突涌地质隧道TSP法弹性参数判识研究

RAILWAY摇STANDARD摇DESIGN

铁道标准设计

Vol.63摇No.7Jul.2019

文章编号:100429(2019)07010809

突涌地质隧道TSP法弹性参数判识研究

舒摇森

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都摇610031)

摘摇要:结合云南4座在建高风险隧道典型突涌实例,对不同不良地质发生突涌的地质情况及突涌段落地震波反射法(TSP)的预报成果进行总结,分析各类突涌发生的工程地质条件和地震波反射法物理参数,归纳隧道突涌地质特征,得出大规模突涌时地震波反射法物理参数中纵波速度Vp、横波波速Vs、纵横波速比Vp/Vs和泊松比滓四项参(2)富水时,Vp/Vs由1郾7寅2郾0变化,滓由0郾25寅0郾3变化;(3)层状裂隙或构造破碎时,Vp均呈下降趋势;(4)存在Vs下降时,围岩完整程度变化不大,地下水或裂隙发育程度上升。

数的判断标准:(1)富水时,Vp/Vs与滓都呈增长趋势,Vp/Vs变化率增长约5%以上,滓变化率增长约10%以上;裂隙及富水通道时,Vs均呈下降趋势;(5)Vp和Vs同时下降时,围岩破碎及地下水发育程度同步上升;(6)Vp上升、关键词:铁路隧道;突水;涌泥;隧道地震波预报;地震波弹性参数

中图分类号:U452郾1+1摇摇文献标识码:A摇摇DOI:10.13238/j.issn.1004-29.201807310002

StudyonTSPElasticParameterIdentificationofTunnelGushingGeology

(ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.,Ltd.,Chengdu610031,China)

SHUSen

Abstract:CombinedwiththefourtypicalsurgecasesinYunnanhighrisktunnel,thegeologicalconditionsofdifferentundesirablegeologicalprocessesandthepredictionresultsoftheseismicwavereflectionmethod(TSP)aresummarized.Theengineeringgeologicalconditionsandseismicwavereflectionmethodareanalyzed,andthegeologicalcharacteristicsoftunnelgushingaresummarized.Thewavevelocity,shearwavevelocity,longitudinalandtransversewavespeedratioandPoisson蒺sratio,areobtained.Thejudgmentcriteriaareasthefollowings:(1)whenwaterisrich,Vp/VsandPoisson蒺sratioarebothincreasing,Vp/Vsgrowthisabout5%,andPoisson蒺sratioisincreasedbymorethan10%;(2)whenwaterisrich,Vp/Vschangesfrom1郾7to2,andPoisson蒺sratiovariesfrom0郾25to0郾3;(3)inrichchannel,Vsshowsadownwardtrend;(5)whenVpandVsdecreaseatthesametime,theofgroundwaterorfissurerises.parameterofseismicwave

caseofstratifiedfractureorstructurebreak,Vptendstodecrease;(4)whenthereisafissureandwaterfragmentationofthesurroundingrockandthedegreeofgroundwaterdevelopmentsynchronouslyincrease;(6)whenVprisesandVsdrops,theintegrityofthesurroundingrockchangeslittle,andthedevelopmentKeywords:Railwaytunnel;Waterbursting;Mudgushing;Tunnelseismicprediction;Elasticfourparametersofthephysicalparametersoftheseismicwavereflectionmethod,suchaslongitudinal

156座,总长2115km。其中,长度20km以上的特长隧道6座,累计长度151km。规划中的特长铁路隧道

收稿日期:20180731;修回日期:20181011

作者简介:舒摇森(1984—),男,高级工程师,2006年毕业于成都理工大学勘查技术与工程专业,工学学士,主要从事隧道动态设计、超前地质预报研究工作,E鄄mail:shusen44@163.com。

摇摇截至2017年底,中国正在建设的特长铁路隧道270座,总长3834km。其中,长度20km以上的特长隧道19座,累计长度465km[1]。长大隧道的建设,特别是中西部地区的特长隧道的建设规模持续扩大,其中在建的郑万、贵南、成昆、大瑞和玉磨铁路与勘察设计中渝昆高铁等都位于川、渝、滇、黔的崇山峻岭之间,地质条件极其复杂,隧道施工中发生突水突泥等重大

