隧道穿越溶洞群的工程地质勘察技术研究

隧道穿越溶洞群的工程地质勘察技术研究

孔军

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

摘要：本文主要总结成昆铁路峨米段余山隧道DK172+700～DK173+300段溶洞群的施工勘察经验，对隧道穿越溶洞群的各种勘察技术手段进行了较详细的论述，查明溶洞群发育的工程地质条件与水文地质条件，先通过工程物探解译岩溶发育的区域范围以及空间大小，再运用工程钻探方式验证岩溶具体发育情况、溶洞涌水和充泥现象，分析溶洞群发育与地质特征相互关系以及对隧道安全施工的影响。在此基础上，根据隧道开挖情况及时调整施工支护方案，对隧道施工安全及工程保障意义重大，为今后同类工程勘察工作提供参考。

关键词：隧道工程；溶洞群；工程地质勘察技术；应用成果；

中图法分类号  TU45；     文献标志码  A

Research on Engineering Geological Survey Technology for Tunnel Crossing Karst Cave Groups

Kong Jun

（China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031, China,）

Abstract：This paper mainly summarizes the construction and investigation experience of the karst cave group in the Yushan tunnel DK172+700 ~ DK173+300 section of Emi section of Chengkun-Kunming Railway, and discusses in detail the various exploration techniques of the tunnel through the karst cave group, and finds out the engineering geological conditions and hydrogeological conditions of the development of the karst cave group. Firstly, the regional scope and spatial size of karst development are interpreted through engineering geophysical exploration, and then the specific development of karst, water gushing and mud filling in karst caves are verified by engineering drilling methods. Based on the analysis of the relationship between karst cave group development and geological characteristics and the influence on tunnel safety construction, timely adjustment of construction support scheme according to tunnel excavation is of great significance to tunnel construction safety and engineering support, and provides reference for similar engineering investigation in the future.

Key words：Tunneling；Karst cave group；Engineering geological survey technology；Application achievements；

随着高速铁路的快速发展，隧道工程在铁路建设中所占的比例不断提高，而在施工过程中铁路沿线往往需穿越多种复杂的工程地质条件，而溶洞群是隧道施工安全的重大隐患之一，通过对隧道工程中的溶洞群的工程地质勘察技术进行研究，对保障隧道安全施工具有重要的理论意义与工程应用价值。本文就成昆铁路峨米段余山隧道DK171+490～DK174+345段出现的溶洞群为例，通过介绍溶洞群的工程地质勘察技术方法以及应用成果，以期对同类工程有一定的借鉴作用。

余山隧道是新建成昆铁路溶洞群发育典型区域之一，隧道全长2855m，隧址区位于四川盆地成都平原及周围的丘陵和中、高山地的过渡区，地形起伏大，地质结构复杂，区内岩溶发育程度强烈，在长期的风化剥蚀作用下，形成了特殊的地质构造，具有独特的构造特征，是隧道工程研究的重点，在采用多种工程地质勘察技术对区域内岩溶进行充分研究评价后，结合现场溶洞群对隧道影响施工进行分析。在隧道现场施工过程中进行地质补充勘察、物探测试、地下水情况调查收集溶洞分布特征及充填物成分等资料的基础上分析，隧道采取适当的支护措施，如加强支护的刚度、强度和临时支护等加固措施，最终提出了相对应的措施。

1 成昆余山隧道地质背景及工程概况

1.1 余山隧道概况

余山隧道全长2855m，起讫里程为DK171+490～DK174+345，最大埋深330米，隧道进口接路基工程，出口紧邻王四坪双线大桥桥台，隧道地质纵断面如图1所示。

1.2 自然环境条件

余山隧道地处乐山市境内，属成都平原边缘地带，由斜坡丘陵向中高山过度地带，地形起伏不大，地面高程450～800m，隧道最大埋深约330m，自然坡度5～25°不等，局部较陡。地表植被不发育，多被垦为旱地，沟槽等低洼地带覆土较厚。隧道进出口附近有公路相通，交通条件较好。

项目区气候属中亚热带湿润季风气候，气候温和，四季分明，雨量较充沛，日照较充足。由于地形高差悬殊，气候垂直差异明显。气候温暖，可作避寒旅游地。多年平均降水量807.5mm，但时空分布不均，降雨主要为集中降雨方式，为不良灾害气候，易诱发滑、崩塌等不良地质灾害。降水量由东北向西南逐步递减。降水有季节性变迁，夏秋季雨量占全年的80%左右，部份地区年最多降水量达2000mm以上。

