突涌地質(zhì)隧道TSP法彈性參數(shù)判識研究

舒 森

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

截至2017年底，中國正在建設(shè)的特長鐵路隧道156座，總長2115 km。其中，長度20 km以上的特長隧道6座，累計長度151 km。規(guī)劃中的特長鐵路隧道270座，總長3 834 km。其中，長度20 km以上的特長隧道19座，累計長度465 km[1]。長大隧道的建設(shè)，特別是中西部地區(qū)的特長隧道的建設(shè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，其中在建的鄭萬、貴南、成昆、大瑞和玉磨鐵路與勘察設(shè)計中渝昆高鐵等都位于川、渝、滇、黔的崇山峻嶺之間，地質(zhì)條件極其復(fù)雜，隧道施工中發(fā)生突水突泥等重大地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險極大。據(jù)統(tǒng)計，21 世紀(jì)的前10年間，我國大型基礎(chǔ)設(shè)施項目建設(shè)過程中，突水突泥及其誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害占隧道工程重大安全事故總數(shù)的77.3%[2]。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在對突涌高危地質(zhì)段落有較為深刻的認(rèn)識，如何振寧以10個鐵路隧道工程實(shí)例對高壓富水巖溶，侵入巖脈蝕變風(fēng)化破碎巖體塌方和突泥，富水逆掩斷層破碎帶大規(guī)模突泥，新第三系地層突泥涌砂，白云巖剪漲裂縫涌水、涌砂，石英砂巖斷裂密集破碎帶突水涌砂5個易發(fā)突水突泥不良地質(zhì)問題作了歸納與總結(jié)[3]。李術(shù)才等結(jié)合221個工程案例，對隧道突水突泥致災(zāi)構(gòu)造分類、地質(zhì)判識、孕災(zāi)模式高壓富水巖溶問題分別進(jìn)行研究與總結(jié)[4]。這些對隧道突涌地質(zhì)類型及機(jī)理的總結(jié)認(rèn)識對施工突涌地質(zhì)風(fēng)險判識有較好的理論指導(dǎo)意義。

但由于巖溶發(fā)育的空間特異性和富水地質(zhì)體與隧道接觸位置的不確定性，在施工過程中對突涌段落具體位置及影響的判斷必須依靠超前地質(zhì)預(yù)報。如何發(fā)現(xiàn)高突涌風(fēng)險段落，制定對應(yīng)施工超前支護(hù)措施，是避免施工隧道突涌或降低其影響的關(guān)鍵。

筆者結(jié)合長期在極高風(fēng)險隧道建設(shè)中的地震波反射法(TSP)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以云南4座在建極高風(fēng)險隧道典型突涌段落為例，對突涌地質(zhì)情況及突涌段落地震波反射法(TSP)的預(yù)報成果進(jìn)行了總結(jié)，歸納了隧道突涌地質(zhì)特征，分析突涌工程地質(zhì)條件和地震波反射法彈性參數(shù)特征，得出了大規(guī)模突涌時地震波反射法彈性參數(shù)變化及判斷標(biāo)準(zhǔn)。這些判斷標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)踐中有很好的指導(dǎo)與較高的實(shí)踐價值，可供參考借鑒。

1 突涌地質(zhì)特點(diǎn)

隧道施工突涌的直接原因是富水地質(zhì)體，典型突涌隧道如：玉蒙鐵路秀山隧道活動斷層破碎帶、高壓富水破碎白云巖和剪張裂縫地質(zhì)條件下的突水涌砂(泥)[5-7]，大麗鐵路禾洛山隧道碎裂玄武巖夾凝灰?guī)r差異風(fēng)化形成的裂隙通道涌水[8-12]，大瑞鐵路大柱山隧道橫穿街子坡復(fù)式向斜富水構(gòu)造，在可溶巖及多個斷層褶皺的共同作用下揭穿多個儲水構(gòu)造的大規(guī)模突涌[13-14]，廣大鐵路祥和隧道輝綠巖蝕變帶及構(gòu)造裂隙突水突泥[15]，云桂鐵路石林、新哨隧道和大瑞鐵路高黎貢山隧道巖溶突水突泥[16-17]，玉磨鐵路揚(yáng)武隧道前震旦系昆陽群地層漸進(jìn)破壞型突水涌泥，甘莊隧道層間裂隙大量涌水。從典型隧道突涌地質(zhì)情況分析，易發(fā)突涌地質(zhì)與構(gòu)造作用、巖溶發(fā)育、蝕變帶接觸、可溶巖與非可溶巖接觸程度和差異風(fēng)化程度密不可分，其中構(gòu)造、巖溶與地下水補(bǔ)給是影響隧道突涌的主要因素。同時可將云南隧道突涌地質(zhì)特征簡明歸納為5類，見表1。

