玄武岩隧道突涌地层段TSP法超前探测研究

王汪汪,牟元存,王树栋

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

1 引 言

我国青藏高原东南部及川、滇两省西部地处横断山脉纵谷地带，位于欧亚板块和印度洋板块相碰撞的缝合带附近，新构造运动频繁，褶皱断裂发育，区内广泛分布有二叠系峨眉山组玄武岩，受深部构造应力和差异风化等作用影响，该地区出露的玄武岩地质条件复杂，隧道施工中地质灾害频发。如何在玄武岩隧道中采用超前地质预报技术，准确探明前方地质灾害隐患是一项需要重点开展研究的工作。当前对玄武岩隧道中的超前地质预报工作，业界虽然已经有了初步的探索和认识：例如，杨英采用地面高密度电法、可控源音频大地电磁法(Controllable Source Audio Frequency Magnetotelluric Method,CSAMT)法和洞内地震波反射法在大丽铁路禾洛山隧道差异风化的玄武岩夹凝灰岩地层中开展了超前地质预报工作[1]；周雅对织纳铁路孙家坡一号隧道玄武岩与灰岩接触带的地质情况进行了超前探测[2]。但对于广袤的玄武岩地区而言，地质条件是复杂多样的，隧道建设中依旧时常遭遇到突涌等不良地质灾害，当前进一步深入开展在玄武岩隧道中的超前地质预报研究，精准定位隧道高风险易突涌段落位置是亟待解决的问题。

总结目前工程建设中已发现的各类玄武岩隧道突涌，并结合其工程地质概况，笔者对玄武岩隧道突涌地质特征进行了归纳，同时借助开展的超前地质预报案例，对玄武岩隧道突涌地层段的地震波反射法(Tunnel Seismic Prediction,简称TSP)物性参数特征进行研究分析，提出了玄武岩隧道发生突涌时TSP物性参数的变化规律特征，这些可为今后类似地质条件下的探测工作提供积极的参考和借鉴。

2 玄武岩隧道突涌地质特征

玄武岩是一种基性喷出岩浆岩，由火山喷发出的岩浆在地表冷却后凝固而形成的一种致密性或泡沫状结构的岩石，岩石结构常具气孔状、杏仁状和斑状结构，并时常带有大的矿物晶体，属于非可溶岩。玄武岩隧道发生突涌的前提必须包含有足量的突涌物质和便利的存储运移条件，但发生突涌的玄武岩隧道地质诱因却不相同。

典型的玄武岩隧道突涌有云桂铁路新莲隧道穿越玄武岩向斜构造集水区发生涌突水[3]；织纳铁路孙家坡一号隧道玄武岩与灰岩接触带风化蚀变及岩溶管道发生突涌水；大丽铁路禾洛山隧道玄武岩夹凝灰岩差异风化形成孔隙通道涌水；丽香铁路中义隧道玄武岩基岩裂隙涌水、玄武岩地层沟槽浅埋段涌水。上述5类典型的案例可涵盖当前玄武岩隧道建设中遇到的绝大多数突涌类型。总结上述实例可得到玄武岩隧道突涌一般具备如下地质诱因：①地层穿越构造发育区；②岩层与可溶岩接触带；③差异风化作用明显形成孔隙地段；④基岩裂隙发育地段；⑤低洼沟槽浅埋地层段。

3 地震波反射法物性参数解译原则

通过对地震波反射法原始数据的资料处理，可以得到包括物性参数图、速度图谱等成果信息。依据《铁路隧道超前地质预报技术规程》相关的条文说明[4]以及前人大量开展的工程实例所总结出来的经验[5-12]，对地震波反射法数据成果的解译应遵循以下基本原则[13-17]：

1)反射系数的大小和极性反映了反射界面两侧介质物性的相对关系。反射系数越大，代表反射界面两侧介质的波阻抗差异越大；发射系数为正,代表地震波从软弱岩层传入致密岩层；反射系数为负，代表地震波传播从致密岩层至软弱岩层。

