综合地质手段在隧道富水接触带判识中的应用

李立川, 牟元存, 李 星

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610036)

长大隧道掘进过程中经常穿越岩性接触带，不同岩性的交界面会引起断裂韧性、岩体弹塑性、地应力等产生变化，而且接触带岩体影响水力裂隙的延伸能力，往往也是富含地下水的地段[1]。若未采取有效地质手段对接触带空间位置、含水状况等进行准确判识，易引发隧道塌方、涌水等工程事故，轻则影响工程进度，重则造成经济损失和人员伤亡。

接触带的空间发展规律复杂，特别是当长大隧道埋深较大时，单一地质手段难以获得全面准确的地质信息，可能造成漏报或误报。因此，在勘察阶段与施工阶段，应根据探测接触带的实际情况,搭配不同方法进行综合判识, 相互对比、印证。笔者以某长大隧道为例，介绍一种利用综合手段判识接触带的应用实例：在勘察阶段，采用地质调绘及钻探等方法，初步划定接触带位置；
在施工阶段，以TSP法为隧道超前地质预报，再利用超前地质钻孔对TSP法异常段落进行验证，准确判识了接触带的空间范围。

隧道地质勘察手段主要包括地质调绘、钻探、物探、遥感、原位测试、室内试验等。工作隧道全长超过12 km，设置辅助坑道两座，隧道为单面坡，最大埋深450 m，为高风险隧道，是全线关键控制工程。

1.1 地质调绘

在新构造运动分区上，工程场地位于闽东-粤东沿海差异隆起区内，以继承性的断块差异为特征，间歇性的缓慢上升为总的趋势。在大地构造单元划分上，隧道场地位于闽东火山断拗带内，闽东火山断拗带区内广泛分布晚中生代火山岩和燕山期侵入岩，地壳运动表现为隆起-坳陷-隆起交替，其基底起伏剧烈[5]。因此，该隧道多次穿越接触带，此为该隧道重要地质特征。

隧址区内上覆地层为第四系人工弃土层(Q4ml)，全新统坡残积层(Q4dl+el)粉质黏土，坡洪积层(Q4dl+pl)软土，粉质黏土，冲洪积层(Q4al+pl) 粉质黏土、卵石土；
下伏基岩为晚侏罗世古竹超单元(J3gk)花岗岩，侏罗系上统南园群赤小组下段(Jch1)凝灰熔岩、凝灰岩，晚白垩世石牌前单元(K2s)花岗岩，早白垩世玛坑超单元(K1mk)花岗岩，早白垩世钟腾洋坑单元(K1y)花岗闪长岩。

隧区内地表水体发育，具雨涨晴消，暴涨暴跌的山区水流特点。基岩裂隙水主要赋存于岩体的节理裂隙中，主要接受大气降水补给。接触带易富水，施工过程中(特别是雨季施工过程中)应重点防止涌水灾害。

该隧道D1K380+150对应地表附近见凝灰熔岩及花岗岩出露，推测存在一接触带，为进一步了解接触带空间位置，布置一地质钻孔做进一步探测。

1.2 地质钻探

在隧道D1K380+100右侧约15 m处实施钻孔1孔，详见钻孔柱状图(图1)，钻孔揭示雨季静止水位约为地下17 m。

图1 地质钻孔柱状图

上覆0～4 m为粉质黏土夹碎石，4～32.4 m为全风化夹弱风化凝灰熔岩。

钻孔芯样32.4～190.6 m为弱风化凝灰熔岩，块状构造，局部节理裂隙较发育，质硬，敲击声脆、不易碎。

钻孔芯样190.6～196.8 m段为青灰色夹灰白色，弱风化。凝灰熔结结构，块状构造，质硬，岩芯多呈25～30 cm柱状，最长70 cm，其中，193.4～195.3 m段节理裂隙很发育，岩芯破碎。

钻孔芯样196.8～197 m段可见与花岗岩接触带，近似垂直，接触面密闭。

197～460.5 m段为灰白色、青灰色花岗岩，夹黑色斑点，弱风化，局部强风化。中—粗粒结构，块状构造，局部节理裂隙较发育，质硬，敲击声脆、不易碎，岩芯较完整，多呈柱状、长柱状，多呈30～50 cm,最长120 cm。

在勘察阶段，地表地质调绘资料及钻孔资料表明：一接触带由隧道小里程端向隧道D1K380+150处对应地表发育，该接触带上覆(小里程端)为侏罗系上统南园群赤小组下段(Jch1)凝灰熔岩，下伏(大里程端)早白垩世玛坑超单元(K1mk)花岗岩，初步推断隧道D1K380+040～+090段为凝灰熔岩与花岗岩接触带，埋深大于400 m，如图2、表1所示。

表1 勘察推断侵入岩接触带位置

图2 勘察推断侵入岩接触带位置

在隧道施工阶段，该处向小里程方向施工，开挖过程中，D1K380+106～D1K379+998段围岩岩性均为花岗岩，未见凝灰熔岩出露和岩体接触迹象。为降低施工风险，指导施工，须判识该隧道是否与勘察推断接触带相交；
若相交，则须准确判断该接触带在隧道出露的里程及影响范围。鉴于此，应当实施洞内超前地质预报方法做进一步研判。