表1 突涌地質(zhì)特征

由表1可見，突涌高發(fā)區(qū)域由于必然存在過水通道，所以與周圍一般段落圍巖在地下水及裂隙發(fā)育程度上必然存在差異，開挖中可以從中長距離上通過TSP的彈性參數(shù)變化趨勢來分析。

2 地震波反射法(TSP)彈性參數(shù)

以TSP地震預(yù)報系統(tǒng)為例，數(shù)據(jù)處理后可以得到縱波速度Vp、橫波波速Vs，然后通過計算可以得到密度ρ、動態(tài)楊氏模量E、剪切模量μ、體積模量k、拉梅常數(shù)λ和泊松比σ等彈性參數(shù)。

由于地震波反射波不可能直接得到密度，密度ρ是由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出得到的，同時動態(tài)楊氏模量、剪切模量、體積模量和拉梅常數(shù)等參數(shù)是由密度和縱橫波速度共同導(dǎo)出，所以密度計算經(jīng)驗(yàn)公式?jīng)Q定了以上參數(shù)的變化，因此在本文彈性參數(shù)分析中暫不考慮此類導(dǎo)出參數(shù)。

根據(jù)《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)規(guī)程》條文說明及關(guān)于地震波反射法資料地質(zhì)判釋經(jīng)驗(yàn)的內(nèi)容，可知Vp/Vs和泊松比σ是用來判斷流體的重要參數(shù)[18-21]。關(guān)于流體分析的主要內(nèi)容如下。

(1)Vp/Vs有較大的增加或泊松比σ突然增大，常常因流體的存在而引起。

(2)若Vp下降，則表明裂隙密度或孔隙度增加；

(3)關(guān)于Vp/Vs。①固結(jié)的巖石Vp/Vs<2.0，泊松比σ<0.33；②當(dāng)巖石的孔隙充滿氣時，Vp/Vs從1.4→2.0；③當(dāng)巖石的孔隙充滿氣時，Vp/Vs從1.3→1.7；④水飽和的未固結(jié)地層Vp/Vs2.0。當(dāng)巖體中含流體時，Vp與孔隙度和孔隙中流體的性質(zhì)有關(guān)，Vp會明顯降低。Vs只與骨架速度有關(guān)而與孔隙中流體無關(guān)，Vs不發(fā)生明顯變化。

(4)關(guān)于沉積巖的泊松比σ。①未固結(jié)的土層，往往具有非常高的泊松比σ(0.4以上)；②泊松比σ常隨孔隙度的減小及沉積物固結(jié)而減少；③高孔隙度的飽和砂巖往往具有較高的泊松比σ(0.3～0.4)；④氣飽和高孔隙度砂巖往往具有較低的泊松比σ(如低到0.1)。

綜上可見，縱波速度Vp、橫波波速Vs、縱橫波速比Vp/Vs和泊松比σ四項參數(shù)既是可靠穩(wěn)定的，也是地下水分析時使用的重要彈性參數(shù)。泊松比計算見公式(1)。

(1)

3 典型突涌案例及彈性參數(shù)分析

本文選取了構(gòu)造巖溶水、巖溶管道水、構(gòu)造影響帶軟弱破碎巖體和可溶巖與非可溶巖接觸帶層間裂隙水4個類型的典型突泥涌水實(shí)例，進(jìn)行突涌地質(zhì)因素分析。也對4個實(shí)例位于掌子面、變化起點(diǎn)和突涌發(fā)生位置的縱波速度、橫波波速、縱橫波速比和泊松比4項彈性參數(shù)進(jìn)行整理與對比分析。

3.1 構(gòu)造巖溶水案例(大柱山隧道)

大柱山隧道富水?dāng)鄬哟笕痂F路(大保段)大柱山隧道長約14.5 km，位于云南西南部橫斷山脈，坐落于瀾滄江旁。隧道工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，具有斷層破碎帶、巖溶、巖溶水、侵入巖、高地溫等不良地質(zhì)。施工中遭遇多次突水涌泥，2008年開工至2017年隧道累計涌水量達(dá)到1.4億m3，被稱為“中國最難隧道”。施工先后通過燕子窩、水寨和搬家寨等富水?dāng)鄬?，其中又以燕子窩斷層施工難度最大，耗時最長。

2009年8月5日，進(jìn)口平導(dǎo)施工至PDK110+860時，出砟完畢后準(zhǔn)備立架，發(fā)現(xiàn)左側(cè)邊墻拱部涌水突泥，初期為30 cm的小洞，迅速發(fā)展成寬2.6 m、高2 m的孔洞，米粒大小的砟、砂、土等物不斷被沖出孔洞外，泥石流堆積體越來越多，出水孔洞也不斷向隧道前進(jìn)方向和向上發(fā)展，目測空腔深8～10 m，高7～9 m，縱向深度不詳。統(tǒng)計平均涌水量約950 m3/h，最大12 180 m3/h。突水突泥發(fā)生后地表溝渠上下游水量未發(fā)現(xiàn)有明顯的變化。見圖1。

