浅析铁路隧道地质判识与动态设计的关系

浅析铁路隧道地质判识与动态设计的关系

黄波1 ,田佳1 ,龚鹏2

(1.中铁一局集团第五工程有限公司，陕西 宝鸡 721006；

2.武九铁路客运专线湖北有限责任公司，湖北 武汉 430200 )

摘 要：本文通过阐述铁路隧道工程设计阶段地质勘察探测、施工阶段超前地质预报判识的手段、方法和结果的精准程度，以及动态设计管理的流程和程序，通过地质勘察成果、超前地质预报结果与动态设计关系的研究探讨，将隧道工程不可预见的地质风险降到最小，实现设计施工一体化管理，提升铁路隧道工程项目建设管理水平，保证隧道工程的安全、质量全面受控。

关键词：隧道工程；地质判识；超前地质预报；动态设计；设计施工一体化。

0前言

隧道工程设计、施工均位于地下或山体内部，其受地形地貌、地质岩性、水文情况影响极大，地质水文设计和勘察的深度，不良地质探察的精度，直接与施工安全息息相关，是隧道工程成败的关键。隧道工程地质判识从初步设计阶段开始，通过调研国家地质资料、现场地质勘察、各类物探钻探手段应用，取得初步设计阶段隧道工程地质、水文资料，作为施工图设计阶段隧道工程设计依据。

现场实践地质勘察过程中，往往因为时间短、任务紧，地质勘察的各类手段相互覆盖及验证的段落有一定的局限性，且受地形地貌条件、海拔高度及气象情况限制，部分段落不能实现多种探测手段相互印证，如川藏铁路，部分隧道工程所处山脉海拔高、常年积雪，且有极端天气伴随，相关勘察手段难以全面覆盖。因此，地质勘察工作的进一步深化，需在施工阶段进行实施，结合施工阶段超前地质预报技术手段，实际隧道开挖揭示情况，进行动态设计，实现设计意图的补充和完善，以确保施工安全受控，通过对过程地质资料的分析判识，也为后续工程提供参考和借鉴。故隧道工程施工阶段地质判识与动态设计工作息息相关、相辅相成，也为施工现场能够实现风险预判和应急处置提供更加精准的依据，施工过程中必须处理好两者之间的关系，做到精准判识、快速设计、措施得当、施工及时，最终实现隧道工程施工安全全面受控、不出事故。

1当前现状分析

随着我国铁路建设事业的蓬勃发展，近年来无论是隧道工程的施工规模还是运营里程长度，均已是世界首位，且因我国地处亚洲大陆东端，属亚欧板块与太平洋板块交界地带，全国地势西高东低呈现阶梯状分部，世界上的各类地质状态、水文情况均有体现，如号称世界地质博物馆的成昆铁路、青藏铁路、新疆环塔里木铁路环线、哈伊高铁等，涉及了地质断裂带及不良岩土、高原雪山、沙漠隔壁、常年冻土等多种复杂的地质地貌区。

根据我国《铁路工程地质勘察规范》、《铁路工程不良地质勘察规程》规定，工程地质勘察应编制勘察大纲，采取遥感地质解译、工程地质调绘、物探、钻探简易勘探及取样、原位测试、室内试验及相关资料综合分析和地质条件评价等手段，获取工程地质水文资料，作为设计依据。在地质勘察设计过程中，对地质水文资料的评价主要采取定性与定量相结合的综合分析法，受当前技术条件限制，实际多以定性为主定量为辅，开展各设计阶段地质勘察设计工作。

对于地质复杂的隧道工程，尤其是有不良地质段的岩溶隧道、软岩隧道、富水破碎带、高地应力及有害气体的隧道，均需要施工阶段地质判识及工后评价，进一步完善设计，采取有效的加固和支护措施，确保隧道工程施工安全。因此，地质判识的精度、速度和深度，与动态设计密不可分，理清两者的关系，更好的贯彻建设工程“先批准、后变更,先设计、后施工”的管理程序。

2隧道地质判识方式方法

隧道工程地质判识一般分为设计阶段、施工阶段、工后总结三个阶段，各阶段相互依托、相辅相成、相互补充，均为设计服务，为风险评估、判识提供基础依据，为施工安全保驾护航。地质判识应坚持多手段并用、相互印证、持续总结、不断改进提升，各阶段判识方式方法也均不同，具体判识方式方法如下：

设计阶段：主要是先整体、再分部、后分段的地质勘察设计原则，其中遥感图像地质解译主要是通过卫星遥感和航空遥感技术，实现区域内总体地形形貌大陆板块的宏观分析评价；工程地质调绘地勘人员深入现场调查地表围岩特性、水文情况；物探、钻探简易勘探及取样主要是对异常区段的补充探查手段，实现地质情况进一步确认分析，尤其是地表电法、磁法及深孔钻探，直接深入地下，对不良地质段落进一步确认；原位测试和室内试验重点是对岩石本身的各类物理力学性能、化学成分进行分析判识。通过定性、定量综合分析判断，确定设计阶段隧道线路位置地质情况，为初步设计、施工图设计阶段提供设计依据。

