王汪汪,牟元存,王樹棟

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

1 引 言

我國青藏高原東南部及川、滇兩省西部地處橫斷山脈縱谷地帶，位于歐亞板塊和印度洋板塊相碰撞的縫合帶附近，新構造運動頻繁，褶皺斷裂發(fā)育，區(qū)內廣泛分布有二疊系峨眉山組玄武巖，受深部構造應力和差異風化等作用影響，該地區(qū)出露的玄武巖地質條件復雜，隧道施工中地質災害頻發(fā)。如何在玄武巖隧道中采用超前地質預報技術，準確探明前方地質災害隱患是一項需要重點開展研究的工作。當前對玄武巖隧道中的超前地質預報工作，業(yè)界雖然已經有了初步的探索和認識：例如，楊英采用地面高密度電法、可控源音頻大地電磁法(Controllable Source Audio Frequency Magnetotelluric Method,CSAMT)法和洞內地震波反射法在大麗鐵路禾洛山隧道差異風化的玄武巖夾凝灰?guī)r地層中開展了超前地質預報工作[1]；周雅對織納鐵路孫家坡一號隧道玄武巖與灰?guī)r接觸帶的地質情況進行了超前探測[2]。但對于廣袤的玄武巖地區(qū)而言，地質條件是復雜多樣的，隧道建設中依舊時常遭遇到突涌等不良地質災害，當前進一步深入開展在玄武巖隧道中的超前地質預報研究，精準定位隧道高風險易突涌段落位置是亟待解決的問題。

總結目前工程建設中已發(fā)現(xiàn)的各類玄武巖隧道突涌，并結合其工程地質概況，筆者對玄武巖隧道突涌地質特征進行了歸納，同時借助開展的超前地質預報案例，對玄武巖隧道突涌地層段的地震波反射法(Tunnel Seismic Prediction,簡稱TSP)物性參數(shù)特征進行研究分析，提出了玄武巖隧道發(fā)生突涌時TSP物性參數(shù)的變化規(guī)律特征，這些可為今后類似地質條件下的探測工作提供積極的參考和借鑒。

2 玄武巖隧道突涌地質特征

玄武巖是一種基性噴出巖漿巖，由火山噴發(fā)出的巖漿在地表冷卻后凝固而形成的一種致密性或泡沫狀結構的巖石，巖石結構常具氣孔狀、杏仁狀和斑狀結構，并時常帶有大的礦物晶體，屬于非可溶巖。玄武巖隧道發(fā)生突涌的前提必須包含有足量的突涌物質和便利的存儲運移條件，但發(fā)生突涌的玄武巖隧道地質誘因卻不相同。

典型的玄武巖隧道突涌有云桂鐵路新蓮隧道穿越玄武巖向斜構造集水區(qū)發(fā)生涌突水[3]；織納鐵路孫家坡一號隧道玄武巖與灰?guī)r接觸帶風化蝕變及巖溶管道發(fā)生突涌水；大麗鐵路禾洛山隧道玄武巖夾凝灰?guī)r差異風化形成孔隙通道涌水；麗香鐵路中義隧道玄武巖基巖裂隙涌水、玄武巖地層溝槽淺埋段涌水。上述5類典型的案例可涵蓋當前玄武巖隧道建設中遇到的絕大多數(shù)突涌類型?？偨Y上述實例可得到玄武巖隧道突涌一般具備如下地質誘因：①地層穿越構造發(fā)育區(qū)；②巖層與可溶巖接觸帶；③差異風化作用明顯形成孔隙地段；④基巖裂隙發(fā)育地段；⑤低洼溝槽淺埋地層段。

3 地震波反射法物性參數(shù)解譯原則

通過對地震波反射法原始數(shù)據(jù)的資料處理，可以得到包括物性參數(shù)圖、速度圖譜等成果信息。依據(jù)《鐵路隧道超前地質預報技術規(guī)程》相關的條文說明[4]以及前人大量開展的工程實例所總結出來的經驗[5-12]，對地震波反射法數(shù)據(jù)成果的解譯應遵循以下基本原則[13-17]：

1)反射系數(shù)的大小和極性反映了反射界面兩側介質物性的相對關系。反射系數(shù)越大，代表反射界面兩側介質的波阻抗差異越大；發(fā)射系數(shù)為正,代表地震波從軟弱巖層傳入致密巖層；反射系數(shù)為負，代表地震波傳播從致密巖層至軟弱巖層。

2)流塑體抗剪切能力較差，當巖層中存在流塑體時會表現(xiàn)出橫波波速下降，當提取出的反射界面含較多的橫波信號時，往往指示前方圍巖含水。

3)地震波縱波速度與巖層的裂隙度和孔隙度緊密相關，裂隙度和孔隙度增加時，縱波速度減小，反之縱波速度增大。

4)縱橫波波速比Vp/Vs有較大增加或泊松比σ突然增大，常常因流體的存在而引起。

4 玄武巖隧道突涌地層段TSP超前探測案例

隧道施工圖設計時，根據(jù)前期地質勘察、地表物探、地表鉆孔等資料可大致在施工圖上大致劃分出不同段落的地層巖性、地質構造，潛在的地質風險，但受隧道埋深大、地質條件復雜和勘察精度受限等因素影響，實際隧道開挖結果可能會與設計存在偏差。作為勘察設計的細化補充和隧道施工中探明前方地質災害的重要工具，在隧道中開展超前地質預報必不可少[18-21]。本文采用TSP法對玄武巖隧道突涌地層段進行探測研究，通過分析縱橫波波速、縱橫波速比、泊松比等參數(shù)的變化規(guī)律并結合速度圖譜異常速度區(qū)的分布特點，實現(xiàn)了對玄武巖隧道基巖裂隙涌水、低洼溝槽淺埋地段涌水的成功探測。

