基于視電阻率法測(cè)試技術(shù)的隧道圍巖松動(dòng)圈測(cè)定

劉蒙,唐海*,馬諭杰,耿世明,潘永康,星曉金,武俊博

(1. 湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201;2.中國核工業(yè)華興建設(shè)有限公司, 江蘇 南京 210000)

目前,常見的圍巖松動(dòng)圈厚度大小測(cè)試方法有聲波法、地質(zhì)雷達(dá)法、地震波法、電阻率法、鉆孔成像法和多點(diǎn)位移計(jì)法等.聲波法是目前應(yīng)用最廣泛的一種方法,技術(shù)成熟,操作容易,但由于需要鉆孔并用水做耦合劑,所以只適用于巖性比較好、破碎程度較低的隧道或硐室[1],不然在鉆孔過程中容易塌孔,或者由于巖體過于破碎,導(dǎo)致水流失過快從而無法與圍巖耦合.其他幾種方法也各有缺點(diǎn),如地質(zhì)雷達(dá)法儀器貴,成本高;地震波法分析比較困難;鉆孔成像法儀器貴,操作過于繁瑣;多點(diǎn)位移計(jì)法工作量大,測(cè)量周期較長(zhǎng),精度不高[2-3].除地質(zhì)雷達(dá)法外,其他幾種方法均需要鉆孔,而在鉆孔過程中會(huì)產(chǎn)生動(dòng)荷載,圍巖在動(dòng)荷載的擾動(dòng)下,其松動(dòng)圈厚度會(huì)隨著擾動(dòng)的出現(xiàn)而發(fā)生變化,造成測(cè)量值與實(shí)際值偏差過大.而視電阻率法無需鉆孔,不會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生擾動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè),同時(shí)具有操作簡(jiǎn)單,可以實(shí)時(shí)測(cè)試,測(cè)量時(shí)間短,速度快等優(yōu)點(diǎn).因此,可以通過瞬變電磁儀探測(cè)獲取圍巖的視電阻率值,根據(jù)視電阻率值來區(qū)分松動(dòng)圈與塑性區(qū)的邊界,確定松動(dòng)圈的大小,判別出圍巖類別,從而提出安全可靠的支護(hù)方案.本文根據(jù)視電阻率松動(dòng)圈測(cè)試方法,測(cè)定了某個(gè)隧道的松動(dòng)圈,并根據(jù)測(cè)定的松動(dòng)圈范圍設(shè)計(jì)了支護(hù)方案.為視電阻率方法在松動(dòng)圈的測(cè)試中提供借鑒并推動(dòng)視電阻率方法在工程中的應(yīng)用.

1 松動(dòng)圈測(cè)試技術(shù)

1.1 圍巖松動(dòng)圈形成機(jī)理

圍巖松動(dòng)圈的大小是分析隧道穩(wěn)定性以及提出合理支護(hù)方式的一個(gè)關(guān)鍵因素.隧道在掘進(jìn)前,受三向應(yīng)力作用,巖體處于應(yīng)力平衡狀態(tài);隧道掘進(jìn)后,會(huì)導(dǎo)致圍巖卸荷回彈以及應(yīng)力重新分布,隧道周邊徑向應(yīng)力下降為零,三向應(yīng)力狀態(tài)變成兩向應(yīng)力,同時(shí)環(huán)向應(yīng)力集中.此時(shí),如果集中應(yīng)力不斷發(fā)展并逐漸超過圍巖強(qiáng)度,那么離巷道周邊最近的圍巖開始破壞,并隨著集中應(yīng)力的增加,破壞逐步向深部發(fā)展,當(dāng)發(fā)展到一定的深度后,圍巖會(huì)形成新的三向應(yīng)力平衡狀態(tài),破壞便不會(huì)再產(chǎn)生[4-5].通常將圍巖中產(chǎn)生的松弛破碎區(qū)定義為圍巖松動(dòng)圈.松弛破碎區(qū)之外,是塑性區(qū)和彈性區(qū),如圖1所示.

