高密度電法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

余左清 廖聲林

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實(shí)施,公路等基礎(chǔ)設(shè)施在西南山區(qū)的建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大,公路隧道數(shù)量也越來(lái)越多。而我國(guó)西南山高谷深,修建公路時(shí)常采用隧道方案穿越山嶺。不良地質(zhì)體,比如斷層、裂隙、巖溶等常常成為我國(guó)隧道建設(shè)當(dāng)中遇到的最主要也是最難以解決的問(wèn)題。若能準(zhǔn)確地在隧道掘進(jìn)中提前了解掌子面前方巖性結(jié)構(gòu)的變化情況,如預(yù)報(bào)掘進(jìn)前方是否有斷層、破碎帶、溶洞等不良地質(zhì)構(gòu)造,這些構(gòu)造的幾何形態(tài)如何,規(guī)模的大小,根據(jù)所掌握的這些地質(zhì)構(gòu)造情況,可及時(shí)合理地安排掘進(jìn)進(jìn)度、修正施工方案、安排防護(hù)措施、避免險(xiǎn)情發(fā)生[1]。它是實(shí)現(xiàn)隧道的科學(xué)施工和信息化管理的首要前提,本文即是通過(guò)高密度電法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一前提的。

1 高密度電阻率法原理簡(jiǎn)介[2]

高密度電阻率法(簡(jiǎn)稱高密度電法)是一種陣列勘探方法,也稱自動(dòng)電阻率系統(tǒng),是直流電法的發(fā)展,其功能相當(dāng)于四極測(cè)深與電剖面法的結(jié)合,其工作系統(tǒng)見圖1。通過(guò)電極向地下供電形成人工電場(chǎng),其電場(chǎng)的分布與地下巖土介質(zhì)的電阻率ρ的分布密切相關(guān),通過(guò)對(duì)地表不同部位人工電場(chǎng)的測(cè)量,了解地下介質(zhì)視電阻率ρs的分布,根據(jù)巖土介質(zhì)視電阻率的分布推斷解釋地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)。該方法對(duì)圍巖的含水情況特別敏感,圍巖破碎含水,其視電阻率明顯降低,完整、堅(jiān)硬巖土的視電阻率明顯高于斷層帶或破碎帶和富水帶圍巖的視電阻率。這種方法原理清晰,圖像直觀,是一種分辨率較高的物探方法。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的改進(jìn),使勘探效率大大提高,增大了剖面的覆蓋面積和探測(cè)深度,在強(qiáng)干擾的環(huán)境下也能取得可靠數(shù)據(jù),大大地提高了信噪比,可準(zhǔn)確地探測(cè)地質(zhì)體。本文高密度電法測(cè)量選用的是工程勘察中最常用的溫納裝置(見圖2)。測(cè)量時(shí),AM=MN=NB=AB/3為一個(gè)電極間距,探測(cè)深度為 AB/3,A,B,M,N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng),得到第一層剖面線;接著 AM,MN,NB增大一個(gè)電極間距,A,B,M,N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng),得到另一層剖面線;這樣不斷掃描測(cè)量下去,得到倒梯形地質(zhì)斷面。