2)流塑体抗剪切能力较差，当岩层中存在流塑体时会表现出横波波速下降，当提取出的反射界面含较多的横波信号时，往往指示前方围岩含水。

3)地震波纵波速度与岩层的裂隙度和孔隙度紧密相关，裂隙度和孔隙度增加时，纵波速度减小，反之纵波速度增大。

4)纵横波波速比Vp/Vs有较大增加或泊松比σ突然增大，常常因流体的存在而引起。

4 玄武岩隧道突涌地层段TSP超前探测案例

隧道施工图设计时，根据前期地质勘察、地表物探、地表钻孔等资料可大致在施工图上大致划分出不同段落的地层岩性、地质构造，潜在的地质风险，但受隧道埋深大、地质条件复杂和勘察精度受限等因素影响，实际隧道开挖结果可能会与设计存在偏差。作为勘察设计的细化补充和隧道施工中探明前方地质灾害的重要工具，在隧道中开展超前地质预报必不可少[18-21]。本文采用TSP法对玄武岩隧道突涌地层段进行探测研究，通过分析纵横波波速、纵横波速比、泊松比等参数的变化规律并结合速度图谱异常速度区的分布特点，实现了对玄武岩隧道基岩裂隙涌水、低洼沟槽浅埋地段涌水的成功探测。

4.1 玄武岩隧道基岩裂隙涌水案例

丽香铁路中义隧道3号横洞全长2 562 m，沿线分布4条活动断裂带，地质构造复杂，

围岩为二叠系玄武岩地层，受活动断裂带影响，该区域内岩层裂隙发育，这为基岩裂隙水提供了良好的存储运移条件，隧道开挖中易遭遇突涌等地质灾害。

本项目于中义隧道3号横洞HD3K0+720处开展TSP法超前探测，检波器位置为HD3K0+782，隧道开挖朝小里程方向，经数据采集处理得到图1(红色折线代表炮孔同侧1号检波器数据，蓝色折线代表炮孔对侧2号检波器数据)所示双检波器下的TSP物性参数成果图，分析比对掌子面HD3K0+720和物性参数，拐点处两个里程位置的物理力学参数变化特征，详见表1。

图1 TSP物性参数成果Fig.1 Results of physical parameters of TSP

表1 TSP物理力学参数变化特征

由表1可知：1号检波器物性参数拐点(HD3K0+710)和2号检波器物性参数拐点(HD3K0+708)对应里程位置略有差别，但相对于掌子面HD3K0+720处的物性参数，变化趋势一致，表现为纵波波速升高，横波速度下降，纵横波波速比上升明显，平均上升率可达7.15 %；泊松比值增加较大，平均增加率达到15.38 %。同时由图2～图5双检波器下的SH波(横波的水平分量)、SV波(横波的竖直分量)速度图谱可得：1号检波器SV波在HD3K0+710～+677段存在明显的低速异常区(蓝色代表低速区域，红色代表高速区域)，SH波在HD3K0+710～+662段存在明显的低速异常区；2号检波器SV波在HD3K0+708～+678段存在明显的低速异常区，SH波在HD3K0+713～+690段存在明显的低速异常区。以上低速异常区相对于周边位置，其横波传播速度明显降低，根据本文第3节中第二条解译原则可知：上述横波异常低速区域很可能存在流塑体，综合表1中物理力学参数变化特征及图2～图5速度图谱变化特点，推测HD3K0+710～+677段围岩裂隙较发育，含水量上升，开挖过程中易产生突涌，应提前做好防护措施。

图2 检波器1-SV波速度分析图谱Fig.2 SV wave velocity analysis graphof detector 1

图3 检波器1-SH波速度分析图谱Fig.3 SH wave velocity analysis graphof detector 1

图4 检波器2-SV波速度分析图谱Fig.4 SV wave velocity analysis graphof detector 2

图5 检波器2-SH波速度分析图谱Fig.5 SH wave velocity analysis graphof detector 2

隧道实际开挖至HD3K0+709时，掌子面出水量开始增大，现场及时在掌子面增设超前水平钻孔，在钻进过程中大量水从钻孔中涌出,并伴有一定压力，如图6所示。由隧道实际开挖结果可以看出,本次TSP超前预报较为准确地探测出了玄武岩隧道富水的地质情况，现场根据预报结果采用超前钻孔进行排水泄压，同时强化了围岩支护措施，确保了施工安全，最终使隧道施工顺利通过本段。

图6 HD3K0+709处施工做业超前钻孔突涌水Fig.6 Water gushing from advance borehole at HD3K0+709

4.2 玄武岩隧道低洼沟槽浅埋地段涌水案例

丽香铁路中义隧道正洞全长14 745 m，隧道地质条件复杂多变，多条活动断裂带横贯其中，隧道地表地形起伏较大，地表发育多处沟槽，且沟内长年有流水分布，加之隧道部分段落的玄武岩地层片理化发育，使得该段落隧道在开挖过程中存在较大的突涌风险。

