中國鐵路隧道勘察技術(shù)的發(fā)展與展望

　　摘要：在收集整理大量文獻(xiàn)研究資料的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)回顧中國鐵路隧道地質(zhì)勘察技術(shù)的起步、發(fā)展、技術(shù)突破及創(chuàng)新3個(gè)階段;分析遙感、地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆探、原位測試、巖土試驗(yàn)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、綜合勘察等隧道勘察技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀;根據(jù)隧道建設(shè)的需求和勘察技術(shù)水平，分析并提出深埋地質(zhì)復(fù)雜山區(qū)鐵路隧道、超長深水跨海鐵路隧道、高速鐵路隧道勘察技術(shù)面臨的挑戰(zhàn);結(jié)合現(xiàn)今科學(xué)技術(shù)水平及未來發(fā)展趨勢，提出隧道勘察技術(shù)在勘探方法及裝備、深部巖體數(shù)字化原位測試技術(shù)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)、鐵路隧道信息化、智能化勘察技術(shù)等方面的發(fā)展前景。分析認(rèn)為，中國鐵路隧道地質(zhì)勘察技術(shù)將朝著更加廣域、高效、精準(zhǔn)、智能的方向發(fā)展，且必將取得更大突破。

　　關(guān)鍵詞：鐵路隧道;工程地質(zhì);勘察技術(shù);遙感;地質(zhì)調(diào)繪;物探;鉆探;原位測試;巖土試驗(yàn);超前地質(zhì)預(yù)報(bào);綜合勘察;信息化勘察;智能化勘察

　　0引言

　　隧道是一種修建于地下巖土體中的工程構(gòu)筑物，按功能可分為交通、水工、市政、礦山、軍事隧道，是人類開發(fā)利用地下空間的一種形式。鐵路隧道勘察技術(shù)是隧道工程技術(shù)的重要組成部分，是制約和控制隧道建設(shè)技術(shù)水平的因素之一。

　　21世紀(jì)以來，鐵路隧道勘察技術(shù)得到了快速發(fā)展，在充分利用航空、航天遙感圖像資料和區(qū)域地質(zhì)資料進(jìn)行地面地質(zhì)調(diào)查測繪的基礎(chǔ)上，合理使用鉆探、物探、原位測試等各種勘察手段，針對鐵路隧道不同地形、地質(zhì)條件和不同的工程地質(zhì)問題及勘察階段技術(shù)要求，以最佳的勘察方法組合模式實(shí)現(xiàn)一體化綜合勘察。隨著中國鐵路隧道的建設(shè)，特別是西部地區(qū)以川藏鐵路為代表的重大鐵路工程的實(shí)施，深埋長大隧道數(shù)量越來越多，規(guī)模越來越大，加之西部地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件，隧道地質(zhì)勘察工作面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。

　　同時(shí)，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、5G技術(shù)的迅猛發(fā)展，在機(jī)械化與信息化高度融合的基礎(chǔ)上，亟需發(fā)展具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自實(shí)施功能的智能化勘察技術(shù)。諸多專家和學(xué)者對鐵路隧道勘察技術(shù)進(jìn)行了探討和實(shí)踐，促進(jìn)了中國鐵路隧道勘察技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，但相關(guān)報(bào)道多針對某一具體隧道工程或某類勘察技術(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用，而針對中國鐵路隧道綜合勘察技術(shù)的發(fā)展過程及趨勢討論的文獻(xiàn)相對較少。因此，本文通過回顧鐵路隧道勘察技術(shù)的發(fā)展歷程，分析隧道勘察技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)，并提出隧道勘察技術(shù)的發(fā)展方向。

　　1中國鐵路隧道勘察技術(shù)發(fā)展歷程

　　古代的隧道建造根據(jù)建設(shè)者的經(jīng)驗(yàn)積累，沒有單獨(dú)進(jìn)行隧道地質(zhì)勘察工作。自20世紀(jì)50年代起，中國才正式開展隧道地質(zhì)勘察工作。新中國成立后，勘察方法逐漸豐富，勘察技術(shù)愈發(fā)成熟，綜合分析日臻完善，為隧道建造提供了有力的技術(shù)支撐。