圖1 燕子窩斷層PDK110+860突涌照片

3.1.1 燕子窩斷層突涌段彈性參數(shù)分析

該段于PDK110+840完成TSP探測，得到二維成果(圖2)，并對掌子面PDK110+840、泊松比上升起點(diǎn)PDK110+852和涌水突泥的PDK110+860位置Vp、Vs、Vp/Vs和σ參數(shù)進(jìn)行整理，并計算變化位置與掌子面彈性參數(shù)的變化率，詳見表2。

圖2 燕子窩斷層TSP二維成果

序號里程Vp/(m/s)變化率/%Vs/(m/s)變化率/%Vp/Vs變化率/%泊松比(σ)變化率/%1PDK111+8403935—2264—1.738—0.253—1PDK111+8523901-0.862088-7.771.8687.490.29918.471PDK111+8603677-6.562031-10.291.8104.160.28011.042PDK111+8403960—2261—1.751—0.258—2PDK111+8523959-0.032155-4.691.8374.890.28912.132PDK111+86039620.052121-6.191.8686.650.29915.87

注：1.序號1為炮檢同側(cè)數(shù)據(jù)，序號2為炮檢異側(cè)數(shù)據(jù)；2.變化率為“+”值時為上升，變化率為“-”值時為降低。

由P波速度分析(圖3)可發(fā)現(xiàn)，PDK110+852～PDK110+860段附近存在明顯的紅色低速帶(暖色為低速度區(qū)域，冷色為高速度區(qū)域，顏色越紅則顯示P波速度越低)，這是斷層核部及兩翼的物性差異造成的，也就是突涌段與相對正常段在波速上存在明顯差異。

圖3 P波速度分析

3.1.2 燕子窩斷層涌水突泥地質(zhì)因素分析

燕子窩斷層為張性富水正斷層(圖4)，埋深454 m。該斷層斷裂走向N25°W，傾向NE，傾角陡。斷裂附近巖層產(chǎn)狀紊亂，牽引褶曲、小斷裂極發(fā)育。NE盤巖層為安山玄武巖，SW盤巖層為白云巖，產(chǎn)狀為N50°E/70°SE。斷層軸線與線路呈約48°角。

斷層破碎帶物質(zhì)主要為斷層泥砂，呈灰褐色、灰黃色 ，軟塑狀局部為流塑狀，間雜大小不等的灰?guī)r及少量玄武巖質(zhì)角礫、碎石及塊石，破碎影響帶主要以斷層角礫為主。地下水主要為燕子窩斷層下盤斷層影響帶的斷層水及線路左側(cè)的可溶巖中巖溶裂隙水。斷裂構(gòu)造對巖體破壞作用，斷裂、可溶巖與非可溶巖接觸帶富水通道的發(fā)育，造成了該斷層不斷突涌的巨大施工危害性。雖然在突涌前20 m便判斷了斷層存在突涌風(fēng)險，但施工措施對前方突涌的破壞程度考慮不足，揭穿巖盤后水量激增，導(dǎo)致了突涌的發(fā)生。

圖4 大柱山隧道燕子窩斷層示意

3.2 巖溶管道水案例(高黎貢山隧道)

大瑞鐵路(保瑞段)高黎貢山隧道長約34.5 km，是目前亞洲最長的山嶺鐵路隧道，位于印度板塊與歐亞板塊相碰撞的板塊結(jié)合帶，為青、藏、滇、緬巨形“歹”字形構(gòu)造西支中段弧形構(gòu)造帶與經(jīng)向構(gòu)造帶之“蜂腰部”南段。地形地質(zhì)條件極為復(fù)雜，隧道施工將穿越19條活動斷裂帶，將遭遇高溫?zé)岷?、斷層破碎帶、突水突泥、高地?yīng)力軟巖大變形等難題。

2015年9月15日，平導(dǎo)施工至PD1K192+862.6，在出砟過程中，發(fā)現(xiàn)砟堆中有一股水流出，水量逐漸增大，挖機(jī)清理過程中，水量繼續(xù)增大，于PD1K192+863處底板附近揭示富水巖溶管道，寬約為55 cm，水從平導(dǎo)底部左側(cè)流向右側(cè)，流量為2 000 m3/h。經(jīng)作業(yè)揭示PD1K192+863處存在寬度約為1 m的灰黑色灰?guī)r夾層，大角度與平導(dǎo)走向相交，施工后坍塌形成空腔。見圖5。