1.3 地层岩性及地质构造

隧道范围内地层主要岩性为侏罗系中统J2s2上沙溪庙组泥岩夹砂岩，二叠系上统沙湾组（P2s）页岩夹碳质页岩、上统（P2β）峨眉山玄武岩，下统（P1q+m）灰岩等。

勘察区域范围地质构造较复杂，大多数地段出现地层倒转现象，发育F1断层，沙湾逆冲断层，F2断层，二峨山冲断层。该段位于寒武系中上统二道水组（∈2-3e）白云质灰岩，岩层产状N5～20°W/55～67°SW，产状较陡，节理发育，主要发育二组陡倾节理及一组较缓节理,根据《中国地震动峰值加速度区划图》（GB18306～2001）及四川赛思科技有限责任公司《改建铁路成昆线峨眉至米易段扩能工程区域性地震区划报告》（许可证号中震安证甲字第024号），测区地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期为0.40s。

图1 余山隧道地质纵断面图

1.4 水文地质条件

1）地表水

主要为地表沟水，水塘水及少量水田水，水量随季节性变化较大，沟水旱季流量较小，雨季流量较大。受大气降水补给，以蒸发及地下径流等形式排泄。水质类型均为HCO3-.SO42-—Ca2+.Mg2+型水，对混凝土无侵蚀性。

2）地下水

地下水较发育，主要为基岩裂隙水和岩溶水。基岩裂隙水主要赋存于灰岩、砂岩、玄武岩等基岩的裂隙中，水量较小，埋深较大。岩溶水主要为赋存于可溶岩内的岩溶管道水。根据室内试验结果，该水对混凝土结构无侵蚀性。

3）泉眼暗河

勘察时期对余山隧道地表及周边泉眼及暗河进行了走访调查，距离隧道前进方向2673m-冷水河暗河，距离约958m-原位纯净水厂取水口暗河。隧道进口段周边分布四处暗河出口及岩溶泉点，如表1和图2所示。

图2 现场暗河调查

表1 余山隧道溶洞周边泉点、暗河特征一览表

通过调查分析：2处暗河出口距离余山隧道线位均较远，处于同一山系的两侧，余山隧道揭示溶洞后暗河水未见明显变化与余山隧道发现的溶洞无直接水力联系；泉点Q3，距离余山隧道593m，高差约97m，余山隧道揭示溶洞后泉眼水未见明显变化与余山隧道发现的溶洞无直接水力联系。

泉点Q1、泉点Q2以及泉点Q4均与隧道溶洞有直接关联，隧道施工前泉点内水量充沛，满足当地村名生活及生产使用，隧道通过后割断了山体内流水通道，隧道内水量增加，基本全部断水，对当地的居民生产生活用水影响较大。

2 溶洞工程地质勘察技术

2.1 工程地质调查测绘

（1）现场地表调查

2019.8~2020.7期间，余山隧道DK172+700～DK173+300段隧道穿越寒武系中上统二道水组（∈2-3e）白云质灰岩，地表岩溶弱发育，未见溶洞、溶沟、溶槽、溶缝等岩溶地貌发育。

表2施工阶段揭露溶洞一览表

（2）现场施工开挖

现场施工开挖揭示岩溶该段岩溶强烈发育，揭露5处溶腔，溶腔内均含淤泥及粉细砂填充物，溶腔分布在DK172+772～DK172+780上台阶右拱腰至边墙，DK172+781～DK172+790左拱腰至边墙，DK172+791～DK172+801左拱腰至边墙，DK172+820～DK172+825左边墙，DK172+874～DK172+879左拱腰至边墙，DK173+085～DK173+088隧底，现场溶洞群典型平面分布图见图3和典型断面见图4，具体见表2和现场揭露典型照见图5。

图3 现场溶洞群典型平面分布

图4 现场溶洞群典型纵断面

图5 现场揭露典型溶洞、溶腔

2.2 水文地质观测

2020.8.17至8.18凌晨7:50，乐山市沙湾区出现强对流天气，雨量从中雨至大于再到暴雨，降雨量约182.5mm，导致DK173+085～DK173+088处隧底已揭示出的裂隙空腔内出现水量陡增情况，水流沿隧道纵坡从正洞至横洞口流出；DK172+781~DK172+801段溶洞、DK172+820~DK172+825段溶洞水量无变化。8.18在余山隧道进行水量监测，DK172+772处溶腔水量约146m³/h，涌水量约3500m³/d，DK172+875处溶腔水量约179m³/h，涌水量约4300m³/d，DK173+087.65～DK173+088.35隧底裂隙空腔水量约221m³/h，日涌水量约5300m³/d。