圖1 圍巖松動(dòng)圈

1.2 測(cè)試原理

電阻率是巖石一個(gè)重要的電性參數(shù)[6],視電阻率法測(cè)試圍巖松動(dòng)圈是以圍巖導(dǎo)電性強(qiáng)弱的不同為基礎(chǔ).許多學(xué)者認(rèn)為,在巖石電阻率方面,巖性[7]、孔隙率[8]、含水量[9-10]、溫度[11]、破裂[12]對(duì)巖石電阻率的影響較大,在前4項(xiàng)條件變化不大的情況下,破裂程度的大小是影響電阻率的主要因素[6].根據(jù)巖石電阻率的驟變情況,判別松動(dòng)圈與塑性區(qū)的分界是完全可行的.松動(dòng)圈范圍內(nèi)的巖體非常破碎,導(dǎo)致孔隙率很高,因此電阻率高;而松動(dòng)圈之外的塑性區(qū)和彈性區(qū),巖體完整致密,所以電阻率就低.

圖2 瞬變電磁儀工作原理

試驗(yàn)采用中煤科工集團(tuán)重慶研究院自主研發(fā)的YCS-40礦用本安型瞬變電磁儀作為探測(cè)工具.瞬變電磁儀工作原理如圖2所示.YCS-40通過發(fā)射線圈向圍巖發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng),在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間利用接收線圈測(cè)量圍巖介質(zhì)引起的二次感應(yīng)渦流磁場(chǎng)[13],從而達(dá)到探測(cè)介質(zhì)視電阻率的目的,最后對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件分析并反演成圖獲得圍巖松動(dòng)圈的大小.值得注意的是,視電阻率并不是只與巖石的電阻率有關(guān),它除了受巖石電阻率的綜合影響外,還與巖石的分布狀態(tài)、電極排列等具體情況有關(guān).但總的來說巖石電阻率產(chǎn)生的影響占據(jù)了主要部分,僅依據(jù)電阻率所呈現(xiàn)出的規(guī)律就可以滿足判別圍巖松動(dòng)圈厚度的條件,所以并沒有把巖石的分布狀態(tài)、電極排列等具體情況所造成的影響考慮在內(nèi).

2 工程實(shí)例

2.1 地質(zhì)條件

試驗(yàn)隧道圍巖狀況以棕紅色為主,巖性為含礫粗砂巖與砂礫巖等.礫石以花崗巖礫為主,變質(zhì)巖礫與石美礫次之;碎屑結(jié)構(gòu)為主,偶見泥質(zhì)結(jié)構(gòu);構(gòu)造以(斜)層理構(gòu)造為主.風(fēng)化裂隙較發(fā)育,局部結(jié)構(gòu)部分破壞,多為泥鈣質(zhì)膠結(jié),巖芯呈短柱狀或碎塊狀.單孔R(shí)QD(巖芯質(zhì)量指標(biāo))值為29.30～72.43,加權(quán)平均值為46.68,巖石質(zhì)量差.

2.2 現(xiàn)場(chǎng)布置

該隧道開挖斷面凈尺寸為4.0 m×5.2 m(寬×高),開挖面積為20.8 m2,掘進(jìn)后兩幫和頂板就需要及時(shí)進(jìn)行支護(hù),以防止隧道冒頂.而支護(hù)需要立型鋼鋼架、鋼筋網(wǎng)片和打入錨桿,這些金屬設(shè)施在瞬變電磁儀探測(cè)中能產(chǎn)生很強(qiáng)的瞬變電磁響應(yīng),有研究表明在隧道支護(hù)后的地方采用重疊回線組合測(cè)量時(shí),比裸巖區(qū)域的瞬變電磁響應(yīng)高幾倍[14],所以在實(shí)測(cè)時(shí)應(yīng)盡量避開已經(jīng)完成支護(hù)的地方,同時(shí)在可能受影響的地方做好標(biāo)記,以便在資料解釋時(shí)排除此類影響.

