中铁西南科学研究院有限公司
中铁西南院铁路工程物探发展历程
一、发展历程回顾
中铁西南院工程物探专业的发展与工程地质研究所密不可分，随中铁西南院发展而发展，对中铁西南院工程地质专业发展起到重要支撑作用。简要历程如下：
专业负责人情况：
1961-1996：陈成宗(主任)、王石春(副主任)
1996-1999：王石春(主任)、粟健(副主任)
1999-2001：粟健 (主任)、何发亮(副主任)、李苍松(副主任)
2001-2008：何发亮(主任)、李苍松(副主任)
2008-2010：李苍松(主任)、丁建芳(副主任)
2010-2012：吴德胜(所长)、丁建芳(副所长)
2012-至今：吴德胜(所长)、丁建芳(副所长)、苏有财(副所长)
二、技术方法
1. 隧道工程岩体稳定性及其性态测试技术
上世纪七十年代初始，采用洞内地质素描、地表地质调查、声波超前探测、围岩松动圈测试、水文观测及岩石力学测试等综合技术方法，开展隧道工程岩体稳定性分析及掌子面前方短距离预报。
2. 岩体声波探测技术
岩体声波探测技术是根据介质存在物性差异的基本原理，以人工的方法向介质(岩石和岩体)辐射声波，观测声波在介质中传播的情况和特性，并将该技术应用于隧道、地下硐室工程及大坝坝基岩体、地基基础岩土体特性的探测。
上世纪七十年代，我们采用声波CT技术，成功解决了青藏铁路察尔汗盐湖路基下隐伏洞穴的定位探测。此后，粟健研究员将声波CT技术加以改进、编制相关软件，推进了岩土体加固效果的检测。
3. 隧道工程岩体质量分级技术
1982年，研究提出了以岩体完整性、岩石质量作为分级的基本参数，以主要结构面状态、岩体含水情况和初始应力状态作为修正参数来进行隧道工程岩体质量分级。
中铁西南院在应用声波探测技术和地质素描方法开展岩体完整性的定性、定量分析方面做了大量工作，取得相当的技术积累，在此基础上分别参加《工程岩体分级标准》（GB 50218-94）、《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005，J449-2005）和《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）等有关章节的编写。
王石春研究员、何发亮教授级高工等结合我国当时在建最长的单线铁路隧道—秦岭特长隧道工程的施工，开展了TBM施工条件下的隧道围岩分级方法的研究，在围岩稳定性等级划分的基础上，根据影响TBM工作条件的4个主要地质因素：岩石的单轴抗压强度、岩体的完整程度(裂隙化程度)、岩石的耐磨性和岩石的硬度，进行TBM施工条件下针对工程岩体可掘进性原则要求的隧道围岩分级。TBM施工围岩等级划分方法已为《铁路隧道全断面岩石掘进机法技术指南》（铁建设［2007]106号）引用。
在辽宁大伙房引水隧洞工程实验研究中，李苍松等提出了以现行水工隧洞围岩分级方法为基础，根据TBM施工的工作效率、碴料特征和涌水状况等因素进行分级修正，并提出适合于TBM施工的水工隧洞围岩分级建议表。
2001年始，李苍松教授级高工根据岩溶发育分布的宏观规律及其影响因素分析，提出岩溶围岩的基本概念，专门针对围岩为岩溶发育状态不同的岩体进行质量分级修正，建立基于岩溶发育程度评价定性指标和定量指标的岩溶围岩分级模型，并进一步提出岩溶发育程度评价的建议标准。
4. HSP法隧道地质超前预报技术
HSP法或称“HSP声波反射法”，是中铁西南科学研究院有限公司在“HSP水平声波剖面法”基础上研究提出的地质超前预报技术。