　　1.1起步階段

　　為20世紀(jì)50年代。新中國成立后，自1953年開始在鐵路正式開展工程地質(zhì)工作，但當(dāng)時(shí)由于鐵路工程地質(zhì)工作處于起步階段，機(jī)構(gòu)體制不健全，規(guī)章制度不完善，機(jī)具、儀器設(shè)備短缺，技術(shù)水平低，只能邊干邊摸索。1955年以后，隨著勘察機(jī)具如機(jī)動鉆機(jī)、人力鉆機(jī)、電測深、電測剖面、電阻法測井和自然電位測井等物探設(shè)備的增加，遙感地質(zhì)工作開始起步，航測技術(shù)開始用于鐵路越嶺地段選線。該時(shí)期勘察工序、測繪方法、操作規(guī)程、勘測資料內(nèi)容、檢查驗(yàn)收等逐步進(jìn)入正軌，廣大地質(zhì)專業(yè)人員的技術(shù)和業(yè)務(wù)水平有了較大程度的提升[1]。

　　在20世紀(jì)50年代的隧道工程地質(zhì)勘察、設(shè)計(jì)和施工中，解決了許多復(fù)雜的工程地質(zhì)問題，且積累了較豐富的隧道工程地質(zhì)勘察經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。然而，受制于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，鐵路選線側(cè)重于考慮地形條件，修建的山區(qū)鐵路隧道多為沿河傍山的短隧道群，越嶺地區(qū)選線為了縮短隧道長度，以低埡口穿越為首選方案，這些地區(qū)多是地質(zhì)條件較差的地段，給隧道施工及運(yùn)營留下了隱患。

　　1.2發(fā)展階段

　　為20世紀(jì)60—70年代。在這一時(shí)期的鐵路建設(shè)中，逐步認(rèn)識到地質(zhì)工作的重要性。西南川黔、貴昆、成昆三大鐵路干線的建設(shè)，使隧道數(shù)量猛增，迎來了隧道建設(shè)的大發(fā)展。隧道勘察開始重視越嶺隧道方案的比選，地震勘察廣泛應(yīng)用于鐵路隧道勘察中。

　　為查明鐵路通過地區(qū)的工程地質(zhì)條件，選好線路方案，采用地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、挖探、物探、水土試驗(yàn)相結(jié)合的方法，為隧道工程設(shè)計(jì)提供成套的地質(zhì)資料，并組織地質(zhì)工作者參加施工，與施工人員一起解決施工中出現(xiàn)的各種工程地質(zhì)問題�？辈祀A段在查明洞身工程地質(zhì)條件的同時(shí)，對洞身涌水也進(jìn)行了簡單的水文地質(zhì)計(jì)算，但因勘察資料、計(jì)算參數(shù)及計(jì)算公式都存在一些問題，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際出入較大。

　　1.3技術(shù)突破和創(chuàng)新階段

　　為20世紀(jì)80年代后。這一時(shí)期的隧道地質(zhì)勘察積極引進(jìn)國外新技術(shù)，掌握新手段，將地質(zhì)力學(xué)、環(huán)境工程、數(shù)學(xué)地質(zhì)、模糊數(shù)學(xué)、電子計(jì)算機(jī)等技術(shù)應(yīng)用于鐵路隧道工程的勘察設(shè)計(jì)中，在鐵路工程勘察設(shè)計(jì)和施工中不斷總結(jié)，形成了隧道鉆爆法、TBM施工地質(zhì)勘察成套技術(shù)，鐵路隧道勘察和建造取得了技術(shù)突破和理論創(chuàng)新。

