舒 森

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

截至2017年底，中國正在建設的特長鐵路隧道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，特別是中西部地區(qū)的特長隧道的建設規(guī)模持續(xù)擴大，其中在建的鄭萬、貴南、成昆、大瑞和玉磨鐵路與勘察設計中渝昆高鐵等都位于川、渝、滇、黔的崇山峻嶺之間，地質(zhì)條件極其復雜，隧道施工中發(fā)生突水突泥等重大地質(zhì)災害風險極大。據(jù)統(tǒng)計，21 世紀的前10年間，我國大型基礎設施項目建設過程中，突水突泥及其誘發(fā)的地質(zhì)災害占隧道工程重大安全事故總數(shù)的77.3%[2]。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，現(xiàn)在對突涌高危地質(zhì)段落有較為深刻的認識，如何振寧以10個鐵路隧道工程實例對高壓富水巖溶，侵入巖脈蝕變風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[3]。李術才等結合221個工程案例，對隧道突水突泥致災構造分類、地質(zhì)判識、孕災模式高壓富水巖溶問題分別進行研究與總結[4]。這些對隧道突涌地質(zhì)類型及機理的總結認識對施工突涌地質(zhì)風險判識有較好的理論指導意義。

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)預報。如何發(fā)現(xiàn)高突涌風險段落，制定對應施工超前支護措施，是避免施工隧道突涌或降低其影響的關鍵。

筆者結合長期在極高風險隧道建設中的地震波反射法(TSP)的實踐經(jīng)驗，以云南4座在建極高風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)的預報成果進行了總結，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)變化及判斷標準。這些判斷標準在實踐中有很好的指導與較高的實踐價值，可供參考借鑒。

1 突涌地質(zhì)特點

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式向斜富水構造，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]，玉磨鐵路揚武隧道前震旦系昆陽群地層漸進破壞型突水涌泥，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化程度密不可分，其中構造、巖溶與地下水補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)驗公式導出得到的，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出，所以密度計算經(jīng)驗公式?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出參數(shù)。

根據(jù)《鐵路隧道超前地質(zhì)預報技術規(guī)程》條文說明及關于地震波反射法資料地質(zhì)判釋經(jīng)驗的內(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)關于Vp/Vs。①固結的巖石Vp/Vs<2.0，泊松比σ<0.33；②當巖石的孔隙充滿氣時，Vp/Vs從1.4→2.0；③當巖石的孔隙充滿氣時，Vp/Vs從1.3→1.7；④水飽和的未固結地層Vp/Vs2.0。當巖體中含流體時，Vp與孔隙度和孔隙中流體的性質(zhì)有關，Vp會明顯降低。Vs只與骨架速度有關而與孔隙中流體無關，Vs不發(fā)生明顯變化。

(4)關于沉積巖的泊松比σ。①未固結的土層，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

本文選取了構造巖溶水、巖溶管道水、構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例，進行突涌地質(zhì)因素分析。也對4個實例位于掌子面、變化起點和突涌發(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)進行整理與對比分析。

3.1 構造巖溶水案例(大柱山隧道)

大柱山隧道富水斷層大瑞鐵路(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斷層，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，進口平導施工至PDK110+860時，出砟完畢后準備立架，發(fā)現(xiàn)左側邊墻拱部涌水突泥，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PDK110+852和涌水突泥的PDK110+860位置Vp、Vs、Vp/Vs和σ參數(shù)進行整理，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為炮檢同側數(shù)據(jù)，序號2為炮檢異側數(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的可溶巖中巖溶裂隙水。斷裂構造對巖體破壞作用，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合帶，為青、藏、滇、緬巨形“歹”字形構造西支中段弧形構造帶與經(jīng)向構造帶之“蜂腰部”南段。地形地質(zhì)條件極為復雜，隧道施工將穿越19條活動斷裂帶，將遭遇高溫熱害、斷層破碎帶、突水突泥、高地應力軟巖大變形等難題。

2015年9月15日，平導施工至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，水從平導底部左側流向右側，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技術的應用價值進行理論分析，隨著時代的發(fā)展BIM技術在各行各業(yè)中得到了應用，并呈現(xiàn)出良好的應用效果，通過BIM技術的運用可實現(xiàn)信息化有效建設，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)應對BIM技術的應用價值引起重視，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行，促進我國建筑事業(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為炮檢同側數(shù)據(jù)，序號2為炮檢異側數(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，出水后導致附近一泉點水量減小，該泉點推測為三疊系中統(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)裂隙后于泉點流出。采取措施恢復巖溶管道過水通道后，泉點水量逐步恢復。

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，預報雖然判斷對應段落存在一定地質(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(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)有技術手段難以準確判斷巖溶空間位置有關(可溶巖地層超前鉆探有時反而產(chǎn)生誤導)。因此，巖溶發(fā)育段落預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報指導鉆探有效實施的工作需要加強。

3.3 構造影響帶軟弱巖體突涌案例(揚武隧道)

中老鐵路(玉磨段)揚武隧道長14.8 km，是中老鐵路上百座隧道已開挖揭示中地質(zhì)條件最為復雜，先后多次發(fā)生突泥地質(zhì)災害的重難點隧道，隧區(qū)位于石屏-建水斷裂和揚武—青龍廠大斷裂間，部分段落與揚武-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帶來較大影響。