声波反射法探测和地震波探测原理相同，其原理是建立在弹性波理论的基础上，传播过程遵循惠更斯—菲涅尔原理和费马原理。采用声波法探测不良地质(带)的物理前提是：声波在岩土体中的传播速度及幅度等参数和岩土体的组成成分、密度、弹性模量及岩体的结构状态等有关，不良地质体(带)如断层、风化破碎带、岩溶洞穴、地下水富集带等与周边地质体存在明显的声学特性差异。
在“HSP水平声波剖面法”中，探测方法有两种，即在掌子面两侧布置测试孔或在两侧边墙布置测试孔。通过近20年的工程实践，在原“HSP水平声波剖面法”的基础上，改进现场测试方法，采取不打孔的方式。在地质预报测试时，在隧道施工掌子面或边墙一点发射低频声波信号，在另一点接收反射波信号。
5. TBM施工突破不良地质地段的超前地质预报技术
根据大伙房输水隧洞的工程地质和水文地质特征，研究提出适合TBM施工特点的、以HSP声波反射法为主的综合地质预报技术。在应用HSP声波反射法实施TBM施工地质超前预报时，利用掘进机激发的信号作为隧洞地质预报的激发信号，不需专门打孔或激发信号，不占用隧洞施工时间，在TBM施工中首次实现了不停机条件下的快速地质超前预报。在此基础上，针对TBM隧洞施工突破一般岩体破碎带、断层破碎带、地下水发育地段等各种不良地质体的情况，提出采取不同的施工预案。
6. 岩溶及地下水探测技术
陈成宗研究员、何发亮教授等根据岩溶地区长隧道病害研究及工程实践，提出“混流带理论”分带模式，将岩溶地区长隧道岩溶地下水动力剖面划分成垂直渗流带、混流带和深部缓流带。在此基础上，李苍松根据岩溶形态的复杂性、隧道开挖揭露岩溶及地下水的随机性等特点，应用分形理论开展岩溶隧道地质预报技术研究，提出“岩溶元”的概念，提出HSP声波反射法岩溶地质超前预报数据分析的分形理论方法和“以宏观与微观、定性与定量、数值模拟与系统分析三结合”的岩溶地质分形预报模型，为岩溶及地下水探测奠定了理论基础。
在国家自然科学基金委员会联合资助基金项目 (项目批准号50539080)-雅砻江水电开发联合研究基金项目子项-《高压大流量岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报和治理》研究基础上，提出含水体在不同位置下的岩体温度变化关系曲线及最佳钻孔深度理论，提出并建立隧道(洞)施工掌子面前方岩溶含水体-岩体温度预报方法，最终形成隧道(洞)施工掌子面前方岩溶含水体-岩体温度法预报系统，研制适合于该预报方法的隧道(洞)岩体温度测试仪和后处理软件系统。在此基础上，何发亮教授级高工牵头，进一步开展了国家863项目-隧道施工期大涌水等地质灾害超前实时预报系统与装备研究。
结合锦屏二级水电站工程，在适合于TBM施工的地质超前预报技术研究基础上，进一步开展TBM施工地下水预报技术研究，提出适合于TBM施工地下水预报的技术体系，即以常规地质法为基础，HSP声波反射法预报不良地质体界限、岩体温度法并结合红外探测进一步确认不良地质体是否含水、化学动力学水文地质法对涌水量及水压进行预测的预报体系。
针对涌水量预测预报问题，李苍松、何发亮等在渝怀铁路圆梁山隧道和武隆隧道岩溶地质预报中，应用三重空隙介质理论和化学动力学理论建立岩溶涌水量及水压预测模型，应用常规水化学成分计算水动力学参数，并进行隧道施工分段涌水量预测。
三、应用领域
1. 工程勘察阶段
利用声波参数结合地质因素，对工程岩体进行分级、分类；利用声波探测技术评价地下工程围岩的稳定性；利用声波测井技术，进行工程地质勘探孔孔间地质剖面分层，确定风化层厚度；利用中铁西南院研制的ZGS1610-xx系列智能工程探测声波仪，进行岩石和岩体的物理力学性质的测定和估算等。