圖5 高黎貢山隧道巖溶管道現(xiàn)場照片

3.2.1 巖溶管道段彈性參數(shù)分析

綜上筆者對BIM技術(shù)的應(yīng)用價值進(jìn)行理論分析，隨著時代的發(fā)展BIM技術(shù)在各行各業(yè)中得到了應(yīng)用，并呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用效果，通過BIM技術(shù)的運(yùn)用可實(shí)現(xiàn)信息化有效建設(shè)，對建筑施工質(zhì)量水平的提升起到有效作用，據(jù)此建筑企業(yè)應(yīng)對BIM技術(shù)的應(yīng)用價值引起重視，使其在建筑工程中更好地發(fā)揮作用，有利于施工項目施工和管理的正常進(jìn)行，促進(jìn)我國建筑事業(yè)的全面發(fā)展。

該段于PD1K192+805完成TSP探測，得到二維成果(圖6)，并對掌子面PD1K192+805、泊松比上升點(diǎn)PD1K192+853和巖溶管道揭穿的PD1K192+863位置Vp、Vs、和Vp/Vs和σ參數(shù)進(jìn)行整理，并計算變化位置與掌子面彈性參數(shù)的變化率，詳見表3。

由表3可見：(1)縱波波速上升平均變化率約5.95%，與巖溶管道兩側(cè)圍巖堅硬完整情況相符；(2)整體橫波下降平均變化率約5.85%，與巖溶管道貫通

圖6 高黎貢山隧道TSP二維成果

表3 巖溶管道TSP彈性參數(shù)對比

注：1.序號1為炮檢同側(cè)數(shù)據(jù)，序號2為炮檢異側(cè)數(shù)據(jù)；2.變化率為“+”值時為上升，變化率為“-”值時為降低。

隧道情況相符；(3)Vp/Vs由1.7→2.1變化，符合裂隙充滿水及水飽和未固結(jié)的解釋原則；(4)Vp/Vs和σ呈上升趨勢，泊松比變化幅度大于縱橫波速比約2倍。

P波速度分析見圖7，突涌段附近PD1K192+863前方存在明顯低速帶，巖溶管道附近速度呈現(xiàn)明顯變化，前后高速帶分布與管道周圍比較完整且?guī)r質(zhì)較硬的圍巖實(shí)際情況相吻合。

圖7 P波速度分析

3.2.2 富水巖溶管道地質(zhì)因素分析

該管道所處地段處于董別斷層與地下水位交界影響區(qū)域(圖8)，其中斷層與線路交角86°，走向N36°W，傾向NE。為正斷層，傾角50°～75°，斷層破碎帶寬約25 m，SW盤為三疊系中統(tǒng)河灣街組(T2h)白云巖，NE盤為侏羅系勐戛組下段(J2m1)砂巖、泥巖夾泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，斷層附近產(chǎn)狀紊亂，巖體破碎。這些因素為巖溶管道的發(fā)育創(chuàng)造了有利條件，出水后導(dǎo)致附近一泉點(diǎn)水量減小，該泉點(diǎn)推測為三疊系中統(tǒng)河灣街組(T2h)白云巖巖溶與侏羅系勐戛組下段(J2m1)砂、泥巖裂隙形成通道，巖溶水經(jīng)裂隙后于泉點(diǎn)流出。采取措施恢復(fù)巖溶管道過水通道后，泉點(diǎn)水量逐步恢復(fù)。

圖8 高黎貢山隧道董別斷層示意

巖溶管道正處于可溶巖地層斷裂與地下水位線共同作用的區(qū)域，處于垂直滲入帶與季節(jié)變動帶交替影響的范圍，存在巖溶管道是正?，F(xiàn)象。結(jié)合前期開挖過程中無明顯巖溶發(fā)育現(xiàn)象，無地下水發(fā)育情況，預(yù)報雖然判斷對應(yīng)段落存在一定地質(zhì)問題，但提示為軟弱夾層或溶蝕裂隙，并且由于超前鉆探與加深炮孔均未揭示存在地下水，所以未能判斷存在富水巖溶管道。這既與巖溶發(fā)育空間不均勻性有關(guān)(該管道發(fā)育主要位于隧底和開挖輪廓線的下方，給探測造成較大難度)，也與現(xiàn)有技術(shù)手段難以準(zhǔn)確判斷巖溶空間位置有關(guān)(可溶巖地層超前鉆探有時反而產(chǎn)生誤導(dǎo))。因此，巖溶發(fā)育段落預(yù)報工作需要在巖溶空間位置判斷上有所突破，特別是如何有效采取物探預(yù)報指導(dǎo)鉆探有效實(shí)施的工作需要加強(qiáng)。