　　該時(shí)期重視隧址的選擇，開展地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)及越嶺地段的隧道方案比選工作，形成了高烈度地震區(qū)、活動斷裂帶、高地溫、凍土、黃土等復(fù)雜地形地質(zhì)艱險(xiǎn)山區(qū)及海底隧道防災(zāi)減災(zāi)選線成套技術(shù)。地質(zhì)勘察普遍采用“空天地”一體化綜合勘察，并針對重難點(diǎn)地質(zhì)問題開展專項(xiàng)地質(zhì)勘察。在設(shè)計(jì)方面，從單一功能設(shè)計(jì)發(fā)展到綜合功能設(shè)計(jì)，進(jìn)一步完善了隧道支護(hù)理論與方法，提高了支護(hù)的合理性與有效性。在施工方面，形成了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、施工作業(yè)、監(jiān)控量測的隧道施工綜合技術(shù)體系，成功地解決了隧道施工中面臨的各種地質(zhì)問題，打通了一座又一座工程艱巨、技術(shù)復(fù)雜的隧道[2]。

　　2中國鐵路隧道勘察技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，遙感、物探、鉆探、測試等技術(shù)和設(shè)備發(fā)展迅速，相繼從國外引進(jìn)并開發(fā)一批先進(jìn)的、數(shù)字化的高分遙感、物探、鉆探、挖探、原位測試技術(shù)及室內(nèi)試驗(yàn)儀器設(shè)備，計(jì)算機(jī)技術(shù)在數(shù)據(jù)采集、處理和制圖等方面的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)地質(zhì)勘察技術(shù)發(fā)生全新改觀，鐵路地質(zhì)工作的主要勘察手段有了較大的變化。

　　鐵路工程地質(zhì)工作者進(jìn)行了長期的、艱苦的努力，打破了傳統(tǒng)的以地面調(diào)繪和鉆探為主的勘察技術(shù)模式，采用不同階段隧道工程“空天地”一體化綜合勘察技術(shù)，逐步形成了標(biāo)準(zhǔn)化的組合模式和工作程序，促進(jìn)了新技術(shù)方法的有效應(yīng)用，從整體上提高了鐵路隧道地質(zhì)勘察的質(zhì)量和效率。

　　2.1遙感技術(shù)隧道勘察的首要工作是遙感地質(zhì)解譯。鐵路遙感技術(shù)(航天遙感和航空遙感)的應(yīng)用緊密結(jié)合鐵路建設(shè)的實(shí)際，遙感解譯成果直接為鐵路勘察設(shè)計(jì)服務(wù)。通過生產(chǎn)實(shí)踐，遙感片種從原來的黑白航空像片，發(fā)展到利用各種航空遙感圖像和高分辨率航天遙感圖像相結(jié)合，以及雷達(dá)遙感圖像的處理和解譯;應(yīng)用范圍從初期的僅應(yīng)用于鐵路線路前期方案研究，發(fā)展到應(yīng)用于隧道工程施工和運(yùn)營階段;解譯方法從目視定性解譯、靜態(tài)解譯，發(fā)展到計(jì)算機(jī)自動分類、定量解譯，以及靜態(tài)解譯和動態(tài)解譯相結(jié)合的解譯方法[3-5]。

　　2.2工程地質(zhì)調(diào)繪工程地質(zhì)調(diào)繪是隧道勘察的基礎(chǔ)和重點(diǎn)，隧道勘察的各個(gè)發(fā)展階段均較重視地質(zhì)調(diào)繪工作�，F(xiàn)階段除采用傳統(tǒng)的野外地質(zhì)調(diào)繪方法外，在高寒缺氧、地形陡峻、人員不能到達(dá)地段，結(jié)合高分無人機(jī)測繪、三維激光掃描等新技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)繪，保證了地質(zhì)調(diào)繪的質(zhì)量，提高了工作效率。

　　2.3工程物探技術(shù)