圖9 揚武隧道突涌

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)為黃色細砂如圖10所示。

圖10 揚武隧道涌砂

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處炮檢異側縱波波速大幅下降，Vp/Vs和σ不升反降，炮檢同側縱橫波速下降，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，與涌砂但隧道結構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為炮檢同側數(shù)據(jù)，序號2為炮檢異側數(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。該隧道受構造運動影響嚴重，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，通過超前預報判斷存在突涌風險。該段埋深較淺，地下水靜儲量有限，地表水補給不足，未形成較大水壓力。施工采取周邊注漿等超前支護措施，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“山”字形構造與南北向構造小江斷裂帶的復合部位及“南嶺緯向構造體系”的西延部分，區(qū)域構造現(xiàn)象極為復雜。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，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，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X2DK1+485和涌水X2DK1+471位置Vp、Vs、Vp/Vs和σ進行整理，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為炮檢同側數(shù)據(jù)，序號2為炮檢異側數(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，炮檢同側的縱橫波速變化不大；(2)炮檢異側的縱波波速上升，橫波速度下降7%；(3)炮檢異側的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皆富水，但探測成果顯示炮檢異側數(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。

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為隧道區(qū)域巖層受構造作用影響較強烈，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)問題就是涌水點的不確定性，但分析其成因后便可抓住該問題的關鍵—裂隙。TSP數(shù)據(jù)分析緊密圍繞反射界面變化程度，預報裂隙存在情況及預測含水程度，并通過鉆探進行驗證，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預報并劃定鉆探驗證重點段落。通過超前鉆探提前揭示釋放的地下水由于預留穩(wěn)定巖盤，對施工產(chǎn)生的不利影響較低。所以，該工點TSP長距離劃定重點裂隙富水段落，臨近超前鉆探的預報方式較好的指導了變更設計、超前支護及排水措施的制定。

4 突涌地質(zhì)及TSP特征分析

隧道突涌的發(fā)生常是因為隧道工程正面或高位揭穿兩種及以上不利地質(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)模突涌災害。突涌的危害主要與地下水體規(guī)模有關，其中動態(tài)水占主導的災害破壞威力巨大，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)水占主導的危害程度與圍巖破碎程度及靜儲量大小有關，一般靜儲量大時，圍巖軟弱破碎突涌的災害并不亞于動態(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，如揚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，但在進一步施工過程中由于地下水不斷通過裂隙向低勢點匯集，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)預報的主要中長距離及貫通開展的預報方法，應劃定重點段落，結合地質(zhì)條件及開挖經(jīng)驗，選擇更具針對的鉆探及物探方案對高風險段落進行探測，提高超前判識風險的能力。如表6所示，雖然4個實例突涌地質(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)受構造或富水通道與隧道空間交匯位置的影響，左右兩側彈性參數(shù)在突水點變化趨勢不一致是正?，F(xiàn)象，有一側參數(shù)顯示突涌風險時就應考慮整體突涌風險。

5 結論與建議

5.1 結論

(1)對復雜地質(zhì)條件下隧道突涌地質(zhì)災害及TSP主要彈性參數(shù)變化特點的分析研究，表明作為突涌災害基本致災因素與地災體形成物質(zhì)基礎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)進行判識的。地下水主要通過與Vp/Vs與σ進行判識，破碎巖體(或裂隙通道)主要通過Vp和Vs進行判識。

(2)研究中涉及的隧道巖體大部分是由固結巖體構成，因此本文研究的彈性參數(shù)判識依據(jù)主要針對固結巖體為主的隧道。得到的Vp/Vs與σ判識的標準與規(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)研究分析不同特點突涌地質(zhì)下Vp與Vs的關系與變化特點，這些規(guī)律與規(guī)程內(nèi)容并不矛盾，關鍵是結合隧道地質(zhì)條件分析潛在富水地質(zhì)體物性特點和儲水環(huán)境，理清巖體、構造、巖溶等地下水賦存載體(轉移通道)與地下水的關系。分析Vp的Vs關系和變化特點有助于分析潛在突涌地質(zhì)特點，Vp下降是判斷層狀構造、巖體強度降低、巖體破碎程度上升的重要指標。Vs下降是判斷裂隙發(fā)育程度上升的重要指標。

5.2 建議

(1)Vp、Vs、Vp/Vs與σ四項參數(shù)進行分析時應緊密結合勘查地質(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)育程度進行分析，判識標準應根據(jù)類似工程實例數(shù)據(jù)進行修正，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報方法，應在風險隧道的預報中有效發(fā)揮其作用，特別是中長距離進行重點段落風險預判，并通過臨近預報措施的優(yōu)化驗證風險地質(zhì)段落，指導動態(tài)設計。但應用中仍然出現(xiàn)預報準確性較差的問題，未能有效指導施工。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，預報方法特點等原因造成。

以目前應用最廣的TSP203系統(tǒng)為例，可以采用1～4個傳感器進行數(shù)據(jù)接收，根據(jù)《鐵路隧道超前地質(zhì)預報技術規(guī)程》(Q/CR 9217—2015)附錄J-地震波反射法觀測系統(tǒng)設計[18]，數(shù)據(jù)采集中應至少采用2個傳感器，但僅使用1個傳感器進行單側數(shù)據(jù)采集的情況卻并不少見。這一是會造成對側數(shù)據(jù)的缺失，特別是在巖溶及復雜地質(zhì)缺失的信息可能就是關鍵；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)處理可以進行對比處理，當不同通道的反射界面、物理參數(shù)變化一致性越高時預報準確性也越高。

(3)原始數(shù)據(jù)質(zhì)量是一切預報工作的基礎，數(shù)據(jù)采集應按照預報規(guī)程要求執(zhí)行。針對一些數(shù)據(jù)采集實際問題、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，也在實踐中取得較好效果，值得借鑒。

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