施工阶段：采用地质调查法、超前钻探法、物探法和超前导坑预报法等。其中地质调查主要是隧道地表、洞内开挖掌子面素描、洞身地质素描及不良地质界线、构造线分析；超前钻探法主要包括超前水平钻、加深炮孔及孔内摄影成像；物探法包括弹性波反射法(如TSP)、电磁波反射法（如地质雷达）、高分辨直流电法（如瞬变电磁）等；超前导坑预报法主要有平行超前导坑法、正洞超前导坑法。实施中可爱用长距离预报（1

00m以上）、中长距离预报（30～100m）、短距离预报（30m以内），

工后总结：主要过程阶段总结、竣工后总结，其中过程阶段总结主要包括超前地质预报综合报告、周报、月报，及不良地质段落施工总结分析，过程阶段总结可以作为同隧道后续工程施工参考依据，为后续地质分析决策提供参考；竣工后总结，是隧道贯通后，进行全面的地质情况分析、判识和应对方案总结，为相邻未贯通隧道和后期类似工程提供参考和借鉴，提升类似工程地质预报的精度、设计深度。

3动态设计的内容和程序

隧道动态设计是指在施工过程中依据现场调查、超前地质预报、开挖揭示等方式获得的地质信息或试验研究成果等资料，对施工图进行调整和优化，是控制安全风险的有效手段和措施。隧道动态设计范围一般包括：隧道危岩落石处理、岩溶溶洞处理及注浆、反坡排水、软岩大变形处理、预设计泄水洞工程、预注浆设计、岩爆预设计等内容。

当前动态设计的程序一般还是参照变更设计程序进行办理，具体为：提议单位提出动态设计建议→建设单位组织参建各方进行现场核对会勘，形成会审纪要→设计单位补勘（必要时）→设计单位出具设计联系单（必要时）→设计单位动态施工图设计→施工图审核→施工图审批→交付施工→监理单位监督实施→建设单位组织动态设计调整会审并形成会审纪要（发生动态调整时）→建设单位组织参建各方效果评定→动态设计文件编制→施工图审核→第三方审价→审批。

实际实施过程中，动态设计程序过长，不利于现场迅速作出决策，有一定的安全风险，对施工单位的应急处置能力要求更高，对现场施工管理人员、监理人员综合素质要求极高，且参建各方现产共同踏勘受铁路项目点多线长、环境复杂特点限制极大、耗时及长，山区高铁尤为突出，道路交通不便利，现场踏勘时间及长，不能第一时间作出精确决策，仅将安全管控、设计方案确定的责任全部置于施工方，不利于项目管理和科学决策，也降低了应急突发事件共同决策、管控能力，不利于现场施工和安全管控。

4地质判识与动态设计关系

根据《铁路隧道超前地质预报技术规程》规定，当前施工现场，极高和高风险隧道超前地质预报均应由设计单位主责实施，其余隧道超前地质预报由施工单位组织实施。委托的专业勘察单位组织实施，判识的手段、方式较多，但判别的时效性、精度还需进一步提升。受行业变更设计程序及管理办法的限制，现场地质判识多以原设计结论为主，动态设计实时变更还有待进一步研究。在动态设计实施过程中，必须提高地质判识的精度、速度和深度，方能做到科学决策。

地质判识的精度主要受原设计地质水文深度、现场地质预报手段及分析判识设备的精度、人员的知识储备影响，因此建设及施工管控过程中，必须高度重视上述因素，采取有针对性的措施，实现地质判识的精度，为动态设计决策提供基础支持。

地质判识的速度受工程所处的地形地貌、管控各级人员住宿及办公条件、决策人员的专业素养、气象因素、交通条件、信息化互联网技术应用深度及覆盖面大小等因素限制较大，在隧道工程建设过程，必须因地制宜，采取与项目特点配套匹配的管理方式，配备与其特点和工程数量相配套的人员、交通工具及信息化设备和信息化管理平台，实现隧道全工序视频监控、信息化工装施工，实现远程决策，以提升决策的速度和时效性。

地质判识的深度主要是各阶段地质预报技术手段实施的精细程度、实施类别的多少、综合判断的能力，往期类似工程地质水文情况的总结和借鉴，同时也和判识所配备的人员经验和知识素养、仪器设备和软件系统精度息息相关，在设计勘察阶段应尽量多的采用多种地质探测手段完善地质判识的深度，当勘察设计阶段受限制时，设计单位应深度参与到施工阶段的地质预报方案设计中，实现地质判识更全面、更专业的深度分析。

随着互联网、大数据等信息化技术和智能工装、人工智能等新装备、新技术的应用和融合，地质判识的精度、准确性、时效性得到了很大的提升，也提高了地质判识与动态设计的联系，提升了地质判识的精度、速度和深度，更有利于隧道工程动态设计的开展和精度提升，保障了隧道施工安全，有效的控制了隧道施工成本，为隧道工程的管控提供了更加精准的决策依据。