3.3 構(gòu)造影響帶軟弱巖體突涌案例(揚(yáng)武隧道)

中老鐵路(玉磨段)揚(yáng)武隧道長14.8 km，是中老鐵路上百座隧道已開挖揭示中地質(zhì)條件最為復(fù)雜，先后多次發(fā)生突泥地質(zhì)災(zāi)害的重難點(diǎn)隧道，隧區(qū)位于石屏-建水?dāng)嗔押蛽P(yáng)武—青龍廠大斷裂間，部分段落與揚(yáng)武-青龍廠大斷裂平行，洞身穿越5條斷層、1條向斜、1條背斜，地質(zhì)情況極其復(fù)雜。2017年施工過程中發(fā)生數(shù)次突涌(圖9)，給隧道工期及安全建設(shè)帶來較大影響。

圖9 揚(yáng)武隧道突涌

2017年7月19日，出口正洞施工至D1K60+983，上臺階核心土在掌子面發(fā)生失穩(wěn)，最前方兩榀拱架直接被擠壓破壞，隨之出現(xiàn)涌砂，涌砂量約360 m3，呈砂礫狀。涌砂前，掌子面里程為D1K60+986，已經(jīng)噴混凝土封閉，發(fā)現(xiàn)核心土出現(xiàn)裂縫，貫穿整個核心土，裂縫最大寬度約15 cm，裂縫內(nèi)為黃色細(xì)砂如圖10所示。

圖10 揚(yáng)武隧道涌砂

3.3.1 涌砂段彈性參數(shù)分析

該段于D1K61+046完成TSP探測，得到二維成果(圖11)，對掌子面D1K61+046、泊松比突增D1K60+994處和涌砂D1K60+983處Vp、Vs、Vp/Vs和σ進(jìn)行整理，計算變化位置與掌子面彈性參數(shù)的變化率，詳見表4。

由表4可見：(1)涌砂段縱橫波速以下降趨勢為主，由各波速變化率可分析出D1K60+983圍巖破碎程度較D1K60+994更高；(2)D1K60+983處炮檢異側(cè)縱波波速大幅下降，Vp/Vs和σ不升反降，炮檢同側(cè)縱橫波速下降，Vp/Vs和σ上升，顯示了該處圍巖破碎程度與地下水賦存不均勻，與涌砂但隧道結(jié)構(gòu)正常及無地下水的情況吻合；(3)橫波速度下降平均變化率4.39%；(4)Vp/Vs由1.7→2.1變化，符合裂隙充滿水及水飽和未固結(jié)的解釋原則。

圖11 涌砂段TSP二維成果

序號里程Vp/(m/s)變化率/%Vs/(m/s)變化率/%Vp/Vs變化率/%泊松比(σ)變化率/%1D1K61+0461707—999—1.709—0.240—1D1K60+9941658-2.87961-3.801.7250.970.2473.131D1K60+9831666-2.40933-6.611.7864.500.27213.362D1K61+0461801—994—1.812—0.281—2D1K60+994198910.44933-6.142.13217.660.35927.752D1K60+9831560-13.38984-1.011.585-12.500.170-39.63

注：1.序號1為炮檢同側(cè)數(shù)據(jù)，序號2為炮檢異側(cè)數(shù)據(jù)；2.變化率為“+”值時為上升，變化率為“-”值時為降低。

由圖12可見，涌砂段D1K60+994附近存在低速帶，也就是隧道開挖面前方極其破碎且松散的巖體，D1K60+983正處于圍巖不均勻破碎過渡變化的區(qū)域。

圖12 P波速度分析

3.3.2 涌砂段地質(zhì)因素分析

揚(yáng)武隧道出口涌砂段穿越三疊系上統(tǒng)干海子組(T3g)頁巖、炭質(zhì)頁巖、砂巖夾煤層(圖13)，并位于阿不都逆斷層破碎影響帶。該隧道受構(gòu)造運(yùn)動影響嚴(yán)重，且出口端涌砂段落位于阿不都逆斷層影響帶，巖體破碎程度更高，開挖中揭示巖體軟弱破碎，存在裂隙水，通過超前預(yù)報判斷存在突涌風(fēng)險。該段埋深較淺，地下水靜儲量有限，地表水補(bǔ)給不足，未形成較大水壓力。施工采取周邊注漿等超前支護(hù)措施，將地下水堵在了開挖輪廓線外，但由于巖體破碎程度極高，開挖釋壓過程中導(dǎo)致了掌子面失穩(wěn)擠出。但由于無地下水作用，干砂狀的巖體的流動性差，危害也降低了。

圖13 揚(yáng)武隧道阿不都斷層示意

3.4 可溶巖與非可溶巖接觸帶層間裂隙涌水案例(甘莊隧道)