第7期舒摇森—突涌地质隧道TSP法弹性参数判识研究

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地质灾害风险极大。据统计,21世纪的前10年间,我国大型基础设施项目建设过程中,突水突泥及其诱发77郾3%[2]。根据工程实践经验,现在对突涌高危地质段落有较为深刻的认识,如何振宁以10个铁路隧道工程实例对高压富水岩溶,侵入岩脉蚀变风化破碎岩体塌方和突泥,富水逆掩断层破碎带大规模突泥,新第三系地层突泥涌砂,白云岩剪涨裂缝涌水、涌砂,石英砂岩断裂密集破碎带突水涌砂5个易发突水突泥不良地质问题作了归纳与总结[3]。李术才等结合221个工程案例,对隧道突水突泥致灾构造分类、地质判识、孕灾模式高压富水岩溶问题分别进行研究与总结[4]。这些对隧道突涌地质类型及机理的总结认识对施工突涌地质风险判识有较好的理论指导意义。

但由于岩溶发育的空间特异性和富水地质体与隧道接触位置的不确定性,在施工过程中对突涌段落具体位置及影响的判断必须依靠超前地质预报。如何发现高突涌风险段落,制定对应施工超前支护措施,是避免施工隧道突涌或降低其影响的关键。

笔者结合长期在极高风险隧道建设中的地震波反射法(TSP)的实践经验,以云南4座在建极高风险隧道典型突涌段落为例,对突涌地质情况及突涌段落地震波反射法(TSP)的预报成果进行了总结,归纳了隧的地质灾害占隧道工程重大安全事故总数的

道突涌地质特征,分析突涌工程地质条件和地震波反射法弹性参数特征,得出了大规模突涌时地震波反射法弹性参数变化及判断标准。这些判断标准在实践中有很好的指导与较高的实践价值,可供参考借鉴。1摇突涌地质特点

隧道施工突涌的直接原因是富水地质体,典型突涌隧道如:玉蒙铁路秀山隧道活动断层破碎带、高压富水破碎白云岩和剪张裂缝地质条件下的突水涌砂(泥)[57],大丽铁路禾洛山隧道碎裂玄武岩夹凝灰岩差异风化形成的裂隙通道涌水[812],大瑞铁路大柱山隧道横穿街子坡复式向斜富水构造,在可溶岩及多个断层褶皱的共同作用下揭穿多个储水构造的大规模突涌[1314],广大铁路祥和隧道辉绿岩蚀变带及构造裂隙突水突泥[15],云桂铁路石林、新哨隧道和大瑞铁路高黎贡山隧道岩溶突水突泥[1617],玉磨铁路扬武隧道前震旦系昆阳群地层渐进破坏型突水涌泥,甘庄隧道层间裂隙大量涌水。从典型隧道突涌地质情况分析,易发突涌地质与构造作用、岩溶发育、蚀变带接触、可溶岩与非可溶岩接触程度和差异风化程度密不可分,其中构造、岩溶与地下水补给是影响隧道突涌的主要因5类,见表1。

素。同时可将云南隧道突涌地质特征简明归纳为

表1摇突涌地质特征

地质类别断裂与褶皱

岩溶

地下水类型构造裂隙水岩溶水岩溶裂隙水基岩裂隙水基岩裂隙水基岩裂隙水基岩裂隙水

突涌高发区域

断裂及褶皱带,特别是张性断裂与储水褶皱

地下水面附近,特别是水平循环带、水平与垂直交替作用的循环带及季节变动带

可溶岩与非可溶岩接触带可溶性及风化程度的差异性形成的岩溶或裂隙水通道

侵入岩蚀变带火成岩差异风化储水与隔水层

侵入时热液作用后围岩发生显著物理化学性质变化的蚀变带,特别是差异风化形成的破碎裂隙带玄武岩夹凝灰岩或花岗岩差异风化形成的不均匀风化裂隙位置砂岩与泥岩,灰岩与板岩等相对储水与隔水层接触位置

摇摇由表1可见,突涌高发区域由于必然存在过水通道,所以与周围一般段落围岩在地下水及裂隙发育程度上必然存在差异,开挖中可以从中长距离上通过TSP的弹性参数变化趋势来分析。2摇地震波反射法(TSP)弹性参数

以TSP地震预报系统为例,数据处理后可以得到纵波速度Vp、横波波速Vs,然后通过计算可以得到密度籽、动态杨氏模量E、剪切模量滋、体积模量k、拉梅常数姿和泊松比滓等弹性参数。

由于地震波反射波不可能直接得到密度,密度籽

是由经验公式导出得到的,同时动态杨氏模量、剪切模量、体积模量和拉梅常数等参数是由密度和纵横波速度共同导出,所以密度计算经验公式决定了以上参数的变化,因此在本文弹性参数分析中暂不考虑此类导出参数。

根据《铁路隧道超前地质预报技术规程》条文说明及关于地震波反射法资料地质判释经验的内容,可知Vp/Vs和泊松比滓是用来判断流体的重要参数[1821]。关于流体分析的主要内容如下。