隧道超前地质超前预报方法主要有以下几种: 地质调查法、超前导坑预报法、超前钻探法以及物探法。目前常用的物探法包括弹性波反射法(TSP法、负视速度法、TGP法、HSP法、TST法等)、地质雷达法、瞬变电磁法、高分辨直流电法、激发极化法等;超前钻探法主要包括超前地质钻孔及加深炮孔等。

根据勘察资料，接触带两侧分别为花岗岩及凝灰熔岩，均为较完整硬质岩。接触带与其两侧围岩相比，完整度下降，裂隙更为发育，弹性参数差异明显，且接触带与隧道大角度相交，这为TSP法预报工作提供了良好的地球物理前提。因此，先行采取TSP法作为该接触带的超前地质预报手段，利用TSP法预报成果划定物探异常段落，再对TSP法物探异常段落采用超前地质钻孔进行验证。

2.1 TSP法超前预报

本次TSP法预报采用瑞士Amberg公司生产的TSP303Plus仪器，主要由三分量检波器、记录单元及起爆装置组成。三分量检波器用来接收地震波信号；
记录单元将接收到的地震波信号进行放大，模数转换和数据记录，同时还进行测量过程控制；
起爆装置则用于引爆雷管和炸药，人工激发地震波。

2.1.1 洞内数据采集

掌子面里程：D1K379+998，在隧道D1K380+052边墙上对称布置接收孔2 个，孔上倾5°，深约1.8 m；
在掌子面与接收孔间右侧边墙布置24个激发孔，孔下倾10°，孔间距约1.5 m，深约1.5 m。激发孔装填的药量均约为60 g，数据采集过程中水封炮孔。观测系统布置如图3所示。隧道内数据采集时间约2 h。

图3 TSP法观测系统布置示意图

掌子面里程：D1K379+998，岩性为花岗岩，岩质硬，弱风化，围岩较完整，呈块状结构，节理裂隙不发育，掌子面有少量裂隙水渗出，判识为Ⅲ级围岩。

2.1.2 TSP法数据处理

TSP303数据处理的主要步骤包括：偏移距计算、时变高截、带通滤波、初至拾取、炮能量均衡、反射波提取、P波及S波分离、速度分析、深度偏移、反射层拾取等[3]。通过对采集的数据进行处理，可以获得隧道掌子面前方的纵横波的时间剖面、深度偏移剖面、岩石的反射层位、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等成果资料，同时还可得到反射层的二维和三维空间分布[5]。

2.1.3 TSP法资料分析及解译

根据本次TSP法反射层位及物理力学参数成果图(图4)，可以看出：

注：图中Vp、Vs为地震纵波波速、横波波速；
静态杨氏模量、动态杨氏模量反应了岩体应力与应变的关系，是表征岩体刚性特征的重要物性参数

(1)掌子面前方0～66 m段及86～120 m段反射层零星分布，纵波速度6 000～6 400 m/s，为相对高速段落。

(2)在掌子面前方66～86 m段落存在明显物探异常：该段反射层密集，与隧道大角度相交，且反射系数主要为负值；
纵、横波速相对下降，岩石密度及杨氏模量下降。

依据本次物探成果，结合勘察设计资料，推测掌子面前方0～66 m段及86～120 m段分别为弱风化花岗岩、凝灰熔岩，节理裂隙不发育，呈块状结构；
掌子面前方66～86 m(D1K379+932～+912段)为接触带，接触带处围岩完整度下降，节理裂隙发育，如表2所示。

表2 TSP法预报成果

该处施工时正值夏季多雨时节，大气降水补给充分，因此推测接触带富含地下水，施工过程中应重点防止隧道涌水及塌方。

2.2 超前地质钻孔

为验证TSP法超前地质预报成果，对隧道物探异常段落采用超前地质钻孔做进一步探测，超前地质钻孔钻至D1K379+923(TSP法掌子面前方75 m)时，钻速变化，出现顶钻现象，地下水承压，钻孔出水量突然增大，从孔口突涌而出，如图5所示。

图5 超前地质钻孔出水情况

由于隧道地质报工作充分，结论准确，施工现场提前备足了排水设备，并严格落实了应急方案，本次突水未造成财产损失。

本文以勘察阶段地质资料为基础，对隧道接触带进行初判。在施工阶段采用TSP法、超前地质钻孔等对接触带进行详探，通过超前地质钻孔验证情况及跟踪实际开挖情况，取得以下结论：

(1)本次综合地质手段判识结果与实际开挖基本一致，通过判识工作降低了突涌水对施工安全的影响，取得了较好效果。

(2)为准确探测隧道富水接触带，各阶段地质工作应层层加深、层次分明，针对性的采用地质手段进行综合判识。

(3)为准确判识隧道的各类复杂地质情况，勘察设计阶段地质工作与施工阶段超前地质预报工作两者密不可分、相辅相成。勘察设计阶段地质工作可指导隧道超前地质预报方法、方案选取，隧道超前地质预报成果则能修正勘察设计阶段地质工作，两者有机结合，方能取得最优效果。