中老鐵路(玉磨段)甘莊隧道長15 km，位于“昆明系山字形”東翼之開遠(yuǎn)“山”字形構(gòu)造與南北向構(gòu)造小江斷裂帶的復(fù)合部位及“南嶺緯向構(gòu)造體系”的西延部分，區(qū)域構(gòu)造現(xiàn)象極為復(fù)雜。下伏前震旦系昆陽群鵝頭廠組(Pt1e)板巖在夾灰?guī)r、白云巖，落雪組(Pt1l)泥灰?guī)r、白云巖。隧道主要穿越馬鹿汛斷層、紅龍廠逆斷層、青龍廠逆斷層和他克逆斷層。

目前，甘莊隧道2號斜井是全線涌水量最多的工點(diǎn)，自2017年以來， 4月份累計排水量約24.7萬m3；5月份累計排水量約76.7萬m3；6月份累計排水量約59.3萬m3；7月份累計排水量約78.8萬m3；8月份累計排水量約56.2萬m3；9月份累計排水量約50.2萬m3；10月份累計排水量約49.8萬m3；11月份累計排水量約53.6萬m3，12月份累計排水量約51.2萬m3。

甘莊隧道2號斜井2.5 km施工過程中先后揭示18個富水點(diǎn)，其中2017年4月18日X2DK1+471處突發(fā)涌水見圖14，鉆孔泄水過程中最高涌水量達(dá)到3.4萬m3/d，穩(wěn)定時在1.6萬m3/d左右。

圖14 甘莊隧道涌水照片

3.4.1 涌水段TSP數(shù)據(jù)特征

該段于X2DK1+496完成TSP探測，得到二維成果(圖15)，并對掌子面X2DK1+496、泊松比增長起點(diǎn)X2DK1+485和涌水X2DK1+471位置Vp、Vs、Vp/Vs和σ進(jìn)行整理，計算變化位置與掌子面彈性參數(shù)變化率，詳見表5。

圖15 X2DK1+471段TSP二維成果

序號里程Vp/(m/s)變化率/%Vs/(m/s)變化率/%Vp/Vs變化率/%泊松比σ變化率/%1X2DK1+4965115—2923—1.750—0.258—1X2DK1+4855048-1.312884-1.331.7500.020.2580.071X2DK1+4714974-2.762898-0.861.716-1.920.243-5.632X2DK1+4964871—2862—1.702—0.236—2X2DK1+48549281.172650-7.411.8609.260.29725.482X2DK1+47150313.282648-7.481.90011.630.30830.47

注：1.序號1為炮檢同側(cè)數(shù)據(jù)，序號2為炮檢異側(cè)數(shù)據(jù)；2.變化率為“+”值時為上升，變化率為“-”值時為降低。

由表5可見：(1)由于涌水段前后圍巖堅硬完整，炮檢同側(cè)的縱橫波速變化不大；(2)炮檢異側(cè)的縱波波速上升，橫波速度下降7%；(3)炮檢異側(cè)的Vp/Vs和σ呈上升趨勢，泊松比變化幅度大于縱橫波速比約3倍；(4)炮檢異側(cè)的Vp/Vs由1.7→1.9變化、σ由0.2→0.3變化符合裂隙充滿水及水飽和未固結(jié)及較多孔隙的解釋原則；(5)由圖14(a)可知掌子面前方左右側(cè)皆富水，但探測成果顯示炮檢異側(cè)數(shù)據(jù)反映明顯突出，這與裂隙發(fā)育的走向與隧道接觸位置及地震波反射接收的方位有關(guān)。

P波速度分析見圖16，涌水段X2DK1+471位于暖色低速區(qū)域中心，但低速區(qū)域范圍較小且遠(yuǎn)離隧道軸線。這與現(xiàn)場雖然揭示富水裂隙通道，但并未發(fā)現(xiàn)明顯的可溶巖痕跡，圍巖強(qiáng)度及完整程度變化不大情況相吻合。

3.4.2 涌水地質(zhì)因素分析

甘莊隧道2號斜井穿越地層巖性主要為鵝頭廠組板巖夾灰?guī)r、砂巖(圖17)，突水段落未見明顯的巖溶發(fā)育痕跡，巨大水量的來源主要是因?yàn)樗淼绤^(qū)域巖層受構(gòu)造作用影響較強(qiáng)烈，在可溶巖與非可溶巖接觸帶附近，巖體深部溶隙及裂隙為良好導(dǎo)水通道，雖然隧道并未揭示巖溶通道，但地下水仍然順著層間節(jié)理與裂隙向隧道開挖形成的低勢點(diǎn)匯聚流動。