為了能夠不受金屬影響并準(zhǔn)確探測(cè)出隧道圍巖松動(dòng)圈的厚度大小,探測(cè)試驗(yàn)應(yīng)在鉆爆掘進(jìn)后,且支護(hù)尚未進(jìn)行前開展.為了提高測(cè)量精確度,借鑒了易帥[15]采用瞬變電磁儀測(cè)試松動(dòng)圈厚度的方法,測(cè)量前用4根1.5 m長(zhǎng)的木棍把柔性線圈固定成邊長(zhǎng)為1.5 m×1.5 m的正方形.然后分別在隧道距離掌子面1～4 m處左右側(cè)、頂板處緊貼巖壁各布置一條測(cè)線,線圈在每條測(cè)線上不重疊的采集2次數(shù)據(jù),每次1.5 m,共3 m長(zhǎng),探測(cè)示意圖如圖3所示.

圖3 探測(cè)示意圖

現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)步驟如圖4所示.探測(cè)步驟：(1)現(xiàn)場(chǎng)組裝線圈和發(fā)射電源；(2)兩名工作人員把線圈緊貼巖壁放置；(3)采集數(shù)據(jù).采集完數(shù)據(jù)后,為了計(jì)算視電阻率,使用YCS-40礦用本安型瞬變電磁儀自帶的數(shù)據(jù)處理軟件MSD-2010,然后采用Surfer8.0軟件繪制成等值線圖.

圖4 探測(cè)步驟

2.3 可行性驗(yàn)證

為探討視電阻率大小與巖層組成的內(nèi)在關(guān)系,驗(yàn)證瞬變電磁儀探測(cè)圍巖松動(dòng)圈的可行性,分別通過卷尺和瞬變電磁儀對(duì)一處粗骨料堆進(jìn)行堆放高度測(cè)試對(duì)比.如圖5所示,粗骨料堆由直徑大于5 mm的碎石構(gòu)成,兩側(cè)用磚墻圍擋,粗骨料堆底部為C20素混凝土地面層.

圖5 粗骨料

首先通過卷尺對(duì)粗骨料堆進(jìn)行了高度測(cè)量,結(jié)果顯示粗骨料堆高度約為2.5 m.其中,現(xiàn)場(chǎng)通過用鐵鍬從上向下挖掘粗骨料堆,發(fā)現(xiàn)高度在2～2.5 m時(shí)的粗骨料較為干燥,這是由于此處粗骨料接近外部自然環(huán)境,大量水分被自然蒸發(fā),所以含水低;而高度在0～2 m時(shí)的粗骨料,由于埋藏在底部,不與外部自然環(huán)境接觸,水分很少被自然蒸發(fā),所以含水高,較為潮濕.另經(jīng)查看堆料地坪設(shè)計(jì)施工圖,得知粗骨料堆底部的素混凝土層厚度為0.25 m.隨后通過瞬變電磁儀對(duì)粗骨料堆進(jìn)行探測(cè),經(jīng)過探測(cè)和軟件分析后,視電阻率等值線圖如圖6所示.

圖6 粗骨料視電阻率等值線

從圖6中可以看到,0～-0.5 m內(nèi)(此處對(duì)應(yīng)的是粗骨料堆2～2.5 m高度)等值線較密集,視電阻率由高到低逐漸下降,其原因是該區(qū)域內(nèi)粗骨料水分較少,比較干燥;而-0.5～-2.5 m內(nèi)(此處對(duì)應(yīng)的是粗骨料堆0～2 m高度)等值線較均勻且視電阻率較穩(wěn)定,這是由于該區(qū)域內(nèi)粗骨料含水較多,比較潮濕.根據(jù)文獻(xiàn)[9]的研究:同一種形態(tài)的物質(zhì)其電阻率會(huì)隨著含水率的增加而降低,隨著含水率的降低而增加.這與粗骨料堆0～-2.5 m所展現(xiàn)的特征相吻合;-2.5～-2.75 m這一范圍視電阻率驟降,此處應(yīng)為25 cm厚C20素混凝土地面層,這是由于素混凝土層內(nèi)密度很高,內(nèi)部空間較粗骨料堆而言完整密實(shí),且?guī)缀醪缓?-2.75 m之后應(yīng)為原地面層,由土和碎石組成,孔隙率變大,所以等值線又重新密集起來且視電阻率增大.因此可將視電阻率驟降之前的0～-2.5 m視為粗骨料堆的高度,粗骨料堆的高度約為2.5 m.