(1)Vp/Vs有较大的增加或泊松比滓突然增大,常常因流体的存在而引起。

110

铁道标准设计第63卷

(2)若Vp下降,则表明裂隙密度或孔隙度增加固结的岩石V;

p/Vs<2郾0,泊松

2郾比0;盂滓<0郾(3)当岩石的孔隙充满气时33;于关于V当岩石的孔隙充满气时p/Vs。淤,V,Vpp/Vs从1郾/V3s从1郾4寅

寅1郾7;榆水饱和的未固结地层V时,Vpp与孔隙度和孔隙中流体的性质有关/Vs>2郾0。当岩体中含流体,Vp会明显降低。Vs只与骨架速度有关而与孔隙中流体无关,V不发生明显变化s往往具有非常高的泊松比(4)关于沉积岩的泊松比。

滓(0郾滓4。以上淤未固结的土层);于泊松比摇滓

,

常随孔隙度的减小及沉积物固结而减少;盂高孔隙度的饱和砂岩往往具有较高的泊松比滓(0郾3~0郾4);榆气饱和高孔隙度砂岩往往具有较低的泊松比滓(如低到0郾1)。

综上可见,纵波速度VVpp/Vs和泊松比滓四项参数既是可靠稳定的、横波波速Vs、纵横波速比

,也是地下水分析时使用的重要弹性参数(1)。

。泊松比计算见公式滓=2(V2Vp2

2-2Vs

p-V2

s)

(1)

3摇典型突涌案例及弹性参数分析

本文选取了构造岩溶水、岩溶管道水、构造影响带4软弱破碎岩体和可溶岩与非可溶岩接触带层间裂隙水

析个类型的典型突泥涌水实例。也对4个实例位于掌子面,、进行突涌地质因素分变化起点和突涌发生位置的纵波速度、横波波速、纵横波速比和泊松比4项弹性参数进行整理与对比分析。3郾1摇构造岩溶水案例(大柱山隧道)

大柱山隧道富水断层大瑞铁路(大保段)大柱山隧道长约14郾5km,位于云南西南部横断山脉,坐落于澜沧江旁。隧道工程地质和水文地质条件极其复杂,具有断层破碎带、岩溶、岩溶水、侵入岩、高地温等不良摇2017地质。年隧道累计涌水量达到施工中遭遇多次突水1郾涌4亿泥,m2008,年开工至3

最难隧道冶。施工先后通过燕子窝、水寨和搬家寨等被称为“中国

富水断层,其中又以燕子窝断层施工难度最大,耗时最长。

860突泥时2009,初期为,出砟完毕后准备立架年8月5日,进口30cm的小洞,,迅速发展成宽发现左侧边墙拱部涌水平导施工至PDK110+

2m的孔洞,米粒大小的砟2郾6m、高

洞外,泥石流堆积体越来越多、砂,出水孔洞也不断向隧道、土等物不断被冲出孔前进方向和向上发展9m,纵向深度不详。统计平均涌水量约,目测空腔深8~10950m,m高7~3/h,最大12180m3量未发现有明显的变化/h。突水突泥发生后地表沟渠上下游水。见图1。

图1摇燕子窝断层PDK110+860突涌照片

3郾1郾1摇燕子窝断层突涌段弹性参数分析

该段于PDK110+840完成TSP探测,得到二维成果PDK110+852(图2),并对掌子面和涌水突泥的PDK110+840、PDK110+860泊松比上升起点Vp/Vs和滓参数进行整理,并计算变化位置与掌子面位置Vp、Vs、

弹性参数的变化率,详见表2。

图2摇燕子窝断层TSP二维成果表2摇燕子窝断层TSP弹性参数对比

序

(mV号里程p//s)变化V率/%s/变化Vp/Vs

变化泊松变化

率/%比(滓)率/%11PDK111+8403—

(m22

/s)率/%—

1郾738

—

1PDK111+85239353901677-0郾2PDK111+860-6郾865622088031-10郾-7郾77291郾1郾8688107郾—

0郾0郾25311郾2PDK111+840339602

PDK111+852PDK111+860

3962

959-0郾—

2261

—

1郾751

4郾49—16—040郾05

0322121

155-4郾-6郾69191郾1郾837

868

4郾0郾0郾2990郾25828018郾47摇6郾65为摇“+冶注值时为上升:1郾序号1为炮检同侧数据0郾229912郾15郾1387

,变化率为“-冶值时为降低,序号2为炮检异侧数据。

;2郾变化率由表2可见:(1)炮检同侧数据纵波波速下降明显,对断层的物性差异反映突出,与先发现左侧边墙拱部涌水突泥情况吻合;(2)横波波速整体呈下降趋势,平均变化率达7%以上;(3)Vp/Vs由1郾7寅1郾9变化,

