玄武巖隧道突涌地層段TSP法超前探測研究

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(gòu)造運動頻繁，褶皺斷裂發(fā)育，區(qū)內(nèi)廣泛分布有二疊系峨眉山組玄武巖，受深部構(gòu)造應(yīng)力和差異風化等作用影響，該地區(qū)出露的玄武巖地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道施工中地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。如何在玄武巖隧道中采用超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，準確探明前方地質(zhì)災(zāi)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(zhì)預(yù)報工作，業(yè)界雖然已經(jīng)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(nèi)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(zhì)預(yù)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(zhì)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(zhì)條件是復(fù)雜多樣的，隧道建設(shè)中依舊時常遭遇到突涌等不良地質(zhì)災(zāi)害，當前進一步深入開展在玄武巖隧道中的超前地質(zhì)預(yù)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(jié)目前工程建設(shè)中已發(fā)現(xiàn)的各類玄武巖隧道突涌，并結(jié)合其工程地質(zhì)概況，筆者對玄武巖隧道突涌地質(zhì)特征進行了歸納，同時借助開展的超前地質(zhì)預(yù)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(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)的巖石，巖石結(jié)構(gòu)常具氣孔狀、杏仁狀和斑狀結(jié)構(gòu)，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(zhì)和便利的存儲運移條件，但發(fā)生突涌的玄武巖隧道地質(zhì)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(gòu)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(shè)中遇到的絕大多數(shù)突涌類型?？偨Y(jié)上述實例可得到玄武巖隧道突涌一般具備如下地質(zhì)誘因：①地層穿越構(gòu)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(zhì)預(yù)報技術(shù)規(guī)程》相關(guān)的條文說明[4]以及前人大量開展的工程實例所總結(jié)出來的經(jīng)驗[5-12]，對地震波反射法數(shù)據(jù)成果的解譯應(yīng)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(cè)介質(zhì)物性的相對關(guān)系。反射系數(shù)越大，代表反射界面兩側(cè)介質(zhì)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(guān)，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(shè)計時，根據(jù)前期地質(zhì)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(zhì)構(gòu)造，潛在的地質(zhì)風險，但受隧道埋深大、地質(zhì)條件復(fù)雜和勘察精度受限等因素影響，實際隧道開挖結(jié)果可能會與設(shè)計存在偏差。作為勘察設(shè)計的細化補充和隧道施工中探明前方地質(zhì)災(zāi)害的重要工具，在隧道中開展超前地質(zhì)預(yù)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(jié)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(zhì)構(gòu)造復(fù)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(nèi)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(zhì)災(zāi)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(jīng)數(shù)據(jù)采集處理得到圖1(紅色折線代表炮孔同側(cè)1號檢波器數(shù)據(jù)，藍色折線代表炮孔對側(cè)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(yīng)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(chǎn)生突涌，應(yīng)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(shè)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(jié)果可以看出,本次TSP超前預(yù)報較為準確地探測出了玄武巖隧道富水的地質(zhì)情況，現(xiàn)場根據(jù)預(yù)報結(jié)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(zhì)條件復(fù)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(nèi)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(jīng)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(yīng)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(yù)測DK41+205～+164段圍巖裂隙發(fā)育，含水量上升，易產(chǎn)生突涌，應(yīng)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(yù)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(yù)報結(jié)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(jié)論與建議

5.1 結(jié) 論

本文對玄武巖隧道發(fā)生突涌對應(yīng)的地質(zhì)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(jié)分析，得到如下結(jié)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(fù)雜多樣的，隧道建設(shè)者應(yīng)清晰掌握區(qū)域工程地質(zhì)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(zhì)誘因，提前采取防護措施，避免盲目施工。

2)TSP法超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)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(chǔ)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(zhì)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(yīng)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(yīng)位置也對應(yīng)有明顯的低速異常區(qū)，但在實際工作中需注意的是，應(yīng)結(jié)合更多類似地質(zhì)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(diào)整和優(yōu)化。

5.2 建 議

1)玄武巖隧道發(fā)生突涌的誘因復(fù)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(zhì)災(zāi)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(zhì)預(yù)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(jié)合速度分析圖譜等信息進行綜合判識。

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