利用瞬變電磁儀能夠探測(cè)物質(zhì)的視電阻率這一特點(diǎn),對(duì)粗骨料堆進(jìn)行了探測(cè).結(jié)果表明,空隙較多的粗骨料堆視電阻率值較高,而相比之下完整密實(shí)的素混凝土層視電阻率值較低.將此結(jié)果運(yùn)用到探測(cè)隧道圍巖上,巖性差、破碎程度高的圍巖視電阻率值應(yīng)該較高,而巖性好、破碎程度低的圍巖視電阻率值應(yīng)該較低.通過卷尺和瞬變電磁儀的厚度測(cè)試對(duì)比,兩者的結(jié)果比較接近,同為2.5 m左右,說明用瞬變電磁儀探測(cè)圍巖松動(dòng)圈是可行的.

2.4 測(cè)試結(jié)果分析

首先對(duì)隧道內(nèi)一處未進(jìn)行仰拱初支的底板進(jìn)行試驗(yàn).底板視電阻率等值線如圖7所示.圖7中0～ -0.2 m區(qū)域內(nèi)等值線分布非常密集,視電阻率最高,該區(qū)域內(nèi)視電阻率值保持在200以上,推測(cè)可能是因?yàn)樵搮^(qū)域由淤泥和碎石塊組成,并未到達(dá)巖石層,經(jīng)后期現(xiàn)場(chǎng)原地挖掘,正如推測(cè)所言,經(jīng)過0.2 m厚的淤泥碎石塊層后才到達(dá)巖石層;-0.2～-2.1 m區(qū)域內(nèi)等值線不再像之前那樣密集,逐漸變得稀松且視電阻率值逐漸下降,區(qū)域內(nèi)視電阻率平均值為100左右,原因是隨著埋深的不斷增加,進(jìn)入圍巖松動(dòng)圈范圍內(nèi),圍巖破碎程度逐漸降低;-2.1 m以后,等值線消失,視電阻率較低,此區(qū)域內(nèi)巖石不再破碎,具有一定的完整性,已到達(dá)圍巖塑性區(qū)范圍內(nèi).此次試驗(yàn)說明,松動(dòng)圈范圍內(nèi)圍巖的視電阻率不會(huì)保持在一個(gè)定值,而是隨著圍巖破碎程度的降低而降低;而圍巖松動(dòng)圈之外,巖體具有一定的完整性,所以其視電阻率幾乎保持不變.根據(jù)視電阻率等值線圖,-0.2～-2.1 m處等值線密集、視電阻率高,符合松動(dòng)圈內(nèi)的巖石特征,可將這一區(qū)域作為圍巖松動(dòng)圈范圍.

圖7 底板視電阻率等值線

隨后,分別在隧道內(nèi)3個(gè)不同里程斷面處進(jìn)行了松動(dòng)圈范圍的測(cè)試,里程樁號(hào)分別為K0+667 m～K0+670 m,K0+700 m～K0+703 m,K0+758 m～K0+761 m,得到不同里程斷面的松動(dòng)圈厚度.圖8為K0+667 m～K0+670 m處視電阻率等值線圖.從視電阻率等值線圖中可以清晰地看到左側(cè)松動(dòng)圈厚度為2 m,右側(cè)松動(dòng)圈厚度為1.95 m左右,頂板松動(dòng)圈厚度為2.1 m左右.根據(jù)此前的地震波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào),此處為斷層破碎帶與影響帶,斷層內(nèi)主要為斷層泥、斷層角礫及碎裂砂巖、泥巖、頁巖、灰?guī)r等,巖體極破碎,呈角礫碎石狀松散結(jié)構(gòu),易塌方.同時(shí),參考董方庭[16]提出的圍巖分類方法(見表1),判斷出此處圍巖類型為Ⅴ類圍巖.

