2011, Vol. 54
水害是地下工程中最为常见也是危害最大的地质灾害，特别是在岩溶地区或深埋地下工程中，大型的地下含水体，如饱水区的断层破碎带，地下暗河，充水溶洞、溶腔以及煤矿采空区等都可能给工程带来巨大的安全隐患.如：宜万铁路野三关隧道2007年8月5日发生特大涌水，死亡10 人；宜万铁路马鹿箐隧道2006年1月发生涌水，死亡11人；在煤矿开采中，采空区透水事故屡发，特别是2010年伊始，便发生多起煤矿井下突水事故，如骆驼山煤矿、王家岭煤矿等，造成巨大的人员伤亡和经济损失.因此，在地下工程中，针对大型的地下含水体的准确预报对于保证生产安全意义重大.
为了降低水害对地下工程的安全威胁，国内外不少学者开始研究用地震法，电磁法等各种方法对不良地质体进行预报，取得了一系列研究成果[1~4]，并成功用于生产实践中.其中地震波法发展较早，已经比较成熟.在隧道及矿山的超前预报中，地震波法主要用于对岩性变化、围岩完整性，破碎带以及溶洞等地质异常的探测，鲜有人对地下大型含水体的地震波反射特性进行研究.在石油探测方面，有不少学者进行了这方面的研究，并取得了相应的研究成果[5~8].但对地下含水体的地震波法探测研究还相对不足，不能有效指导工程实践.因此开展地下含水体的超前探测理论及技术研究，不仅能有效规避突水突泥等工程风险，而且对于地下工程涌水治理也能起到一定的指导作用.
2 大型地下含水体对地震波的特殊反射现象依托宜万铁路云雾山隧道的超前预报工程实践，发现了大型地下含水体对地震波的特殊反射现象.
2.1 工程概况云雾山隧道位于湖北省恩施市与利川市的交界处，是宜万铁路八座Ⅰ级风险隧道之一，为一座单线、双洞隧道，Ⅰ 线隧道长6640 m，Ⅱ 线隧道长6682 m，其特点是溶腔和地下水非常发育，突水突泥风险高.所以超前地质预报是云雾山修建过程中控制突水、突泥灾害的重要手段.
2.2 地震波信号采集及分析2008年2月于云雾山隧道进口Ⅰ 线进行超前地质预报，采用瑞士按伯格公司生产的TSP203plus超前预报系统，并采用减少噪音干扰的探杆锚固方法[9]，用瞬时雷管引爆乳化炸药作为震源，药量25~50g，采用多炮激发方式，共激发24 炮，采集参数为：采样率62.5μs，记录长度7218 样点，X-y-Z三分量接收.探测范围为云雾山隧道进口ⅠDK245+245~ⅠDK245+370，共135m.
震源爆破产生的地震波为纵波(P波)和横波(S波)的综合波，按照质点运动方向和波传播方向的不同，通过半自动地震波分析软件TSPwin，对其反射波的三分量接受信号进行纵横分离，多炮叠加处理，得到P波，水平极化横波(SH 波)和垂直极化横波(SV 波)，并对纵横波信号进行去噪和偏移处理，得到P波和S波的速度传播曲线，以及P波、SH 波和SV 波的深度偏移图像(如图 1~2所示).
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图 1 波速、泊松比曲线 Fig. 1 The curve diagram of wave velocity and poisson ratio |
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图 2 地震波P波（a)、SH波（b)和SV波（c)深度偏移 Fig. 2 The diagram of depth migration of P-wave(a)， SH-wave(b) and SV-wave(c) |
如图 1中方形区域所示，横波波速下降，泊松比升高，密度降低.结合地质资料分析，该段区域为灰岩，无其他岩性，由此可初步推断ⅠDK245+250~ⅠDK245+280段围岩孔隙度升高，岩溶裂隙发育.
图 2中的R和X分别表示有效探测区域的垂向范围和轴向长度，其中检波器位置在(0，0)点.图 2a中椭圆区域P波反射强度较高，而方形区域中，P波则无明显偏移.在SH 和SV 波偏移图像中，相应区域(图 2(b，c)方形区域)内，SH 波和SV 波均产生了较强反射.考虑到SH 波和SV 波在液体的不可传播性[5]，可以推断该区域的特殊反射现象可能由于大体积的岩溶水引起.结合岩性曲线分析，其他区域的强反射均是由围岩完整性差、孔隙度高引起的.因此推断出以下结论：ⅠDK245+268~ⅠDK245+285段不仅岩溶裂隙或溶洞发育，而且岩溶水非常发育.