2 工程實(shí)例

戌街隧道位于楚雄州元(元謀)—雙(雙柏)二級(jí)公路4合同姚新村段,分界段里程為K22+365～K23+287,分界段全長(zhǎng) 922 m。測(cè)區(qū)屬構(gòu)造剝蝕長(zhǎng)垣狀中低山地形地貌,地形切割較強(qiáng)烈,地勢(shì)起伏較大,地表植被稀少。1)地形地貌。戌街隧道位于云南省牟定縣戌街鄉(xiāng)水橋村境內(nèi),地處姚興村與地石么村之間的山梁部位,系龍川支流姚興村河與古巖河的分水嶺,屬構(gòu)造剝蝕長(zhǎng)垣狀中低山地形地貌,穿越低中山、中山區(qū),屬剝蝕構(gòu)造低中山、中山地貌,植被不發(fā)育,地形縱坡起伏較大,自然坡度一般多在30°～40°之間,局部大于45°,坡面沖溝很發(fā)育,切割較強(qiáng)烈,為山嶺重丘區(qū)。2)地層巖性。隧道線路區(qū)內(nèi)出露的地層巖性自上而下為:a.第四系殘坡積(Qel+dl4)粉質(zhì)黏土:地表覆蓋層,為灰褐、灰黃色,可塑～硬塑,土質(zhì)不均,含少量石英角礫,局部夾碎、塊石,厚度0 m～5.0 m,分布不連續(xù),主要分布于隧道進(jìn)出口端及地勢(shì)平緩地段。b.下伏基巖:巖性主要為華力西期(γ 4)花崗巖,上部呈全風(fēng)化角礫狀,具球狀風(fēng)化,偶夾中風(fēng)化巖塊,中部呈強(qiáng)風(fēng)化碎石狀,節(jié)理裂隙很發(fā)育,巖體破碎,巖質(zhì)較堅(jiān)硬,下部呈中風(fēng)化碎塊～大塊狀,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較完整,巖質(zhì)堅(jiān)硬,差異性風(fēng)化較重。

3 工作布置及完成工作量

1)工作布置。在隧道上方地表(K22+355～K23+300)沿隧道軸線布置了1條高密度電阻率法成像探測(cè)剖面。測(cè)線有效長(zhǎng)度945 m,布置有效電極 190個(gè)。電極距 5 m,采集30層,測(cè)深150 m。共兩個(gè)排列,排列間重復(fù) 100 m。

2)完成工作量。本次工作實(shí)際完成的工作量為:高密度電法剖面1條,剖面有效長(zhǎng)945 m,測(cè)深點(diǎn)190個(gè)。

4 高密度電法勘察成果

K22+355～ K22+612段 :視電阻率值較低,小于 500 Ω?m;推測(cè)圍巖為全～強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,節(jié)理裂隙很發(fā)育,巖體破碎呈角(礫)碎(石)狀松散結(jié)構(gòu),含風(fēng)化裂隙水,開挖后無(wú)支護(hù)時(shí)拱頂易發(fā)生坍塌,圍巖穩(wěn)定性較差,拱頂若無(wú)及時(shí)并加強(qiáng)支護(hù),會(huì)出現(xiàn)坍塌、側(cè)壁失穩(wěn)。圍巖級(jí)別為V級(jí)。K22+612～K22+812段:視電阻率值相對(duì)較低,大多在500 Ω?m～1 500 Ω?m;推測(cè)圍巖為中風(fēng)化花崗巖,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體呈塊碎～碎石狀壓碎結(jié)構(gòu),含少量裂隙水,自穩(wěn)能力較差,開挖后無(wú)及時(shí)支護(hù)時(shí)拱頂易掉塊,拱頂無(wú)支護(hù)會(huì)出現(xiàn)掉塊和小坍塌,側(cè)壁穩(wěn)定性一般。圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。K22+812～K22+934段:視電阻率值較高,大多在 1 000 Ω?m～5 000 Ω?m;推測(cè)圍巖為中～微風(fēng)化花崗巖,節(jié)理裂隙稍發(fā)育,巖體較完整,巖質(zhì)堅(jiān)硬,巖體呈塊(石)碎(石)狀鑲嵌結(jié)構(gòu),含少量裂隙水,自穩(wěn)能力較好,開挖后無(wú)及時(shí)支護(hù)時(shí)拱頂有掉塊可能或可產(chǎn)生小坍塌,側(cè)壁穩(wěn)定性較好。圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)。K22+934～K23+030段:視電阻率值相對(duì)較低,大多在 1000 Ω?m～ 1 800Ω?m;推測(cè)圍巖為中風(fēng)化花崗巖,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體呈塊碎～碎石狀壓碎結(jié)構(gòu),含少量裂隙水,自穩(wěn)能力較差,開挖后無(wú)及時(shí)支護(hù)時(shí)拱頂易掉塊,拱頂無(wú)支護(hù)會(huì)出現(xiàn)掉塊和小坍塌,側(cè)壁穩(wěn)定性一般。圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。K23+030～K23+147段:視電阻率值較高,大多在 1 800 Ω?m～ 3 000 Ω?m;推測(cè)圍巖為中～ 微風(fēng)化花崗巖,節(jié)理裂隙稍發(fā)育,巖體較完整,巖質(zhì)堅(jiān)硬,巖體呈塊(石)碎(石)狀鑲嵌結(jié)構(gòu),含少量裂隙水,自穩(wěn)能力較好,開挖后無(wú)及時(shí)支護(hù)時(shí)拱頂有掉塊可能或可產(chǎn)生小坍塌,側(cè)壁穩(wěn)定性較好。圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)。K23+147～ K23+300 段:視電阻率值較低,小于 1 500 Ω?m;推測(cè)圍巖為全～強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,節(jié)理裂隙很發(fā)育,巖體破碎呈角(礫)碎(石)狀松散結(jié)構(gòu),含風(fēng)化裂隙水,開挖后無(wú)支護(hù)時(shí)拱頂易發(fā)生坍塌,圍巖穩(wěn)定性較差,拱頂若無(wú)及時(shí)加強(qiáng)支護(hù),會(huì)出現(xiàn)坍塌、側(cè)壁失穩(wěn)。圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。