根据水文气象观测统计，2019.8.1～2020.9.30期间完整水文年间最大日降水量为2020.8.18，日降水量为182.5mm。

经过一个完整的水文年的观测，根据余山隧道进口DK172+772~875段涌水量监测记录表，DK172+772处溶腔实测最大水量约为3500m³/d；DK172+781～DK172+791处溶腔实测最大水量约为200m³/d；DK172+820处溶腔实测最大水量约为550m³/d；DK172+875处溶腔实测最大水量约为4300m³/d。根据余山隧道出口DK173+087.65～DK173+088.35处裂隙空腔涌水量监测记录表该处实测最大水量约为5300m³/d，由于成昆线地质复杂，气候多变，水文地质条件复杂，岩溶地段岩溶水及岩溶裂隙水亦是复杂多变，充分考虑到水对隧道后期运营的危害，该段岩溶裂隙水水量应按历年来最大日降雨量来考虑，即按今年洞内实际流量的2.0倍考虑，

故设计DK172+772处溶腔应按7000m³/d流量计算该段最大岩溶管道水;

DK172+781~DK172+801处溶腔应按400m³/d流量计算该段最大岩溶管道水;

DK172+820处溶腔应按1100m³/d流量计算该段最大岩溶管道水;

DK172+875处溶腔应按8600m³/d流量计算该段最大岩溶管道水;

DK173+087.65～DK173+088.35处裂隙空腔应按10600m³/d流量计算该段最大水量。

2.3 工程物探测试

为探测余山隧道DK172+700～DK173+300段岩溶发育和分布情况，在该沿线段运用了地质雷达探测技术测试和电磁波CT3350射线技术测试，物探线布置情况见表3。

物探解译原则：1）在地质雷达断面色谱图中，反射波组振幅变化明显，呈强能量反射团块及双曲线形态，判释为溶洞；2）在地质雷达断面色谱图中，地质雷达反射波组同相轴连续性较差，振幅变化较明显，未见明显团块状强反射，推测岩体较破碎，溶蚀裂隙发育。

表3 物探线布置表

电磁波射线解译原则：1）在电磁波视吸收系数分布图中，把视吸收系数大于0.50Np/m的高值异常区域判释为溶洞；2）把视吸收系数介于0.25Np/m~0.50Np/m的区域判释为溶蚀破碎带。

图6 地质雷达典型剖面解译

图7 地震CT速度典型断面图

按上述物探解译原则，对余山隧道DK172+700～DK173+300段各测线范围雷达深度剖面图进行解译，见图6和图7，其具体成果见表4。

2.4 工程钻探

针对物探解译结果对WT2测线DK172+817.8～+824.7段和WT3测线DK172+774～+779.4段布设了3个孔地质钻孔验证，进一步探明及验证溶洞附近隧底地质情况，钻探验证结果均为较完整的白云质灰岩，未见有溶蚀破碎带及溶洞。

图8 现场钻孔揭露典型溶洞照片

根据物探解译成果在DK172+880～DK172+900段及DK173+075～DK172+095段存在岩溶破碎带及溶洞，针对物探成果及实际施工揭示地质情况对该段布设了21个孔地质钻孔，进一步探明溶洞附近隧底地质情况，有溶洞的钻孔统计结果见表5和图8。

表4 地质雷达深度剖面图解译成果表

表5 地质钻孔揭露溶洞统计表

3 溶洞群对隧道施工作业影响

洞穴群是一种特殊的地壳地质现象，形态、规模和分布特征均具有多样性，给隧道建设带来了诸多挑战。

3.1 岩溶溶洞规模、地质条件

不同类型的溶洞对隧道施工有不同的影响。对于干溶洞，施工时注意地下水和围岩的稳定性。针对岩溶洞穴环境，考虑施工过程中可能发生地下水渗漏的情况下，提出相应防渗措施。

对于小规模的溶洞，施工方案相对简单，但在开挖深度、开挖范围和支护材料的选择上需严格控制。但是在大型洞窟中，不仅增加了施工难度，而且对支护结构提出了更高的要求。需采取大直径锚索和钢筋混凝土支护系统以及特殊的施工设备扩大开挖空间。同时为了确保隧道的整体安全，还应采取先进的监测技术，及时发现、解决隧道失稳问题。

岩溶溶洞分布不均，给隧道施工提出很大的挑战。对喀斯特洞穴分布规律的认识，不仅需要精确地确定位置，还需要对地质结构进行深入认识以及进行精细的地下水活动研究才能采取合理的支护体系及合理的降水措施，才能避免因溶洞而引起的地层坍塌与地面沉降，降低施工风险，保证隧道工程的安全顺利进行。