5动态设计的实施

隧道工程因其地质的复杂性和不确定性，加之多数长大隧道施工期较长，除受原设计地质、水文情况影响外，还受到外部因素干扰和历年来的突发极端天气限制，地质、水文条件在一定前提下会发生变化，因此隧道工程实施过程中必须要落实动态设计，通过组织措施、技术措施及管理措施，以实现施工安全受控。

5.1组织措施

根据施工合同及《铁路隧道超前地质预报技术规程》，联系建设单位主持并组织参建各方，形成超前地质预报和动态设计联络工作机制，成立超前地质预报管理机构，按照五定原则明确责任分工、工作程序及流程、工作要点等。

施工单位成立以项目经理为组长超前地质预报管理领导小组，成立以项目总工为组长的超前地质预报实施小组，根据项目特点，将超前地质预报工作纳入项目安全管理体系，落实全员安全生产责任制，明确各个环节的责任人、岗位职责，将超报工作纳入工序，严格落实有疑必探、不探不挖的施工原则，各类预报成果及时发布，应用于现场，告知一线作业人员，并严格落实预控措施，实现隧道施工安全可控。

5.2技术措施

编制隧道工程超前地质预报大纲和实施细则，报监理、建设单位审批，对参建的管理、作业人员进行交底和培训，并定期组织再交底再培训，确保工作程序及技术措施落实到位。

根据设计图纸预报手段，实行综合预报分析，发现异常，补充其它预报措施进行验证和进一步判识，坚持“有疑必探、不探不挖、石变我变”的管理理念，将超前地质预报地质判识工作纳入隧道循环施工工序。

各类超前预报手段，严格按照技术规程和设备操作规程落实执行到位，地质预报采取长短结合，定量、定性相互印证，钻探、物探相互验证的方式，满足各类预报搭接长度要求，分析人员利用配套软件、以往类似工程经验总结及已经开挖段落揭示情况，综合分析判识，尽最大限度的提升超前地质预报成果的精度，确保施工安全风险受控。

尽量采用先进的智能化工装设备，实现一线地质信息的即时采集、传输，利用现代互联网、计算机及人工智能技术，搭建超前地质预报智能分析评判平台，实现地质信息的采集、收集和判识自动化，提高判识精度和效率。

借助大数据、云平台及物联网等现代信息技术，搭建信息化智能判识、设计及建设工程管控平台，实现大数据补助决策、远程会诊，做到足不出户、决策于千里之外，为现场动态设计第一时间提供应急处置措施和设计方案，保证施工安全受控、现场施工进展有序、可控。

5.3管理措施

研究铁路项目或隧道工程设计施工总承包的分包模式，实现设计施工一体化，提升设计、施工过程中的及时性和协调性。

聘请有地质勘查资质的设计单位或第三方单位，进行超报工作，根据涉及的超报手段，配置超报仪器、设备和人员，实现快速预报判识。

制定超前地质预报绩效考核办法，明确考核工作管理流程，将超报工作纳入隧道工序管理，实现专业人员预报、技术人员监督、监理人员旁站、预报结果告知、现场动态公示等。

6结论及建议

6.1隧道工程属于地下工程，其地质施工信息受地形地貌、地壳变化、地表及地下水系影响较大，且最终围岩等级范围长度的确定，同隧道工程造价息息相关，受勘察手段、设备工装及现场环境的限制，勘察设计阶段的地质信息仅作为施工前参照，实际还需在施工过程中通过超前地质预报手段予以进一步补充，尤其是埋深大、地质复杂的长大隧道应引起高度重视。

6.2铁路隧道工程施工阶段，围岩等级变更设计绝大部分均是由于不可预见的地质风险引起，受参建各方人员配备数量、综合素质的限制，施工现场变更设计的精度和及时性很大程度制约了施工进度，也引发了一些安全问题，因此建议应研究升级隧道地质探测的工装设备和判识方式，研发智能化系列工装及围岩智能判识系统，提升效率、确保进度。

6.3 为确保隧道工程地质信息的准确，建议从国家或行业层面，按照我国既有不同地质区域的范围，建立铁路隧道工程地质信息大数据库，以当前超前地质预报综合判识方法为基础，开发隧道智能地质信息识别系统，提升施工现场地质判识的精度，为实现精准持续的动态设计提供依据，确保隧道施工及运营维护阶段安全、质量全面受控。

参考文献：

[1] 国家铁路局. TB10012《铁路工程地质勘察规范》[S].北京.中国铁道出版社.2019年.

[2] 中国铁路总公司.Q/CR9217《铁路隧道超前地质预报技术规程》[S].北京.中国铁道出版社.2015年.

[3] 中国铁路总公司.Q/CR9604《高速铁路隧道工程施工技术规程》[S].北京.中国铁道出版社.2015年.

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