4.1 勘察結(jié)論

綜合地質(zhì)調(diào)查和高密度電法視電阻率圖像內(nèi)容,得出如下結(jié)論:1)隧道經(jīng)過(guò)區(qū)巖性相對(duì)較為簡(jiǎn)單,主要為花崗巖,受區(qū)域性斷裂及區(qū)內(nèi)層間褶曲影響,整體上巖體較為破碎,完整性相對(duì)較差。2)此次電法探測(cè)的不利地段(共4處,特別是 K22+375～K22+470,K22+540～K22+610段視電阻率值低),隧道開挖至上述地段時(shí),為防出現(xiàn)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害,應(yīng)提前采取預(yù)防措施,確保施工質(zhì)量和進(jìn)度。3)隧道進(jìn)出口端視電阻率值相對(duì)較低,巖體極為破碎,圍巖級(jí)別多為V級(jí)。開挖無(wú)支護(hù)時(shí)易發(fā)生崩塌。

4.2 施工建議

1)隧道進(jìn)出口端開挖時(shí)應(yīng)及時(shí)做好支護(hù)及排水工作,防止坍塌。2)此次電法探測(cè)的不利地段(共4處,特別是K22+375～K22+470,K22+540～K22+610段視電阻率值低),隧道開挖至上述地段時(shí),為防出現(xiàn)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害,應(yīng)提前采取預(yù)防措施,確保施工質(zhì)量和進(jìn)度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)例,展示了高密度電法在隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中快速、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確、直觀的特點(diǎn)。須指出,高密度電法作為以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)的物探方法,在實(shí)際工作中野外方法技術(shù)選擇上應(yīng)根據(jù)不同的勘探目的,合理布置勘探剖面,采用合適的裝置、電極距,才能達(dá)到最好的應(yīng)用效果。在高密度電法資料解釋上,一定要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況,并結(jié)合其他物探方法,或鉆孔資料進(jìn)行綜合分析[2],以達(dá)到準(zhǔn)確解決不同地質(zhì)問(wèn)題的目的。

[1] 何發(fā)亮,李蒼松,陳成宗.隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2006.

[2] 傅良魁.應(yīng)用地球物理教程——電法勘探[M].北京:地質(zhì)出版社,1991.

[3] 葛如冰,黃偉義.高密度電阻率法在灰?guī)r地區(qū)的應(yīng)用研究[J].物探與化探,1999(1):36-38.

[4] 姚 偉.高密度電法在隧道勘察中的應(yīng)用分析[J].山西建筑,2009,35(29):319-321.