　　現(xiàn)用于隧道地質(zhì)勘探的物探方法幾乎包括目前工程物探所有常用的方法，隨著物探設(shè)備和解譯技術(shù)的發(fā)展，物探技術(shù)日新月異，已成為隧道勘察的重要組成部分。每種物探方法各有自己的特點(diǎn)，在一定的環(huán)境條件下，可以解決特定的地質(zhì)問題[6]。針對特殊或復(fù)雜地質(zhì)問題，往往采用2種或2種以上的物探技術(shù)進(jìn)行綜合分析[7]。在高寒缺氧、地形陡峻、人員難以到達(dá)的線位進(jìn)行地面物探的隧道，如川藏鐵路部分越嶺隧道，航空電磁法在探測斷層、主要巖性界線、破碎軟弱或富水巖體的埋深和規(guī)模、線路方案比選等方面發(fā)揮了不可替代的作用，取得了較好的勘探效果。

　　3中國鐵路隧道勘察技術(shù)面臨的新挑戰(zhàn)

　　隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，隧道建設(shè)重點(diǎn)向地形地質(zhì)條件復(fù)雜的西部山區(qū)和巖溶地區(qū)轉(zhuǎn)移，高海拔、高烈度地震區(qū)、大埋深超長鐵路隧道將越來越多。特別是剛剛開工建設(shè)的川藏鐵路雅安至林芝段，分布有72座隧道，隧道總長約840km。

　　其中，長度在20km以上的隧道有16座，長度在30km以上的隧道有6座，最長的隧道超過40km，埋深超過1000m的隧洞段長610km[11]。隧道位于印度板塊與歐亞板塊強(qiáng)烈擠壓的橫斷山區(qū)，新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈，地形地質(zhì)條件極端復(fù)雜，隧道建設(shè)將要面臨的活動斷裂、硬巖巖爆、軟巖大變形、高地溫、超高壓涌突水等不良地質(zhì)問題十分突出。

　　由于跨區(qū)域交通的需求，東部地區(qū)正在建設(shè)或者規(guī)劃跨海隧道或越江隧道工程，如正在建設(shè)的珠江口水底隧道，汕頭灣、甬舟海底隧道，正在規(guī)劃的瓊州海峽、渤海海峽、臺灣海峽跨海通道等，超長深水跨海鐵路隧道的勘察技術(shù)亟需取得突破。相對于隧道鉆爆法施工，全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)TBM施工方法具有掘進(jìn)速度快、施工擾動小、成洞質(zhì)量好、綜合經(jīng)濟(jì)社會效益高等顯著優(yōu)勢，隨著鉆爆法人力成本的快速增加，未來中國將越來越多地采用掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工。鑒于隧道建設(shè)的現(xiàn)實(shí)需求和現(xiàn)有的勘察技術(shù)水平，隧道勘察技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)主要有：

　　1)在高海拔、大高差、地形陡峻、交通困難、勘探設(shè)備甚至技術(shù)人員難以到達(dá)的位置，隧道工程物探技術(shù)取得了長足進(jìn)步，宏觀或部分解決了一些工程地質(zhì)問題，但物探與隧道工程勘察設(shè)計(jì)所要求的精度還有較大差距。隨著隧道埋藏深度的逐漸增加，地表常規(guī)勘察技術(shù)手段有待提升，對于埋深在2000～3000m以及高地應(yīng)力、高水壓條件下的隧道工程，尚缺乏適宜的勘探測試設(shè)備。

　　2)鐵路進(jìn)入城市后，隧道埋深變淺，周邊環(huán)境復(fù)雜，沉降控制要求高，工程和水文地質(zhì)條件較差，多采用盾構(gòu)法施工。采用TBM法施工是深埋山嶺隧道和跨海隧道的發(fā)展趨勢，相對于常規(guī)的隧道鉆爆法，TBM法和盾構(gòu)法對勘察成果的精度要求更高。3)大埋深超長隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，洞身工程地質(zhì)問題難以査清，隧道施工期間洞內(nèi)塌方、涌水、涌泥、巖爆、瓦斯爆炸等災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，想要對隧道掌子面前方地質(zhì)條件進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)測評估，具有一定的難度。