通过分析地质资料，本次预报区域岩溶裂隙非常发育，围岩孔隙度较高，故而在图 2a的P 波反射内方形图框以外均为强反射，方形图框中的强透射现象说明该区域介质均一，因而判断可能为岩溶水.而相应区域，SH 波和SV 波(图 2b和2c所示)出现了区域性强反射，其他区域反射强度不高，这是因为横波在孔隙度较高的岩体中的传播能力较弱，横波振幅衰减较纵波快得多，因此除了反射特别强的区域(图 2b和2c中方形区域)外，其他区域横波反射信号的强度随预报距离增大呈迅速衰减趋势.
结合以上分析，得出探测区域的最终预报结论：ⅠDK245+262~ ⅠDK245+268 段岩溶裂隙较为发育，岩溶水丰富，特别ⅠDK245+268~ⅠDK245+285段可能有较大含水溶腔.
2.3 超前钻孔揭露为验证预报结果，进行了超前水平钻探，钻孔揭露了一个大型地下含水构造(图 3)，大量夹杂泥沙的岩溶水经超前钻孔涌出，涌水水压0.53 MPa，细沙黄泥淤积隧道达二百余米，经钻孔结论推断可能为大型地下充水溶腔，与预报结果非常吻合.
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图 3 掌子面钻孔揭露图 Fig. 3 Diagram exposed by borehole in tunnel fac |
这次预报不仅成功预警了隧道前方大型含水溶腔，避免了突水突泥事故的发生，同时通过地震波信号分析和钻探揭露结论相互验证，发现了地震波在ⅠDK245+260~ ⅠDK245+285 大型含水溶腔段的特殊反射现象，该现象具体描述如下：P 波首先发生强反射，然后P 波反射明显变弱，弱反射区域与强反射区形成明显对比，在P波弱反射区域，SH 波和SV 波表现为强反射，同时，在该区域内泊松比上升，横波波速和密度下降.
3 地下含水体对地震波的反射规律研究为了解释含水体对地震波的这种反射现象，并研究地下含水体对地震波是否存在一定的反射规律，我们从地震波的双相介质传播理论进行了探讨，深埋地下矿床或大埋深岩溶隧道一般地处饱水带，因此可以做如下假设：岩体裂隙被岩溶水饱和充填.
这样地震波的传播介质就可以定义为固、液双相介质.通过研究地震波在双相介质中的反射、透射理论，可以较好地解释这种特殊的反射现象.
3.1 P波在双相介质中的反射和透射当P波倾斜入射到各向同性双相介质分界面上时将产生反射、透射快P 波，反射、透射慢P 波和反射、透射SV 波(图 4)，SV 波与P 波可在介质界面发生相互转换，这里只以P波入射为讨论对象.
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图 4 双相介质中P波人射示意图 Fig. 4 The transmission schematic diagram of incident of P-waves |
双相介质中，纵波的Zoeppritz形式反射系数方程[10~15]如下,等效拉梅系数λ1、λ2 的引入体现了双相介质中固相、液相、固液耦合相弹性模量的综合效应，有
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式中B为反、透射系数矩阵，由左至右分别为快P波、慢P 波、SV 波的反射系数和快P 波、慢P 波、SV 波的透射系数.α、β、γ、α′、β′、γ′ 分别表示快P波、慢P波和S波的反射角和透射角.VP1、VP2、VS、V′P1、V′P2和V′S 分别表示快P波、慢P波和SV 波在介质Ⅰ和介质Ⅱ中的传播速度.
公式中，上标“′”表示介质Ⅰ 参数.以介质Ⅰ 为例，λ1、λ2 具体表达式为
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式中的g1、g2、g3 分别为快P 波、慢P 波、SV 波引起的固液相振动的振幅比[13].
在卢明辉的计算模型中[13]，介质Ⅰ 孔隙度Φ=0.1，渗透率k=100mD;考察介质Ⅱ中孔隙度分别为1%、5%、20%、30%，渗透率为1D 时，快P 波反射系数随入射角的变化规律如图 5所示.在实际工程应用中，为取得理想的地震波信号，地震波的激发和接受装置一般会安设在完整岩体中，因此慢P 波的影响可以忽略不计.以下内容中将不再区分快P波和慢P波，均以P波代替.