4.1 玄武巖隧道基巖裂隙涌水案例

麗香鐵路中義隧道3號橫洞全長2 562 m，沿線分布4條活動斷裂帶，地質構造復雜，

圍巖為二疊系玄武巖地層，受活動斷裂帶影響，該區(qū)域內巖層裂隙發(fā)育，這為基巖裂隙水提供了良好的存儲運移條件，隧道開挖中易遭遇突涌等地質災害。

本項目于中義隧道3號橫洞HD3K0+720處開展TSP法超前探測，檢波器位置為HD3K0+782，隧道開挖朝小里程方向，經數(shù)據(jù)采集處理得到圖1(紅色折線代表炮孔同側1號檢波器數(shù)據(jù)，藍色折線代表炮孔對側2號檢波器數(shù)據(jù))所示雙檢波器下的TSP物性參數(shù)成果圖，分析比對掌子面HD3K0+720和物性參數(shù)，拐點處兩個里程位置的物理力學參數(shù)變化特征，詳見表1。

圖1 TSP物性參數(shù)成果Fig.1 Results of physical parameters of TSP

表1 TSP物理力學參數(shù)變化特征

由表1可知：1號檢波器物性參數(shù)拐點(HD3K0+710)和2號檢波器物性參數(shù)拐點(HD3K0+708)對應里程位置略有差別，但相對于掌子面HD3K0+720處的物性參數(shù)，變化趨勢一致，表現(xiàn)為縱波波速升高，橫波速度下降，縱橫波波速比上升明顯，平均上升率可達7.15 %；泊松比值增加較大，平均增加率達到15.38 %。同時由圖2～圖5雙檢波器下的SH波(橫波的水平分量)、SV波(橫波的豎直分量)速度圖譜可得：1號檢波器SV波在HD3K0+710～+677段存在明顯的低速異常區(qū)(藍色代表低速區(qū)域，紅色代表高速區(qū)域)，SH波在HD3K0+710～+662段存在明顯的低速異常區(qū)；2號檢波器SV波在HD3K0+708～+678段存在明顯的低速異常區(qū)，SH波在HD3K0+713～+690段存在明顯的低速異常區(qū)。以上低速異常區(qū)相對于周邊位置，其橫波傳播速度明顯降低，根據(jù)本文第3節(jié)中第二條解譯原則可知：上述橫波異常低速區(qū)域很可能存在流塑體，綜合表1中物理力學參數(shù)變化特征及圖2～圖5速度圖譜變化特點，推測HD3K0+710～+677段圍巖裂隙較發(fā)育，含水量上升，開挖過程中易產生突涌，應提前做好防護措施。

圖2 檢波器1-SV波速度分析圖譜Fig.2 SV wave velocity analysis graphof detector 1

圖3 檢波器1-SH波速度分析圖譜Fig.3 SH wave velocity analysis graphof detector 1

圖4 檢波器2-SV波速度分析圖譜Fig.4 SV wave velocity analysis graphof detector 2

圖5 檢波器2-SH波速度分析圖譜Fig.5 SH wave velocity analysis graphof detector 2

隧道實際開挖至HD3K0+709時，掌子面出水量開始增大，現(xiàn)場及時在掌子面增設超前水平鉆孔，在鉆進過程中大量水從鉆孔中涌出,并伴有一定壓力，如圖6所示。由隧道實際開挖結果可以看出,本次TSP超前預報較為準確地探測出了玄武巖隧道富水的地質情況，現(xiàn)場根據(jù)預報結果采用超前鉆孔進行排水泄壓，同時強化了圍巖支護措施，確保了施工安全，最終使隧道施工順利通過本段。

圖6 HD3K0+709處施工做業(yè)超前鉆孔突涌水Fig.6 Water gushing from advance borehole at HD3K0+709

4.2 玄武巖隧道低洼溝槽淺埋地段涌水案例

麗香鐵路中義隧道正洞全長14 745 m，隧道地質條件復雜多變，多條活動斷裂帶橫貫其中，隧道地表地形起伏較大，地表發(fā)育多處溝槽，且溝內長年有流水分布，加之隧道部分段落的玄武巖地層片理化發(fā)育，使得該段落隧道在開挖過程中存在較大的突涌風險。