第7期舒摇森—突涌地质隧道TSP法弹性参数判识研究

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符合裂隙充满水的解释原则;(4)Vp和Vs和滓都呈上升趋势,泊松比变化率大于纵横波速比约2郾5倍。PDK110+860段附近存在明显的红色低速带(暖色为低速度区域,冷色为高速度区域,颜色越红则显示P波速度越低),这是断层核部及两翼的物性差异造成的,也就是突涌段与相对正常段在波速上存在明显差异。

由P波速度分析(图3)可发现,PDK110+852~

3郾1郾2摇燕子窝断层涌水突泥地质因素分析

4m。该断层断裂走向N25毅W,倾向NE,倾角陡。断裂附近岩层产状紊乱,牵引褶曲、小断裂极发育。NE盘岩层为安山玄武岩,SW盘岩层为白云岩,产状为N50毅E/70毅SE。断层轴线与线路呈约48毅角。

断层破碎带物质主要为断层泥砂,呈灰褐色、灰黄色,软塑状局部为流塑状,间杂大小不等的灰岩及少量玄武岩质角砾、碎石及块石,破碎影响带主要以断层角砾为主。地下水主要为燕子窝断层下盘断层影响带的断层水及线路左侧的可溶岩中岩溶裂隙水。断裂构造对岩体破坏作用,断裂、可溶岩与非可溶岩接触带富水通道的发育,造成了该断层不断突涌的巨大施工危害性。虽然在突涌前20m便判断了断层存在突涌风险,但施工措施对前方突涌的破坏程度考虑不足,揭穿

燕子窝断层为张性富水正断层(图4),埋深

图3摇P波速度分析

岩盘后水量激增,导致了突涌的发生。

图4摇大柱山隧道燕子窝断层示意

摇

3郾2摇岩溶管道水案例(高黎贡山隧道)

大瑞铁路(保瑞段)高黎贡山隧道长约34郾5km,是目前亚洲最长的山岭铁路隧道,位于印度板块与欧亚板块相碰撞的板块结合带,为青、藏、滇、缅巨形“歹冶字形构造西支中段弧形构造带与经向构造带之“蜂腰部冶南段。地形地质条件极为复杂,隧道施工将突水突泥、高地应力软岩大变形等难题。

摇

穿越19条活动断裂带,将遭遇高温热害、断层破碎带、

2015年9月15日,平导施工至PD1K192+862郾6,

图5摇高黎贡山隧道岩溶管道现场照片

3郾2郾1摇岩溶管道段弹性参数分析

该段于PD1K192+805完成TSP探测,得到二维成果(图6),并对掌子面PD1K192+805、泊松比上升点PD1K192+853和岩溶管道揭穿的PD1K192+863位置Vp、Vs、和Vp/Vs和滓参数进行整理,并计算变化位置与掌子面弹性参数的变化率,详见表3。

5郾95%,与岩溶管道两侧围岩坚硬完整情况相符;(2)整体横波下降平均变化率约5郾85%,与岩溶管道贯通

由表3可见:(1)纵波波速上升平均变化率约

在出砟过程中,发现砟堆中有一股水流出,水量逐渐增大,挖机清理过程中,水量继续增大,于PD1K192+863处底板附近揭示富水岩溶管道,宽约为55cm,水从平导底部左侧流向右侧,流量为2000m3/h。经作业揭示PD1K192+863处存在宽度约为1m的灰黑色灰岩夹层,大角度与平导走向相交,施工后坍塌形成空腔。见图5。

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铁道标准设计第63卷

充满水及水饱和未固结的解释原则;(4)Vp/Vs和滓呈上升趋势,泊松比变化幅度大于纵横波速比约2倍。863前方存在明显低速带,岩溶管道附近速度呈现明显变化,前后高速带分布与管道周围比较完整且岩质较硬的围岩实际情况相吻合。

P波速度分析见图7,突涌段附近PD1K192+

图7摇P波速度分析

3郾2郾2摇富水岩溶管道地质因素分析

图6摇高黎贡山隧道TSP二维成果表3摇岩溶管道TSP弹性参数对比

序号

里程

Vp/Vs/变化变化(m/s)率/%(m/s)率/%

6郾142郾5110郾045郾13——

157514381485158815261507

——

Vp/Vs1郾7691郾730

变化泊松变化率/%比(滓)率/%——

0郾2650郾3150郾2490郾307

30郾1718郾7022郾9434郾29——

该管道所处地段处于董别断层与地下水位交界影响区域(图8),其中断层与线路交角86毅,走向N36毅W,25m,SW盘为三叠系中统河湾街组(T2h)白云岩,NE倾向NE。为正断层,倾角50毅~75毅,断层破碎带宽约盘为侏罗系勐戛组下段(J2m1)砂岩、泥岩夹泥灰岩、白云质灰岩,断层附近产状紊乱,岩体破碎。这些因素为岩溶管道的发育创造了有利条件,出水后导致附近一泉点水量减小,该泉点推测为三叠系中统河湾街组(T2h)白云岩岩溶与侏罗系勐戛组下段(J2m1)砂、泥岩裂隙形成通道,岩溶水经裂隙后于泉点流出。采取措施恢复岩溶管道过水通道后,泉点水量逐步恢复。