2. 工程施工阶段
隧道施工期地质超前预报，包括：HSP声波反射法钻爆法施工隧道和TBM施工隧道超前地质预报，隧道施工涌水预报，隧道工程岩体质量分级与修正等。
3. 工程运营阶段
地下工程施工质量检测，围岩注浆加固效果检测，隧道衬砌背后空洞、溶洞等缺陷探测。
四、机构队伍与设备
1. 机构队伍
工程地质研究所现有员工45人，其中在编人员33人，返聘专家2人，博士生导师1人，硕士生导师3人，硕士研究生学历以上17人。
主要技术人员及职称情况：
研究员4人(在职2人，均为硕士研究生导师，其中1人为享受政府特殊津贴的国家级专家；返聘2人，均为享受政府特殊津贴的国家级专家)。
教授级高级工程师3人(1人为博士生导师、享受国务院政府津贴、中铁总公司有突出贡献的中青年专家；1人为博士、总公司青年科技拔尖人才、中铁总公司有突出贡献的中青年专家；1人为硕士生导师)。
高级工程师1人。
工程师11人(其中博士1人，硕士3人，在读博士1人)
助理工程师15人(其中硕士5人，在读硕士研究生2人)
技工1人。
2. 仪器设备
拥有具有自主知识产权的ZGS系列智能工程声波探测仪16台。其中，HSP地质预报仪1台，ZGS1610智能工程声波探测仪1台、ZGS1610-2智能工程声波探测仪1台、ZGS1610-3智能工程声波探测仪10台、EACT声波仪1台及配套时域频域分析软件和声波CT成像软件。
瑞士TSP200、TSP203隧道地质预报系统各1套；
拉脱维亚Zond-12e地质雷达系统3套；
重庆奔腾WTEM－1Q/GPS浅部瞬变电磁勘探系统1套；
重庆奔腾高密度电法系统1套；
大功率电火花击震仪2台(具有自主知识产权)。
红外线探测仪1台；
数码点荷载仪2台。
五、技术发展
1. 声波探测技术
中铁西南院是我国从事岩体声波探测技术研究的发起单位之一，从1973年引进第一代声波仪起，先后开发、研制了五代声波探测仪。先后完成了“岩体的稳定性与弹性波探测技术研究”、“岩体稳定性和声波测试技术”、“隧道岩体声波测试方法”、“察尔汗盐源盐溶洞穴声波探测”、“岩体声波多参数探测仪器和探测技术研究”、“隧道围岩注浆加固效果检测手段和技术的研究”、“广州地铁沉管底喷层密贴度检测模型试验”及“路堤和基底质量快速检测及安全评判技术”等八个专项研究。
以声波技术为基础，中铁西南院于上世纪90年代末，基于医学CT技术开展声波CT技术研究，并将其广泛应用地基基础、混凝土质量均匀性、混凝土缺陷等工程检测。
同时，为解决声波探测所需的高能量激发信号问题，专门研制出大功率电火花发射仪，并获得国家发明专利。
2. 超前地质预报技术
从上世纪八十年代始，中铁西南院结合大瑶山隧道、天马山隧道，首先在我国开展“地质声学法隧道施工地质超前预报技术”研究、“隧道施工掌子面前方不良地质预报技术”研究，提出了HSP水平声波剖面法隧道施工地质预报的理论和技术，该课题成果于1995年12月通过铁道部科技成果鉴定，并于1997年获铁道部科技进步三等奖。
2002年至2005年，结合渝怀铁路圆梁山隧道，开展岩溶地质超前预报技术研究-应用HSP声波反射法和CT技术的岩溶探测技术研究。