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图 5 不同孔隙度下快P波反射系数曲线 Fig. 5 Reflection coefficients of fast P-wave of different porosities |
通过对以上反射透射方程组的研究，可以得出P波的反射系数对孔隙度非常敏感，且其反射强度随孔隙度增加而增大(图 5 所示).可以很好地解释在云雾山探测中，ⅠDK245+262~ ⅠDK245+268段(图 2中椭圆区域)P波强反射是由于该段孔隙度突然变高造成的.液体是P 波的优良传导介质，在完整液相介质中，各向同性，均一性好，P 波无明显反射，这个性质很好地解释了ⅠDK245+268~ⅠDK245+285段P波的弱反射现象(图 2中的方形区域)，我们称这种现象为地震P 波对水体的“穿越效应".
3.2 SH波和SV波在水体界面的反射液相介质剪切模量非常小，特别是非黏滞性液体，剪切模量为0，故SH 和SV 波均不能在液相介质中传播，在完整岩体与水体交界面，如果忽略界面的吸收作用，可认为原生波中的SH 和SV 波的反射系数RSH =RSV=1，同时部分P 波在交界面转换为SV 波，从而使SV 波的反射能量得到增加.这个结论可以解释在云雾山预报中ⅠDK245+268~ ⅠDK245+285 段(图 2 中方形区域)SH 波及SV 波的强反射现象，我们称这种反射现象为水体对横波的“镜面反射效应”.
实际工程探测中，并没有理想的岩石与水体的界面，水体界面一般伴随着岩性的破碎及岩溶裂隙发育等，因此，横波在遇到岩体与水体界面时，一般产生的强反射区域范围较大，是由于反射界面的不连续引起的.
4 青岛胶州湾海底隧道的现场正演试验通过理论研究，解释了云雾山隧道大型含水溶腔对地震波的特殊反射现象，为了进一步验证这种反射现象并非偶然，而是存在一定的规律性，并且这种反射规律能够有效应用到地下工程水害探测中，特选择青岛胶州湾海底隧道出口入海段进行现场正演试验.
4.1 现场试验条件胶州湾海底隧道工程是连接青岛市主城与辅城的重要通道，线路全长7120 m，其中主隧道长度约6170m，(海底段约3950 m)路基段长约950 m，设两条三车道主隧道和一条辅助隧道，主隧道中轴线间距55m.辅助隧道全长5950 m，海域段主隧道埋深一般为20~30m.采用矿山法施工.
选择海底隧道出口(黄岛端)入海段为现场试验场地，其中辅助隧道为：FK4+603~FK4+470，主隧道右洞为：YK7+355.5~YK7+245.该段隧道埋深小于50m，海底界面与隧道轴线距离为30~40m，在地震波信号的有效接受范围内(图 6所示).
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图 6 青岛海底隧道辅助洞现场 正演试验探测区域剖面 Fig. 6 Schematic diagram of detection zone of auxiliary tunnel |
于2008年5月16日和7月6日分别对胶州湾海底隧道辅助洞和右洞进行了现场正演试验.试验采用瑞士按伯格公司生产的TSP203plus仪器进行地震波采集.激发24炮，炮点距1.5m.采集参数为：采样率62.5μs，记录长度7218样点，X-y-Z三分量接收.
震源及地震波检波器布设于海底完整基岩，岩性为花岗岩，岩体完整性好，信号采集质量高.
4.3 实验数据分析对所采集数据进行纵横波分离、滤波、归一化及深度偏移等处理后，得到纵横波速曲线，P波、SH 波和SV 波的深度偏移图.由于现场条件限制，地震波有效探测区域只能随着隧道轴向方向展开，且随偏移距增大，地震波的入射角逐渐增大，纵、横波对海底界面的反射也逐渐变弱.所以试验中只取近端反射数据进行相应研究.
由海底隧道的地质情况分析可知，两次正演试验均位于较为完整的花岗岩岩体内，孔隙度低，围岩完整性好，因此地震波P 波、SH 波及SV 波除了地质异常区域外，均无明显强反射.