1PD1K192+80527861PD1K192+85329571PD1K192+86328562PD1K192+80527482PD1K192+853282PD1K192+8633024

-8郾702郾05616郾250郾345-5郾711郾923-3郾901郾3

8郾739郾40

摇摇注:1郾序号1为炮检同侧数据,序号2为炮检异侧数据;2郾变化率为“+冶值时为上升,变化率为“-冶值时为降低。

-5郾102郾00715郾960郾335

隧道情况相符;(3)Vp/Vs由1郾7寅2郾1变化,符合裂隙

图8摇高黎贡山隧道董别断层示意

摇

摇摇岩溶管道正处于可溶岩地层断裂与地下水位线共同作用的区域,处于垂直渗入带与季节变动带交替影响的范围,存在岩溶管道是正常现象。结合前期开挖过程中无明显岩溶发育现象,无地下水发育情况,预报虽然判断对应段落存在一定地质问题,但提示为软弱夹层或溶蚀裂隙,并且由于超前钻探与加深炮孔均未揭示存在地下水,所以未能判断存在富水岩溶管道。

这既与岩溶发育空间不均匀性有关(该管道发育主要位于隧底和开挖轮廓线的下方,给探测造成较大难度),也与现有技术手段难以准确判断岩溶空间位置有关(可溶岩地层超前钻探有时反而产生误导)。因此,岩溶发育段落预报工作需要在岩溶空间位置判断上有所突破,特别是如何有效采取物探预报指导钻探有效实施的工作需要加强。

第7期舒摇森—突涌地质隧道TSP法弹性参数判识研究

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3郾3摇构造影响带软弱岩体突涌案例(扬武隧道)

中老铁路(玉磨段)扬武隧道长14郾8km,是中老铁路上百座隧道已开挖揭示中地质条件最为复杂,先后多次发生突泥地质灾害的重难点隧道,隧区位于石屏-建水断裂和扬武—青龙厂大断裂间,部分段落与扬武-青龙厂大断裂平行,洞身穿越5条断层、1条向斜、1条背斜,地质情况极其复杂。2017年施工过程中发生数次突涌(图9),给隧道工期及安全建设带来较大影响。

图9摇扬武隧道突涌

上台阶核心土在掌子面发生失稳2017年7月19日,出口正洞施工至,最前方两榀拱架直D1K60+983,

接被挤压破坏,随之出现涌砂,涌砂量约360m3砾状。涌砂前,掌子面里程为D1K60+986,已经喷混,呈砂凝土封闭,发现核心土出现裂缝,贯穿整个核心土,裂

缝最大宽度约15cm,裂缝内为黄色细砂如图10所示。

图10摇扬武隧道涌砂

3郾3郾1摇涌砂段弹性参数分析

(图11),该段于对掌D1K61+046子面D1K61完成+046、TSP泊探测松V比,得到二维成果

994处和涌砂D1K60+983处V突增D1K60+计算变化位置与掌子面弹性参数的变化率p、Vs、Vp/s和滓进行整理,

,详见表4。

由表4可见:(1)涌砂段纵横波速以下降趋势为主,由各波速变化率可分析出D1K60+983围岩破碎程度较D1K60+994更高;(2)D1K60+983处炮检异侧纵波波速大幅下降,Vp/Vs和滓不升反降,炮检同侧纵横波速下降,Vp/Vs和滓上升,显示了该处围岩破碎程度与地下水赋存不均匀,与涌砂但隧道结构正常及无地4郾下水39%的;(4)情况V吻合;(3)横波速度下降平均变化率