2005年至今，结合辽宁大伙房水库引水工程和锦屏电站引水隧洞TBM施工情况，分别开展了掘进机施工条件下HSP声波反射法预报研究和国家自然科学基金项目“高压大流量岩溶裂隙水与不良地质超前预报与治理”之子项-岩体温度法隧道施工涌水预报研究。其中，“岩体温度法隧道施工涌水预报”研究成果，实现了隧道施工涌水预报理论和方法的重大突破，成果获中国中铁股份有限公司2007年度科技进步二等奖，作为“隧道含水构造等不良地质超前预报定量识别及灾害防治关键技术”的重要组成成果，获2011年度国家科学技术进步二等奖；“TBM突破不良地质地段的地质超前预报及施工预案研究”创造性地开展了利用TBM刀具切割岩石激发的信号作为HSP声波反射法预报的激发信号及适合于TBM施工的水工隧洞围岩分级修正模型等方面的研究，对TBM快速通过不良地质地段及安全施工提供了技术保障，“一种适合于TBM施工的地质超前预报方法”获得国家发明专利，“TBM超前地质预报技术达到国际先进水平”，成果获中国中铁股份有限公司2007年度科技进步二等奖。
近20年来，HSP水平声波剖面法隧道施工地质预报的理论和技术在众多铁路、公路隧道及水工隧洞工程中得到应用，通过大量的工程实践和技术咨询服务，隧道地质超前预报技术研究取得众多成果，出版专著5部，相关成果已纳入2部国家标准和5部行业标准。
3. 隧道健康状态评估技术
从上世纪九十年代起，中铁西南院参加了漳龙高速公路龙门隧道、达成铁路万山寺隧道、成渝高速公路龙泉山隧道、四川九环线牛角垭隧道、成都市红星路下穿隧道等多座隧道的病害现场调查和健康状态评估工作。经过多年研究，中铁西南院在隧道健康状态评估技术研究方面取得了一些科研成果和技术积累，主要包括以下几个方面：隧道病害类型、形成机理及其监控方法；不同类型病害对隧道结构整体安全性影响；不同类型病害的隧道健康状态评估方法；隧道病害综合整治技术等。
4. 岩土工程检测技术
在中铁西南院开展科研服务的基础上发展起来的专业检测技术。1998年取得四川省计量认证证书，具有四川省建设厅地基检测资质。认证参数包括：滑坡稳定、建筑物倾斜、孔隙水压力、护壁锚杆轴力、基坑壁及岩土水平位移、岩土分层沉降、地下水位、边坡位移、深层水平位移等。专业技术优势包括：基桩质量检测技术，护壁锚杆轴力检测技术，深基坑沉降观测技术，滑坡治理技术，边坡监测技术，管线探测技术等。
六、科技进步
1. “察尔汗盐湖铁路路基试验工程”，中铁西南科学研究院工程地质研究室承担盐溶暗洞的声波探测技术、岩盐体在不同压力作用下声波传播信息和岩盐体声波传播信息强化后判断盐溶溶洞存在与发展新标准研究。“察尔汗盐湖铁路路基试验工程” 获1987年铁道部科技进步一等奖、1988年国家科技进步二等奖。
2. “岩体声波探测技术”获1978年四川省科技成果奖，“声波探测技术在工程地质中的应用”获1978年全路科技大会奖，“隧道岩体声波探测技术”获1988年铁道部科技成果四等奖。
3. “大瑶山长达铁路隧道修建技术”，中铁西南科学研究院工程地质研究室承担岩体力学、九号断层攻关、岩溶涌水水压监测及大瑶山隧道治水攻关研究。“大瑶山长达铁路隧道修建技术”获1989年获铁道部科技进步特等奖、1992年获国家科技进步特等奖。
岩溶地区长隧道涌漏水灾害综合治理技术研究，中铁西南科学研究院工程地质研究室承担岩溶地区长隧道涌漏水灾害规律研究，首次提出了地下水动力剖面分带“混流带”的概念。“岩溶地区长隧道涌漏水综合治理技术”获1995年铁道部科技进步四等奖。
4.“隧道围岩注浆加固效果的声波检测技术”获1998年铁科院科技进步三等奖。
5.铁路隧道围岩分级研究，“铁路隧道工程岩体(围岩)分级建议”获1987年铁科院科技进步三等奖。
6. “隧道施工掌子面前方不良地质预报技术”研究，中铁西南科学研究院工程地质研究室承担“声波反射法研究”，首次提出了水平声波剖面(HSP)预报隧道施工掌子面前方不良地质体的技术方法和应用软件。“隧道施工掌子面前方不良地质预报技术” 获1997年铁道部科技进步三等奖。