圖16 P波速度分析

圖17 甘莊隧道2號斜井示意

甘莊隧道2號斜井圍巖大多完整堅硬，而施工中主要地質(zhì)問題就是涌水點(diǎn)的不確定性，但分析其成因后便可抓住該問題的關(guān)鍵—裂隙。TSP數(shù)據(jù)分析緊密圍繞反射界面變化程度，預(yù)報裂隙存在情況及預(yù)測含水程度，并通過鉆探進(jìn)行驗(yàn)證，提前優(yōu)化施工措施，便可確保施工安全及效率。開挖過程中，層間裂隙基本都能夠通過TSP預(yù)報并劃定鉆探驗(yàn)證重點(diǎn)段落。通過超前鉆探提前揭示釋放的地下水由于預(yù)留穩(wěn)定巖盤，對施工產(chǎn)生的不利影響較低。所以，該工點(diǎn)TSP長距離劃定重點(diǎn)裂隙富水段落，臨近超前鉆探的預(yù)報方式較好的指導(dǎo)了變更設(shè)計、超前支護(hù)及排水措施的制定。

4 突涌地質(zhì)及TSP特征分析

隧道突涌的發(fā)生常是因?yàn)樗淼拦こ陶婊蚋呶唤掖﹥煞N及以上不利地質(zhì)因素的組合，比如大柱山燕子窩斷層突涌是正面揭穿斷裂與巖溶富水地質(zhì)體，多個不良地質(zhì)體的綜合作用更易造成大規(guī)模突涌災(zāi)害。突涌的危害主要與地下水體規(guī)模有關(guān)，其中動態(tài)水占主導(dǎo)的災(zāi)害破壞威力巨大，如大柱山燕子窩斷層、高黎貢山巖溶管道等構(gòu)造及巖溶水。動態(tài)水一般持續(xù)時間長如甘莊隧道層間裂隙水，持續(xù)時間較長且穩(wěn)定。靜態(tài)水占主導(dǎo)的危害程度與圍巖破碎程度及靜儲量大小有關(guān)，一般靜儲量大時，圍巖軟弱破碎突涌的災(zāi)害并不亞于動態(tài)水突涌，但總體上靜態(tài)水的儲量相對有限，其突涌持續(xù)時間相對較短。靜儲量地下水的釋放明顯滯后，這會在開挖中產(chǎn)生誤導(dǎo)，如揚(yáng)武隧道突涌大多無明顯先兆，開挖后也無明顯地下水發(fā)育痕跡，但在進(jìn)一步施工過程中由于地下水不斷通過裂隙向低勢點(diǎn)匯集，軟弱破碎巖體不能形成穩(wěn)定巖盤，破碎巖體在水的作用下發(fā)生突涌或溜塌。

TSP(地震波反射法)作為隧道超前地質(zhì)預(yù)報的主要中長距離及貫通開展的預(yù)報方法，應(yīng)劃定重點(diǎn)段落，結(jié)合地質(zhì)條件及開挖經(jīng)驗(yàn)，選擇更具針對的鉆探及物探方案對高風(fēng)險段落進(jìn)行探測，提高超前判識風(fēng)險的能力。如表6所示，雖然4個實(shí)例突涌地質(zhì)條件及影響程度存在差別，但突涌段與正常段的Vp、Vs、Vp/Vs和σ四項參數(shù)上存在明顯變化與差異，由表2～表6，將突涌隧道共性彈性特征歸納如下。

表6 4實(shí)例最大涌水量——突涌處與掌子面彈性參數(shù)對比

(1)富水時，Vp/Vs與σ都呈增長趨勢，Vp/Vs變化率增長約5%以上，σ變化率增長約10%以上；(2)富水時，Vp/Vs由1.7→2.0變化，σ由0.25→0.3變化；(3)層狀裂隙或構(gòu)造破碎時，Vp均呈下降趨勢；(4)可溶巖富水時，Vp不一定下降；(5)存在裂隙及富水通道時，Vs均呈下降趨勢；(6)Vp和Vs同時下降時，圍巖破碎及地下水發(fā)育程度同步上升；(7)Vp上升、Vs下降時，圍巖完整程度變化不大，地下水及裂隙發(fā)育程度上升；(8)受構(gòu)造或富水通道與隧道空間交匯位置的影響，左右兩側(cè)彈性參數(shù)在突水點(diǎn)變化趨勢不一致是正?，F(xiàn)象，有一側(cè)參數(shù)顯示突涌風(fēng)險時就應(yīng)考慮整體突涌風(fēng)險。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

(1)對復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道突涌地質(zhì)災(zāi)害及TSP主要彈性參數(shù)變化特點(diǎn)的分析研究，表明作為突涌災(zāi)害基本致災(zāi)因素與地災(zāi)體形成物質(zhì)基礎(chǔ)的地下水與破碎巖體(或裂隙通道)是能夠通過TSP彈性參數(shù)進(jìn)行判識的。地下水主要通過與Vp/Vs與σ進(jìn)行判識，破碎巖體(或裂隙通道)主要通過Vp和Vs進(jìn)行判識。