p/Vs由1郾7寅2郾1变化,符合裂隙充满水及水饱和未固结的解释原则。

图11摇涌砂段TSP二维成果

表4摇涌砂段TSP弹性参数对比

序号里程(mVp//s)变化率/%Vs/变化Vp/Vs

变化泊松变化

率/%比(滓)率/%11D1K61+046—

(m999/s)率/%11D1K60+99417072D1K60+9831658666-2郾-2郾87-3郾—

1郾709

27213郾3郾—

132D1K61+046180140961-6郾800郾—

0郾—36

摇2

D1K60+994D1K60+983

119560-13郾10郾—93344

994—

611郾1郾72郾970郾240333

1郾786812—500郾2470郾281984

-6郾-1郾14012郾1郾132585-12郾17郾66500郾0郾359170-39郾27郾75

63

为摇“+冶注值时为上升:1郾序号1为炮检同侧数据,变化率为“-冶值时为降低,序号2为炮检异侧数据。

;2郾变化率由图12可见,涌砂段D1K60+994附近存在低速带D1K60+983,也就是隧道开挖面前方极其破碎且松散的岩体正处于围岩不均匀破碎过渡变化的区域。

,图12摇P波速度分析

3郾3郾2摇涌砂段地质因素分析

(T3g)扬武隧道出口涌砂段穿越三叠系上统干海子组

不都逆断层破碎影响带页岩、炭质页岩、砂岩夹煤层。该隧道受构造运动影响严(图13),并位于阿重,且出口端涌砂段落位于阿不都逆断层影响带,岩体破碎程度更高,开挖中揭示岩体软弱破碎,存在裂隙水,通过超前预报判断存在突涌风险。该段埋深较浅,地下水静储量有限,地表水补给不足,未形成较大水压

摇

摇

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铁道标准设计第63卷

力。施工采取周边注浆等超前支护措施,将地下水堵在了开挖轮廓线外,但由于岩体破碎程度极高,开挖释

压过程中导致了掌子面失稳挤出。但由于无地下水作用,干砂状的岩体的流动性差,危害也降低了。

图13摇扬武隧道阿不都断层示意

摇

3郾4摇可溶岩与非可溶岩接触带层间裂隙涌水案例(甘庄隧道)

中老铁路(玉磨段)甘庄隧道长15km,位于“昆明系山字形冶东翼之开远“山冶字形构造与南北向构造小江断裂带的复合部位及“南岭纬向构造体系冶的西延部分,区域构造现象极为复杂。下伏前震旦系昆阳群鹅头厂组(Pt1e)板岩在夹灰岩、白云岩,落雪组(Pt1l)断层、青龙厂逆断层和他克逆断层。

点,自2017年以来,4月份累计排水量约24郾7万m3;计排水量约56郾2万m3;9月份累计排水量约50郾2万m3;10月份累计排水量约49郾8万m3;11月份累计排水量约53郾6万m3,12月份累计排水量约51郾2万m3。18个富水点,其中2017年4月18日X2DK1+471处3郾4万m3/d,稳定时在1郾6万m3/d左右。

突发涌水见图14,钻孔泄水过程中最高涌水量达到

摇

滓进行整理,计算变化位置与掌子面弹性参数变化率,详见表5。

泥灰岩、白云岩。隧道主要穿越马鹿汛断层、红龙厂逆

目前,甘庄隧道2号斜井是全线涌水量最多的工

5月份累计排水量约76郾7万m3;6月份累计排水量约59郾3万m3;7月份累计排水量约78郾8万m3;8月份累

甘庄隧道2号斜井2郾5km施工过程中先后揭示

图15摇X2DK1+471段TSP二维成果

表5摇涌水段TSP参数对比

序号111222

里程

Vp/变化Vs/变化变化泊松

Vp/Vs

率/%比滓(m/s)率/%(m/s)率/%

——

29232862

——

1郾7501郾702

——

变化

率/%0郾07——

X2DK1+4965115X2DK1+49871

X2DK1+4855048-1郾312884-1郾331郾7500郾020郾258X2DK1+4714974-2郾7628-0郾861郾716-1郾920郾243X2DK1+4281郾172650-7郾411郾8609郾260郾297X2DK1+47150313郾2828-7郾481郾90011郾630郾308

0郾236

0郾258

-5郾6325郾4830郾47

图14摇甘庄隧道涌水照片

摇摇注:1郾序号1为炮检同侧数据,序号2为炮检异侧数据;2郾变化率为“+冶值时为上升,变化率为“-冶值时为降低。

3郾4郾1摇涌水段TSP数据特征

该段于X2DK1+496完成TSP探测,得到二维成果(图15),并对掌子面X2DK1+496、泊松比增长起点X2DK1+485和涌水X2DK1+471位置Vp、Vs、Vp/Vs和

由表5可见:(1)由于涌水段前后围岩坚硬完整,炮检同侧的纵横波速变化不大;(2)炮检异侧的纵波波速上升,横波速度下降7%;(3)炮检异侧的Vp/Vs和滓呈上升趋势,泊松比变化幅度大于纵横波速比约

第7期舒摇森—突涌地质隧道TSP法弹性参数判识研究

115

3倍;(4)炮检异侧的Vp/Vs由1郾7寅1郾9变化、滓由0郾2寅0郾3变化符合裂隙充满水及水饱和未固结及较多孔隙的解释原则;(5)由图14(a)可知掌子面前方左右侧皆富水,但探测成果显示炮检异侧数据反映明显突出,这与裂隙发育的走向与隧道接触位置及地震波反射接收的方位有关。