　　4中國鐵路隧道勘察技術(shù)展望

　　4.1高海拔、大埋深、復(fù)雜地質(zhì)超長鐵路隧道勘探方法及設(shè)備發(fā)展隨著西部地區(qū)鐵路建設(shè)規(guī)模的逐年加大，特別是川藏鐵路雅安至林芝段的開工建設(shè)，使隧道勘察工作面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，要求在工作過程中不斷探索新技術(shù)和新手段。航空物探技術(shù)通過航空飛機(jī)發(fā)射和接收電磁波，探測地下一定深度范圍內(nèi)的各項(xiàng)電磁特性，最大有效探測深度可達(dá)地下2000m，主要用于判釋高寒、高海拔無人區(qū)山體的構(gòu)造破碎帶、地層界線、節(jié)理密集帶、蝕變帶、富水帶、軟弱巖體等工程地質(zhì)特征。(千米級)超深定向鉆探技術(shù)用于山高谷深、雪山密布、施工地點(diǎn)海拔較高、大型鉆探設(shè)備不具備到達(dá)條件的地段，突破“點(diǎn)”勘察為“線”勘察。其他諸如勘探區(qū)域廣、探測深度大、裝備輕便、外業(yè)效率高的廣域電磁法、井地時(shí)頻電磁法、三維地震精細(xì)勘探等新型物探技術(shù)。

　　4.2TBM或盾構(gòu)法施工隧道、水下隧道勘察技術(shù)發(fā)展

　　隧道多采用鉆爆法施工，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，使用全斷面掘進(jìn)機(jī)施工的隧道工程越來越多，在按常規(guī)施工方法(鉆爆法)進(jìn)行勘探測試工作以外，還要結(jié)合全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)選型、設(shè)計(jì)和施工效率等方面的特殊要求[12]，為巖體的完整程度(裂隙化程度)、巖石的磨蝕性等所需的地質(zhì)參數(shù)開展新型勘探和測試技術(shù)研究。水下和城市鐵路隧道應(yīng)加強(qiáng)水文地質(zhì)條件勘察，提供不同工法(鉆爆法、盾構(gòu)法、TBM法、沉管法和堰筑法)所需的參數(shù)[13]，為建設(shè)方案比選提供依據(jù)。水下隧道由于上部覆蓋水體，給地質(zhì)勘察工作帶來較大難度，現(xiàn)場測試勘探技術(shù)還需進(jìn)一步創(chuàng)新，如水域地段采用沿隧道軸線的長距離水平鉆孔勘探，以及利用地質(zhì)導(dǎo)洞進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)等方法。

　　5結(jié)論與體會

　　通過回顧中國鐵路隧道勘察技術(shù)的發(fā)展與歷程，總結(jié)隧道勘察技術(shù)面臨的新挑戰(zhàn)，并展望隧道勘察技術(shù)的發(fā)展方向。

　　1)中國鐵路隧道勘察技術(shù)初步建立了完備的綜合勘察技術(shù)體系，使獲得的隧道地質(zhì)資料更加全面、準(zhǔn)確，以最少的勘察工作量達(dá)到最佳的勘察效果，以查明隧道工程地質(zhì)條件，優(yōu)化線路方案，科學(xué)、可靠地支撐隧道工程設(shè)計(jì)與施工。

　　2)鐵路隧道超深定向鉆探、航空物探、深部巖體數(shù)字化原位測試、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等勘察技術(shù)將朝著更加廣域、高效、精準(zhǔn)、智能的方向發(fā)展，針對特長隧道、深埋隧道、高海拔隧道、大斷面隧道、特殊工法隧道、水下隧道、不良地質(zhì)隧道，構(gòu)建“空天地”一體化綜合勘察技術(shù)體系，提高勘察效率和勘察精度。

　　3)勘察裝備的發(fā)展方向是如何讓設(shè)備更加輕便，功能更加齊全，數(shù)據(jù)采集和處理分析更加數(shù)字化、信息化、智能化，以便更好地滿足中國今后各類鐵路隧道建設(shè)的需要。

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　　作者：杜宇本1，蔣良文2，陳明浩2，王哲威2

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