7.“既有隧道地下水变化规律及其对环境生态平衡影响的评估”，获1998年铁道部科技进步四等奖。
8. “秦岭特长隧道修建技术”研究，中铁西南科学研究院工程地质研究室参与“TBM施工需要的围岩裂隙等级划分及地质参数测试技术研究”、“秦岭特长隧道岩爆预报及防治技术”、“秦岭特长隧道热害预报和防治技术”等项的试验研究工作。首次提出了TBM施工需要的围岩分级方法。“TBM施工需要的围岩裂隙等级划分及地质参数测试技术研究”获2001年中铁总公司科技成果一等奖、2003年国家科技进步一等奖。
9.渝怀线圆梁山隧道关键技术试验研究。中铁西南科学研究院工程地质研究室承担A课题“深埋高水位富水区隧道地下水作用机理研究”子项-“岩溶涌水量及水压预测模型研究”和B课题“圆梁山隧道岩溶地质超前预报技术研究”子项-“声波反射法和CT技术在地质超前预报中的应用研究”。提出了“以三重空隙介质理论为基础的岩溶涌水量及水压预测模型”，实现隧道分段涌水量及水压预测。“圆梁山隧道岩溶地质超前预报技术研究”获2008年中国铁道学会科学技术奖二等奖。
10.“TBM突破不良地质地段的地质超前预报及施工预案研究”，获2007中铁总公司年科技成果二等奖，并与总课题“大伙房输水工程特长隧洞TBM施工关键技术研究”一起，获中铁总公司2010年科学技术奖特等奖，获中国中铁股份有限公司“十一五”十大优秀科技成果奖。“一种适合TBM施工的地质超前预报技术”于2010年获得国家专利批准(专利号：ZL200810044256.7)。
11. 国家自然科学基金委员会联合资助基金项目 (项目批准号50539080)-雅砻江水电开发联合研究基金项目-“高压大流量岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报和治理”，中铁西南科学研究院工程地质研究室承担“岩体温度法隧道(洞)施工掌子面前方含水体预报”子项研究。出版专著《岩体温度法-隧道施工掌子面前方涌水预报》，发表论文9篇，培养硕士研究生2名。“岩体温度法隧道(洞)施工掌子面前方含水体预报”获2008年中铁总公司科技成果二等奖，作为“隧道含水构造等不良地质超前预报定量识别及其灾害防治关键技术”的重要组成部分，获2011年度国家科学技术进步二等奖。
12．石窟加固工程中检测新方法的研究，获1983-1984年度文化部科技成果三等奖。
13．治理乐山大佛的前期研究，获1992年度国家文物局科技进步二等奖。
七、重大工程项目
HSP声波反射法地质超前预报技术主要在以下重大工程项目中的得到具体应用：
（1）渝怀铁路：圆梁山隧道、武隆隧道、甘溪沟隧道；
（2）遂渝铁路：荆竹岭隧道、龙凤隧道、西山坪隧道、桐子林隧道；
（3）襄渝铁路二线：华蓥山1号、2号隧道；
（4）贵广铁路：三都隧道、高田头隧道、莫家寨隧道、大寨隧道、同开坡隧道、羊甲隧道、同马山隧道等。
八、外事往来
1. 1991年11月18日，日本东亚测器株式会藤田青一先生来访，介绍测试仪器仪表产品及发展状况。
2. 1995年10月30日，瑞士安贝格公司肖书安博士来访，作“瑞士费尔艾那铁路长隧道设计和施工概况”报告。
3. 2003年9月15-17日，承办隧道地质超前预报技术交流会(主办单位：铁道部工程管理中心)。编辑会议论文集，会议发表特邀主题报告20篇，国内外代表200多人参加会议，为岩溶地质条件下宜万线长隧道施工提供了全面、丰富的地质超前预报技术的文献资料，取得较大的社会效益。
九、业务建设
