,并在施工地質工作中重點監控。復雜山區鐵路施工地質工作的重點和難點主要有：

(1)重點監測、分析、研究復雜巖溶隧道施工過程中巖溶水文地質條件的變化。

(2)巖溶發育地段的地質補鉆,這里要強調地質補鉆的時效性,否則變更設計時效性難以保證,勢必嚴重影響施工進度。

(3)基底及周邊隱伏巖溶的探查及處理。

(4)高陡巖質邊坡隱蔽結構面的核查：特別要重視對控制巖體穩定的隱蔽節理的勘探,加強對各種不利結構面的核實、核查,及時發現問題及隱患,及時處理,避免出現安全問題。

建設單位要高度重視復雜山區鐵路建設過程中的施工地質工作,以相關規范要求為基礎,制定適應本項目的施工地質管理制度和辦法,明確各方的責、權、利,共同做好施工地質工作,只有這樣才能有效規避風險,確保安全。在宜萬線的施工過程中,有的單位認為施工地質工作只是勘察設計單位的事,在基礎地質核查確認、開挖揭示不利結構面核查、掌子面地質素描等工作中的責任和安全意識不強,參與的積極性不高,記錄簡單、真實性欠缺,也出現了大大小小不少的安全事故,教訓是深刻的!此外,還存在施工單位、監理單位地質技術力量相對薄弱等問題。因此，對復雜山區鐵路一定要加強現場施工相關地質專業技術人員的引進、培訓,強化施工地質工作,各方共同努力,群策群力,才能確保安全。

[1] TB10012—2007，鐵路工程地質勘察規范[S]

[2] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.宜萬鐵路安全風險排查報告[R].武漢：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2008

[3] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.宜萬線復雜巖溶隧道勘察及綜合整治技術(初稿)[R].武漢：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2009

[4] 鐵道部宜萬指揮部、中鐵第四勘察設計院集團有限公司.宜萬線復雜隧道施工地質實施細則.[R].恩施：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2006

[5] 鐵道部宜萬指揮部、中鐵第四勘察設計院集團有限公司.宜萬鐵路復雜巖溶隧道基底及周邊和巖溶路塹基底隱伏巖溶探查實施細則[R].恩施：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2006

[6] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.宜萬線復雜巖溶隧道設計排查報告[R].武漢：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2006

[7] 曹柏樹,李小和.宜萬線主要工程地質問題及勘察方法[J].巖土力學及工程學報，2006(9)