P波速度分析见图16,涌水段X2DK1+471位于

发育痕迹,巨大水量的来源主要是因为隧道区域岩层受构造作用影响较强烈,在可溶岩与非可溶岩接触带附近,岩体深部溶隙及裂隙为良好导水通道,虽然隧道并未揭示岩溶通道,但地下水仍然顺着层间节理与裂隙向隧道开挖形成的低势点汇聚流动。

暖色低速区域中心,但低速区域范围较小且远离隧道轴线。这与现场虽然揭示富水裂隙通道,但并未发现明显的可溶岩痕迹,围岩强度及完整程度变化不大情况相吻合。

3郾4郾2摇涌水地质因素分析

甘庄隧道2号斜井穿越地层岩性主要为鹅头厂组板岩夹灰岩、砂岩(图17),突水段落未见明显的岩溶

图16摇P波速度分析

图17摇甘庄隧道2号斜井示意

摇

摇摇甘庄隧道2号斜井围岩大多完整坚硬,而施工中主要地质问题就是涌水点的不确定性,但分析其成因后便可抓住该问题的关键—裂隙。TSP数据分析紧密围绕反射界面变化程度,预报裂隙存在情况及预测含水程度,并通过钻探进行验证,提前优化施工措施,便可确保施工安全及效率。开挖过程中,层间裂隙基本都能够通过TSP预报并划定钻探验证重点段落。通过超前钻探提前揭示释放的地下水由于预留稳定岩盘,对施工产生的不利影响较低。所以,该工点TSP长距离划定重点裂隙富水段落,临近超前钻探的预报方式较好的指导了变更设计、超前支护及排水措施的制定。

4摇突涌地质及TSP特征分析

隧道突涌的发生常是因为隧道工程正面或高位揭穿两种及以上不利地质因素的组合,比如大柱山燕子窝断层突涌是正面揭穿断裂与岩溶富水地质体,多个不良地质体的综合作用更易造成大规模突涌灾害。突涌的危害主要与地下水体规模有关,其中动态水占主导的灾害破坏威力巨大,如大柱山燕子窝断层、高黎贡

山岩溶管道等构造及岩溶水。动态水一般持续时间长如甘庄隧道层间裂隙水,持续时间较长且稳定。静态水占主导的危害程度与围岩破碎程度及静储量大小有关,一般静储量大时,围岩软弱破碎突涌的灾害并不亚于动态水突涌,但总体上静态水的储量相对有限,其突涌持续时间相对较短。静储量地下水的释放明显滞后,这会在开挖中产生误导,如扬武隧道突涌大多无明显先兆,开挖后也无明显地下水发育痕迹,但在进一步施工过程中由于地下水不断通过裂隙向低势点汇集,软弱破碎岩体不能形成稳定岩盘,破碎岩体在水的作用下发生突涌或溜塌。

TSP(地震波反射法)作为隧道超前地质预报的主

要中长距离及贯通开展的预报方法,应划定重点段落,结合地质条件及开挖经验,选择更具针对的钻探及物探方案对高风险段落进行探测,提高超前判识风险的能力。如表6所示,虽然4个实例突涌地质条件及影响程度存在差别,但突涌段与正常段的Vp、Vs、Vp/Vs将突涌隧道共性弹性特征归纳如下。

和滓四项参数上存在明显变化与差异,由表2~表6,

116

隧道大柱山高黎贡山扬武甘庄

最大涌水量/(m3/h)

12180无水(涌砂300m)

1400

3

铁道标准设计

表6摇4实例最大涌水量———突涌处与掌子面弹性参数对比

持续情况长期长期短期长期

Vp变化率/%

-3郾26-7郾0郾266郾28

Vs变化率/%

-8郾24-5郾41-3郾81-4郾17

1郾7寅1郾91郾7寅2郾01郾7寅1郾51郾7寅1郾9Vp/Vs

变化率/%5郾4112郾344郾86-4

变化0郾25寅0郾30郾25寅0郾350郾24寅0郾170郾25寅0郾31

第63卷

变化率/%13郾46-13郾1412郾4226郾50

2000

摇摇(1)富水时5%以上,Vp,/滓Vs与滓都呈增长趋势,V变化率增长约10%以上p/;(2)Vs变化率增长约富(3)水时层状裂隙或构造破碎时,Vp/Vs由1郾7寅2郾0变化,V,滓由0郾25寅0郾3变化;

p均呈下降趋势;(4)可溶岩富水时,Vp不一定下降;(5)存在裂隙及富水通道时,Vs均呈下降趋势;(6)Vp和Vs同时下降时,围岩破碎及地下水发育程度同步上升;(7)V时,围岩完整程度变化不大,地下水及裂隙发育程度上p上升、Vs下降升;(8)受构造或富水通道与隧道空间交汇位置的影响,左右两侧弹性参数在突水点变化趋势不一致是正常现象,有一侧参数显示突涌风险时就应考虑整体突涌风险。5摇结论与建议5郾1摇主要弹性参数变化特点的分析研究(1)结论