本项目于中义隧道正洞DK41+225处开展TSP法超前探测，检波器位置为DK41+296，隧道距地表埋深仅42 m，隧道开挖朝小里程方向，经数据采集处理得到图7所示的双检波器下的TSP物性参数成果图，分析比对掌子面DK41+225和物性参数显著拐点处两个里程位置的物理力学参数变化特征，详见表2。

图7 TSP物性参数成果Fig.7 Results of physical parameters of TSP

表2 TSP物理力学参数变化特征

由表2可知：1号检波器物性参数显著拐点(DK41+203)和2号检波器的物性参数显著拐点(DK41+200)对应里程位置略有差别，但相对于掌子面DK41+225处的物性参数，变化趋势相同，纵波波速升高，横波速度下降，纵横波波速比上升明显，平均上升率可达9.64 %；泊松比值增加较大，平均增加率为24.5 %。由图8～图11双检波器下的SH波、SV波速度图谱可得：1号检波器SH波在DK41+205～+164段存在明显的低速异常区，SV波在DK41+184～+137段存在相对的低速异常区；2号检波器SH波由于存在较大范围的等值线平顺、有明显拖尾现象的速度失真区，不宜作为参考进行分析，SV波在DK41+205～+181段存在局部明显的低速异常区。相对于周边位置，以上低速异常区的横波传播速度明显降低，根据本文第3节中第二条解译原则可知：上述横波异常低速区域很可能存在流塑体，综合表2中的物理力学参数特征及图8～图11速度图谱变化特点，预测DK41+205～+164段围岩裂隙发育，含水量上升，易产生突涌，应提前做好防护措施。

图8 检波器1-SH波速度分析图谱Fig.8 SH wave velocity analysis graphof detector 1

图9 检波器1-SV波速度分析图谱Fig.9 SV wave velocity analysis graph of detector 1

图10 检波器2-SH波速度分析图谱Fig.10 SH wave velocity analysis graph of detector 2

图11 检波器2-SV波速度分析图谱Fig.11 SV wave velocity analysis graph of detector 2

隧道实际开挖至DK41+204时，掌子面拱顶位置发生大规模突涌水，如图12所示。本次TSP超前预报较为准确地探测出玄武岩隧道低洼沟槽浅埋地段地下水发育情况，根据预报结果对现场施工进行指导，及时采取了引排水措施，并强化现场围岩支护，确保了施工安全。

图12 DK41+204处掌子面拱顶突涌水Fig.12 Water gushing from the vault of tunnel face at DK41+204

5 结论与建议

5.1 结 论

本文对玄武岩隧道发生突涌对应的地质特征进行了讨论，归纳了发生突涌的各类诱因，通过使用TSP法对玄武岩隧道突涌地层段开展超前探测研究，并对突涌段落TSP物性参数变化规律进行总结分析，得到如下结论：

1)玄武岩隧道发生突涌必须具备足够的突涌物来源和便利的存储运移条件，但突涌的诱因却是复杂多样的，隧道建设者应清晰掌握区域工程地质特征，评估是否存在发生突涌的前提条件，分析可能存在的突涌地质诱因，提前采取防护措施，避免盲目施工。

2)TSP法超前地质预报技术可以对玄武岩隧道突涌地层段进行有效的探测，在采用TSP法进行探测的基础上再辅以超前钻孔等方法进行探测验证，能够有效地掌控地质情况，规避风险，确保施工安全。

3)本文中的工程实例表明，玄武岩隧道发生突涌位置附近对应于明显的TSP物性参数变化，表现为横波速度下降，泊松比及纵横波速比显著上升，纵横波速比平均增加率在7 %以上，泊松比平均增加率可达15 %以上，同时在横波速度图谱中相应位置也对应有明显的低速异常区，但在实际工作中需注意的是，应结合更多类似地质条件下的工程实例对TSP物性参数变化规律开展进一步的分析研究，并在过程中不断进行调整和优化。

5.2 建 议

1)玄武岩隧道发生突涌的诱因复杂多样，需要加以甄别，并给出针对性的防护措施。在实际玄武岩隧道中可能存在多种突涌诱因并存的情况下，隧道发生突涌等地质灾害的几率将增加，此时需要综合分析各种诱因影响程度，针对性地强化探测手段和加强防护措施。

2)TSP法进行隧道超前地质预报时，物性参数的变化特征可以提供较好的分析依据，但同时也要注意结合速度分析图谱等信息进行综合判识。

3)复杂地质条件下的玄武岩隧道，在条件许可的情况下，超前地质预报应采用长、中、短距离预报方法相组合的模式，结合各类方法优点相互印证并开展综合超前地质预报，提高探测精度。