中铁西南院针对科技人员学历高、自学能力强的特点，坚持“按需培训、注重实效”的原则开展职工教育培训工作，鼓励具有中级、初级技术职称人员根据工作需要，积极参加各类技术及业务培训，对工程地质研究所及工程物探专业人才队伍的培养和本专业建设起到积极的推动作用。
目前，工程地质研究所已有国家级专家4人(均为享受国家政府特殊津贴专家)，省部级和股份公司级专家3人(其中：四川省学术和技术带头人1人；股份公司有突出贡献中青年专家2人，其中1人同时为股份公司青年科技拔尖人才、茅以升铁道工程师奖获得者)。研究所共有副高级以上专家7人。
十、取得的成就
在中铁西南院工程地质研究所全体同仁的共同努力下，主持或参加完成省部级以上科研课题近40项，获得省部级以上科技进步奖20项，其中，国家级奖项5项，省部级特等奖1项、一等奖2项，二等奖3项，三等奖3项。
在铁道部科技发展规划项目“隧道开挖工作面前方不良地质预报”第三子项基础上发展了HSP声波反射法地质超前预报技术起来的，预报距离一般为≥50m，在围岩条件较好的情况下可达到100m。近二十年来，HSP声波反射法在工程实践中改进、提高和推广，创造了明显的经济和社会效益。该预报系统包括采集、分析软件和ZGS1610-X型系列智能工程声波仪。已在近20条线路(含铁路、公路及水利水电工程)、近100座隧道(洞)工程中得到具体应用。
在HSP声波反射法预报技术针对钻爆法施工隧道已比较成熟的基础上，对TBM施工隧道(洞)，利用TBM掘进时刀盘切割岩石所产生的声波信号作为HSP声波反射法预报激发信号。该研究成果达到国际先进水平，获中国中铁股份有限公司2007年度科技进步二等奖。“一种适合于TBM施工的地质超前预报技术”专利申请(专利申请号200810044256.7，专利公报公开号CN 101261325A)已获批准(2010年1月29日)，该技术将具有广阔的应用前景。
参与主编的国标、部标7部：
(1)《工程岩体试验方法标准》-GB/T50266-99，参与起草人：陈成宗。
(2)《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》-TB10223-2004 J341-2004，参与人：粟健
(3)《工程岩体分级标准》-GB/T 50218-94 参与起草人：王石春、张可诚。
(4)《新奥法指南》制定(参与起草人：王石春)。
(5)1975年隧规修订提出弹性波参数表(王石春等)
(6)铁路隧道全断面岩石掘进机法技术指南，参与起草人：何发亮
(7)铁路隧道超前地质预报技术指南，参与起草人：何发亮
出版专著6部：
(1)《岩体声波探测技术》(中国铁道出版社，1990年)
(2)《隧道工程地质与声波探测技术》(西南交通大学出版社，2005年)
(3)《隧道地质超前预报》(西南交通大学出版社，2006年)
(4)《隧道工程岩体分级》(西南交通大学出版社，2008年)
(5)《岩体温度法隧道施工掌子面前方涌水预报》(西南交通大学出版社，2009年)
(6)《隧道施工地质灾害与不良地质体及其预报》(西南交通大学出版社，2011年)。
|
网员登录区
网员介绍
最新文章
|
版权所有 © 中国地球物理学会铁道分会 冀ICP备05015092号 技术支持
地址：河北省廊坊市廊万路9号 电话:0316-5212318 0316-5212300 010-51876473 传真:0316-2112647
地址：河北省廊坊市廊万路9号 电话:0316-5212318 0316-5212300 010-51876473 传真:0316-2112647