(2)研究中涉及的隧道巖體大部分是由固結(jié)巖體構(gòu)成，因此本文研究的彈性參數(shù)判識依據(jù)主要針對固結(jié)巖體為主的隧道。得到的Vp/Vs與σ判識的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程判定是一致的，明確了規(guī)模富水地質(zhì)體發(fā)生突涌前Vp/Vs變化率增長約5%及以上，σ變化率增長約10%及以上的變化幅度，Vp/Vs從1.7→2.0，σ從0.25→0.3的變化趨勢。

(3)研究分析不同特點(diǎn)突涌地質(zhì)下Vp與Vs的關(guān)系與變化特點(diǎn)，這些規(guī)律與規(guī)程內(nèi)容并不矛盾，關(guān)鍵是結(jié)合隧道地質(zhì)條件分析潛在富水地質(zhì)體物性特點(diǎn)和儲水環(huán)境，理清巖體、構(gòu)造、巖溶等地下水賦存載體(轉(zhuǎn)移通道)與地下水的關(guān)系。分析Vp的Vs關(guān)系和變化特點(diǎn)有助于分析潛在突涌地質(zhì)特點(diǎn)，Vp下降是判斷層狀構(gòu)造、巖體強(qiáng)度降低、巖體破碎程度上升的重要指標(biāo)。Vs下降是判斷裂隙發(fā)育程度上升的重要指標(biāo)。

5.2 建議

(1)Vp、Vs、Vp/Vs與σ四項參數(shù)進(jìn)行分析時應(yīng)緊密結(jié)合勘查地質(zhì)資料，綜合反射波界面和速度圖對圍巖完整及地下水發(fā)育程度進(jìn)行分析，判識標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)類似工程實(shí)例數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，并在過程中動態(tài)調(diào)整優(yōu)化。

(2)地震波反射法(TSP)作為目前隧道長距離貫通預(yù)報方法，應(yīng)在風(fēng)險隧道的預(yù)報中有效發(fā)揮其作用，特別是中長距離進(jìn)行重點(diǎn)段落風(fēng)險預(yù)判，并通過臨近預(yù)報措施的優(yōu)化驗(yàn)證風(fēng)險地質(zhì)段落，指導(dǎo)動態(tài)設(shè)計。但應(yīng)用中仍然出現(xiàn)預(yù)報準(zhǔn)確性較差的問題，未能有效指導(dǎo)施工。這主要是由于單通道數(shù)據(jù)采集，原始數(shù)據(jù)質(zhì)量低，預(yù)報方法特點(diǎn)等原因造成。

以目前應(yīng)用最廣的TSP203系統(tǒng)為例，可以采用1～4個傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，根據(jù)《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)規(guī)程》(Q/CR 9217—2015)附錄J-地震波反射法觀測系統(tǒng)設(shè)計[18]，數(shù)據(jù)采集中應(yīng)至少采用2個傳感器，但僅使用1個傳感器進(jìn)行單側(cè)數(shù)據(jù)采集的情況卻并不少見。這一是會造成對側(cè)數(shù)據(jù)的缺失，特別是在巖溶及復(fù)雜地質(zhì)缺失的信息可能就是關(guān)鍵；二是造成數(shù)據(jù)處理解釋較大誤差，采用多通道數(shù)據(jù)處理可以進(jìn)行對比處理，當(dāng)不同通道的反射界面、物理參數(shù)變化一致性越高時預(yù)報準(zhǔn)確性也越高。

(3)原始數(shù)據(jù)質(zhì)量是一切預(yù)報工作的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)采集應(yīng)按照預(yù)報規(guī)程要求執(zhí)行。針對一些數(shù)據(jù)采集實(shí)際問題、數(shù)據(jù)處理方法和它們造成的影響，舒森[14]、王樹棟[22]等人提出了較好的解決辦法，也在實(shí)踐中取得較好效果，值得借鑒。

(4)地震波反射法對層狀結(jié)構(gòu)的不良地質(zhì)體的探查效果較好，對空間三維體的預(yù)報還在發(fā)展中，更多必須依靠鉆探、地質(zhì)雷達(dá)和其他方法進(jìn)行輔助探測；對含水地質(zhì)體也必須結(jié)合鉆探、瞬變電磁法進(jìn)行對比驗(yàn)證才能取得較好效果。根據(jù)不良地質(zhì)特點(diǎn)，依據(jù)預(yù)報方法優(yōu)缺點(diǎn)[16]，進(jìn)行合理搭配以達(dá)到最佳探測效果。