本項目于中義隧道正洞DK41+225處開展TSP法超前探測，檢波器位置為DK41+296，隧道距地表埋深僅42 m，隧道開挖朝小里程方向，經數(shù)據(jù)采集處理得到圖7所示的雙檢波器下的TSP物性參數(shù)成果圖，分析比對掌子面DK41+225和物性參數(shù)顯著拐點處兩個里程位置的物理力學參數(shù)變化特征，詳見表2。

圖7 TSP物性參數(shù)成果Fig.7 Results of physical parameters of TSP

表2 TSP物理力學參數(shù)變化特征

由表2可知：1號檢波器物性參數(shù)顯著拐點(DK41+203)和2號檢波器的物性參數(shù)顯著拐點(DK41+200)對應里程位置略有差別，但相對于掌子面DK41+225處的物性參數(shù)，變化趨勢相同，縱波波速升高，橫波速度下降，縱橫波波速比上升明顯，平均上升率可達9.64 %；泊松比值增加較大，平均增加率為24.5 %。由圖8～圖11雙檢波器下的SH波、SV波速度圖譜可得：1號檢波器SH波在DK41+205～+164段存在明顯的低速異常區(qū)，SV波在DK41+184～+137段存在相對的低速異常區(qū)；2號檢波器SH波由于存在較大范圍的等值線平順、有明顯拖尾現(xiàn)象的速度失真區(qū)，不宜作為參考進行分析，SV波在DK41+205～+181段存在局部明顯的低速異常區(qū)。相對于周邊位置，以上低速異常區(qū)的橫波傳播速度明顯降低，根據(jù)本文第3節(jié)中第二條解譯原則可知：上述橫波異常低速區(qū)域很可能存在流塑體，綜合表2中的物理力學參數(shù)特征及圖8～圖11速度圖譜變化特點，預測DK41+205～+164段圍巖裂隙發(fā)育，含水量上升，易產生突涌，應提前做好防護措施。

圖8 檢波器1-SH波速度分析圖譜Fig.8 SH wave velocity analysis graphof detector 1

圖9 檢波器1-SV波速度分析圖譜Fig.9 SV wave velocity analysis graph of detector 1

圖10 檢波器2-SH波速度分析圖譜Fig.10 SH wave velocity analysis graph of detector 2

圖11 檢波器2-SV波速度分析圖譜Fig.11 SV wave velocity analysis graph of detector 2

隧道實際開挖至DK41+204時，掌子面拱頂位置發(fā)生大規(guī)模突涌水，如圖12所示。本次TSP超前預報較為準確地探測出玄武巖隧道低洼溝槽淺埋地段地下水發(fā)育情況，根據(jù)預報結果對現(xiàn)場施工進行指導，及時采取了引排水措施，并強化現(xiàn)場圍巖支護，確保了施工安全。

圖12 DK41+204處掌子面拱頂突涌水Fig.12 Water gushing from the vault of tunnel face at DK41+204

5 結論與建議

5.1 結 論

本文對玄武巖隧道發(fā)生突涌對應的地質特征進行了討論，歸納了發(fā)生突涌的各類誘因，通過使用TSP法對玄武巖隧道突涌地層段開展超前探測研究，并對突涌段落TSP物性參數(shù)變化規(guī)律進行總結分析，得到如下結論：

1)玄武巖隧道發(fā)生突涌必須具備足夠的突涌物來源和便利的存儲運移條件，但突涌的誘因卻是復雜多樣的，隧道建設者應清晰掌握區(qū)域工程地質特征，評估是否存在發(fā)生突涌的前提條件，分析可能存在的突涌地質誘因，提前采取防護措施，避免盲目施工。

2)TSP法超前地質預報技術可以對玄武巖隧道突涌地層段進行有效的探測，在采用TSP法進行探測的基礎上再輔以超前鉆孔等方法進行探測驗證，能夠有效地掌控地質情況，規(guī)避風險，確保施工安全。

3)本文中的工程實例表明，玄武巖隧道發(fā)生突涌位置附近對應于明顯的TSP物性參數(shù)變化，表現(xiàn)為橫波速度下降，泊松比及縱橫波速比顯著上升，縱橫波速比平均增加率在7 %以上，泊松比平均增加率可達15 %以上，同時在橫波速度圖譜中相應位置也對應有明顯的低速異常區(qū)，但在實際工作中需注意的是，應結合更多類似地質條件下的工程實例對TSP物性參數(shù)變化規(guī)律開展進一步的分析研究，并在過程中不斷進行調整和優(yōu)化。

5.2 建 議

1)玄武巖隧道發(fā)生突涌的誘因復雜多樣，需要加以甄別，并給出針對性的防護措施。在實際玄武巖隧道中可能存在多種突涌誘因并存的情況下，隧道發(fā)生突涌等地質災害的幾率將增加，此時需要綜合分析各種誘因影響程度，針對性地強化探測手段和加強防護措施。

2)TSP法進行隧道超前地質預報時，物性參數(shù)的變化特征可以提供較好的分析依據(jù)，但同時也要注意結合速度分析圖譜等信息進行綜合判識。

3)復雜地質條件下的玄武巖隧道，在條件許可的情況下，超前地質預報應采用長、中、短距離預報方法相組合的模式，結合各類方法優(yōu)點相互印證并開展綜合超前地質預報，提高探測精度。