3.2 岩溶溶洞对隧道施工的影响

在隧道建设过程中，现场正在施工照片见图9，地下洞室突水涌砂是常见的地质灾害之一。隧道开挖至溶腔附近时，由于溶腔内水压、土压力等因素，容易诱发地下水及砂性土的突涌，给工程建设带来巨大的安全隐患。

图9 隧道现场正在施工照片

由于地下洞室群的存在，对隧道支护结构的稳定性有很大影响，本工程采用隧道支护结构设计方法。由于溶洞内空间巨大，在施工过程中常会遇到溶洞周围的薄弱部位，从而引起支护结构的不稳定甚至坍塌。为保证隧道支护结构的稳定，应采取适当的支护措施，如加强支护的刚度、强度和临时支护等。

由于地下洞室的存在，影响了隧道的施工进度，降低了费用。地下洞室群的围岩结构复杂多变，施工过程中存在着许多技术难题与安全风险，导致工程工期延误、投资增加。

3.3 应用措施成果分析

通过应该工程地质勘察技术手段调查余山隧道DK172+700～DK173+300溶洞发育情况，针对每个工点具体措施如下：

1）DK172+772～DK172+781段，围岩等级由Ⅳ级变更为Ⅴ级，衬砌类型由Ⅳb型复合式衬砌调整为Ⅴb型复合式衬砌调，支护采用全环I20b型钢钢架，间距0.8m每榀；超前支护采用拱部φ42双层小导管，环向间距0.4m，每环46根，每根长4.5m，纵向3.2m/环，大外插角小导管；钢架连接采用14槽钢连接，开挖采用三台阶法加临时仰拱。

2）DK172+781～DK172+801段围岩级别由Ⅲ级变更为Ⅴ级。该段衬砌类型由双线Ⅲa1型复合式衬砌调整为双线Ⅴc复合式衬砌，支护拱墙采用I20型钢钢架，纵向间距0.6m/榀，超前支护拱部采用φ42超前小导管，纵向间距3.0m/环，环向间距0.4m，共计46根，每根长4.5m，开挖工法采用三台阶法施工。

3）DK172+821～DK172+841段围岩级别由Ⅲ级变更为Ⅳ级。该段衬砌类型由双线Ⅲa1型复合式衬砌调整为双线Ⅳb复合式衬砌，支护拱墙采用I18型钢钢架，纵向间距1.0m/榀，超前支护拱部采用φ42超前小导管，纵向2.0m/环，环向间距0.5m，共计36根，每根长3.5m，开挖工法采用台阶法或三台阶法施工。

4 结论

本文以成昆铁路峨米段余山隧道穿越溶洞群为例，通过工程地质调查测绘、水文地质观测、工程物探测试、工程钻探手段等工程地质勘察技术方法对沿线岩溶发育范围及空间形态、溶洞充水、充泥情况的分析研究，主要得出以下结论：

（1）通过工程地质勘察技术方法对调查沿线岩溶发育情况及其特征，为隧道施工提供了可靠的地质依据，同时制定一套合理、科学的施工方案，为保证隧道施工安全。

（2）岩溶溶洞分布不均性、形态不一，为工程勘察与隧道施工增加了难度，需加强对施工阶段开挖掌子面情况监测，确保施工安全。

（3）在岩溶发育强烈地区隧道建设工程中，需及时根据隧道开挖情况调整施工支护方案，对隧道施工安全及工程保障意义重大。

参 考 文 献

[1] 蒋良文, 许佑顶, 许模. 高速铁路复杂岩溶地质勘察与灾害防治[M]. 北京: 科学出版社, 2021.

[2] 铁道部第二勘测设计院. 岩溶工程地质[M]. 北京: 中国铁道出版社, 1984.

[3] 李开兰, 王明慧, 王秋, 等. 羊角一号隧道大型半充填溶洞处理措施研究[J]. 高速铁路技术, 2019, 10(6):91-95.

[4] 中铁二院工程集团有限责任公司. 余山隧道DK172+700～DK173+300

溶洞地质勘察报告[R]. 成都:中铁二院工程集团有限责任公司,2020.12.29

[5]张守周.隧道穿越大型充填型溶洞的工程地质勘察技术研究[J].铁道勘察,2009,35(05):64-68.

[6]代伟,李贺勇.隧道深埋大型充填型溶洞施工技术[J].隧道建设,2009,29(06):689-693.

[7]王嘉炜.富水喀斯特隧道穿越大型溶洞施工关键技术研究[J].工程技术研究,2024,9(04):61-63.

[8]王青川,刘科,刘雄伟.高速铁路隧道穿越大型溶洞勘察及工程整治技术[J].高速铁路技术,2023,14(04):108-114

作者简介：孔军，1971年2月出生，男，高级工程师