圖8 K0+667 m～K0+670 m處視電阻率等值線

表1 隧道圍巖松動(dòng)圈分類

圖9a為K0+700 m～K0+703 m處左側(cè)視電阻率等值線圖,松動(dòng)圈厚度約為2.18 m左右;圖9b為右側(cè)視電阻率等值線圖,松動(dòng)圈厚度約為2.1 m左右;圖9c為頂板視電阻率等值線圖,松動(dòng)圈厚度接近2.25 m.根據(jù)此前的地震波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào),此處為斷層破碎帶與影響帶,斷層內(nèi)主要為斷層泥、斷層角礫及碎裂砂巖、泥巖、頁巖、灰?guī)r等,巖體極破碎,呈角礫碎石狀松散結(jié)構(gòu),易塌方.同時(shí),參考表1內(nèi)容,判斷出此處圍巖類型為Ⅴ類圍巖.

圖10a為K0+758 m～K0+761 m處左側(cè)視電阻率等值線圖,松動(dòng)圈厚度為1.75 m;圖10b為右側(cè)視電阻率等值線圖,松動(dòng)圈厚度約為1.68 m;圖10c為頂板視電阻率等值線圖,松動(dòng)圈厚度約為1.77 m.根據(jù)此前的地震波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào),此處為砂巖夾泥巖、礫巖,弱風(fēng)化,節(jié)理發(fā)育,呈塊狀、碎石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)或碎石狀壓碎結(jié)構(gòu),易塌方掉塊.同時(shí),參考表1內(nèi)容,判斷出此處圍巖類型為IV類圍巖.

圖10 K0+758 m～K0+761 m處視電阻率等值線

3 支護(hù)方案

董方庭[16]指出:松動(dòng)圈擴(kuò)展過程中產(chǎn)生的碎脹力及其所造成的有害變形是隧道支護(hù)的主要對(duì)象;圍巖松動(dòng)圈尺寸越大,隧道收斂變形也越大,支護(hù)越困難.因此對(duì)于大尺寸的松動(dòng)圈,在設(shè)計(jì)支護(hù)方案時(shí)應(yīng)充分考慮其擴(kuò)展過程中產(chǎn)生的碎脹力及收斂變形.

對(duì)隧道內(nèi)3個(gè)不同里程斷面處圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行測(cè)試,3處的圍巖松動(dòng)圈厚度在1.68～2.25 m,都大于1.5 m,屬于大松動(dòng)圈[17],圍巖類別為Ⅳ,Ⅴ類.根據(jù)圍巖松動(dòng)圈的實(shí)際厚度,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)Ⅳ,Ⅴ類圍巖區(qū)域采用了不同的鋼架錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù).具體支護(hù)參數(shù)見表2.

表2 支護(hù)參數(shù)

后期采用收斂計(jì)監(jiān)測(cè)隧道變形,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示這3處的隧道左側(cè)、右側(cè)和頂板的收斂速率均小于0.02 mm/d,屬于穩(wěn)定隧道[18-19].由此說明該支護(hù)方案是安全合理可靠的,采用此支護(hù)方案對(duì)隧道進(jìn)行支護(hù),現(xiàn)場(chǎng)隧道圍巖無垮落或大變形現(xiàn)象.

4 結(jié)論

1)巖體內(nèi)部較破碎時(shí),視電阻率值明顯偏高,等值線密集;巖體內(nèi)部較為完整時(shí),視電阻率值較低,等值線稀松.因此,通過視電阻率值高低驟變來確定圍巖松動(dòng)圈厚度是可行的.

2)使用瞬變電磁儀對(duì)隧道爆破開挖后圍巖的松動(dòng)圈厚度進(jìn)行監(jiān)測(cè),確定了圍巖松動(dòng)圈厚度分別為1.95～2.1 m,2.1～2.25 m,1.68～1.77 m,其圍巖類別分別為Ⅴ類,Ⅴ類,IV類圍巖.

3)根據(jù)圍巖類別,確定了不同的鋼架錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方案,經(jīng)后期變形監(jiān)測(cè),收斂速率在合理的范圍內(nèi),隧道變形小,支護(hù)可靠.