两次现场试验结论非常类似，都准确地探测出了海底轮廓.在辅助洞的现场试验中，图 7 自FK4+570 开始(方形图框内)，纵横波速比上升，同时纵、横波波速下降，泊松比上升，密度下降.在P 波深度偏移图中(图 8a)，能看到椭圆区域内的反射强度较高，并且在方形区域内反射不明显，透射较强.同时，在SH 波和SV 波深度偏移图(图 8b和8c)中，在P波的强透射区域出现了强反射，偏移明显，图中方形图框圈定区域所示.由此可以推断蓝色区域为主要的海底界面.探测结论与工程勘察图纸所绘海底轮廓线(图 6)非常吻合.
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图 7 辅助洞波速、泊松比曲线 Fig. 7 The curve diagram ofwave velocity and poisson ratio of auxiliary tunnel |
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图 8 海底隧道现场试验P波（a)、SH波（b)和 SV波（c)深度偏移结果 Fig. 8 Diagram of depth migration of P-wave(a)， SH-wave(b) and SV-wave (c) in the tield test of auxiliary tunnel |
图 9~11 为右洞试验数据.图 9 中自YK7+315开始(方形图框内)，纵、横波速和密度同时下降，纵横波速比和泊松比均上升，并且纵波的反射偏移图中，在相应里程首先发生强反射(图 10a中圆形图框)，进而反射变弱出现强透射现象(图 10a中方形图框)，SH波和SV波在P波的强透射区域发生了较强反射(图 10b和10c中方形图框圈定区域)，强反射区域，范围及里程位置与海底隧道地质剖面图中的海底界面基本一致(如图 11所示).
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图 9 右洞波速、泊松比曲线 Fig. 9 The curve diagram of wave velocity and poisson ratio of right tunnel |
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图 10 海底隧道右线现场试验P波(a)、SH波（b)和 SV波（c)深度偏移 Fig. 10 Diagram of depth migration of P-wave(a), SH-wave(b) and SV-wave (c) in the tield test of right tunnel |
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图 11 青岛海底隧道右洞现场正演试验探测区域剖面 Fig. 11 Schematic diagram of detection zone of right tunnel |
通过海底隧道的正演试验，有力证明了地下含水体对地震波的特殊反射现象并非偶然，而是存在一定的规律，结合对双相介质中地震波的反射理论和实际工程探测数据的研究，总结出大型地下含水体对地震波的几点反射规律：
(1) P波对含水裂隙或含水破碎带的反射规律为：区域性强反射，且反射强度随岩体裂隙发育程度增加而增大.
(2) P波对水体介质界面反射规律为：P波反射系数随入射角增大而增大，在一定入射角范围内会产生强反射；
(3) P波在水体中透射时：水是P 波的优良传导介质，在水体介质中，P波反射能量小，无明显反射；
(4) SH 波和SV 波入射时：SH 波在液体中不能传播，除了部分被界面吸收外，绝大部分波都被反射.因而岩体与水体界面处SH 波的反射强度较高；
(5) 实际工程中含水体界面一般是不规律的，因此反射偏移图像中，SH 波和SV 波的强反射呈区域性分布，且在P波透射性好的区域更甚.
在总结地下含水体对地震波反射规律的基础上，结合青岛海底隧道正演试验结论，以TSP 超前预报方法为例，提出了地震波探测中对地下大型含水体的判识准则：
(1) P波先发生区域性强反射，进而发生区域性强透现象；
(2) P波强透射区域SH 波及SV 波均产生较强反射；
(3) 横波强反射区域岩性参数变化如下：纵、横波波速均下降，纵横波速比升高，泊松比升高，密度下降；如果探测数据同时满足以上条件，可以初步判断为前方可能存在较大含水体.
5 结 论(1) 准确预报了宜万铁路云雾山隧道大型含水溶腔，避免了工程损失；
(2) 发现了地下大型含水体对地震波的特殊反射现象，运用地震波在双相介质中的反射理论，对这种反射现象进行了理论上的解释，并总结了相应的地震波反射规律；
(3) 结合实际工程需要，以TSP 这种长期预报方法为例，提出了地震波法超前地质预报中对于大型地下含水体的判识准则；
(4) 在海底隧道进行了现场试验，验证了反射规律的正确性，同时也证明了判识准则能有效地识别地下含水体，在预防矿井、隧道等地下工程突水事故方面具有重要的工程推广价值；
(5) 文章中反射规律和判识准则是在理论研究和现场试验基础上得出的普适性结论，也可以有效应用到除TSP以外的其他地震波法探测中.
致谢非常感谢中铁一局云雾山隧道项目经理部，中铁隧道局青岛海底隧道项目经理部对我们的研究提供了良好的现场条件和重要的配合.
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