对复杂地质条件下隧道突涌地质灾害及,表明作为突涌灾TSP害基本致灾因素与地灾体形成物质基础的地下水与破碎岩体(或裂隙通道)是能够通过或裂隙通道)主要通过VVTSP弹性参数进行判识的。地下水主要通过与Vp/s与滓进行判识,破碎岩体(p和Vs构成(2),因此本文研究的弹性参数判识依据主要针对固研究中涉及的隧道岩体大部分是由固结岩体

进行判识。

结岩体为主的隧道。得到的V规程判定是一致的,明确了规模富水地质体发生突涌p/Vs与滓判识的标准与10%前Vp/Vs变化率增长约5%及以上,滓变化率增长约

0郾25及寅(3)0郾以研究分析不同特点突涌地质下3上的变化趋势的变化幅。

度,Vp/Vs从1郾7寅2郾0,滓从

系与变化特点,这些规律与规程内容并不矛盾Vp与V,关键是s的关结合隧道地质条件分析潜在富水地质体物性特点和储水环境,理清岩体、构造、岩溶等地下水赋存载体(转移通道)与地下水的关系。分析V特点有助于分析潜在突涌地质特点p的V,Vs关系和变化状构造、岩体强度降低、岩体破碎程度上升的重要指p下降是判断层标。V5郾2摇建议

s下降是判断裂隙发育程度上升的重要指标。

结合勘查地质资料(1)Vp、Vs、Vp/,V综合反射波界面和速度图对围岩完

s与滓四项参数进行分析时应紧密整及地下水发育程度进行分析,判识标准应根据类似工程实例数据进行修正通预报方法(2)地震波反射法,并在过程中动态调整优化,应在风险隧道的预报中有效发挥其作用(TSP)作为目前隧道长距离贯

。

,特别是中长距离进行重点段落风险预判,并通过临近预报措施的优化验证风险地质段落,指导动态设计。但应用中仍然出现预报准确性较差的问题,未能有效指导施工。这主要是由于单通道数据采集,原始数据质量低,预报方法特点等原因造成。

1以目前应用最广的TSP203系统为例,可以采用

质预报技术规程~4个传感器进行数据接收》(Q/CR9217—2015),根据《铁路隧道超前地附录J-地震波反射法观测系统设计[18]传感器,但仅使用1个传感器进行单侧数据采集的情,数据采集中应至少采用2个况却并不少见。这一是会造成对侧数据的缺失,特别是在岩溶及复杂地质缺失的信息可能就是关键;二是造成数据处理解释较大误差,采用多通道数据处理可以进行对比处理,当不同通道的反射界面、物理参数变化一致性越高时预报准确性也越高采集应按照预报规程要求执行(3)原始数据质量是一切预报工作的基础。

。针对一些数据采集实,数据际问题、数据处理方法和它们造成的影响,舒森[14]树栋[22]等人提出了较好的解决办法,也在实践中取得、王较好效果查效果较好(4)地震波反射法对层状结构的不良地质体的探

,值得借鉴。

,对空间三维体的预报还在发展中,更多必须依靠钻探、地质雷达和其他方法进行辅助探测;对含水地质体也必须结合钻探、瞬变电磁法进行对比验证才能取得较好效果。根据不良地质特点,依据预报方法优缺点[16]参考文献:

,进行合理搭配以达到最佳探测效果。[1]摇设赵勇,2018(3):506,田四明.截至513.

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——以30多座典型隧

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、

1041

1069.(下转第130页)

130

铁道标准设计第63卷

列车以80km/h对向行驶时为最不利的情况,此时城0郾667mm/s和0郾679mm/s、2郾998mm/s。城墙的2-2

2

(3)通过对不同工况情况下的有限元分析得出,

[8]摇NelsonJ.Predictionandcontrolofground鄄bornenoiseandvibration[9]摇WilsonGP,SaurenmanHJ,NelsonJT.Controlofground鄄borne

339350.

fromrailtransitions[R].UMTAMA鄄06鄄0049鄄83鄄4.

墙和桥体的速度、加速度分别为0郾160mm/s、A、2-B、2-a、2-b这4个测点以及桥体A、B、a、b这弱点,应采取措施予以加固。

(4)护城河桥的振动以竖直方向为主,而城墙在

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4个测点的峰值速度、加速度变化量较大,属于结构薄

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