高密度電阻率法在厚覆蓋層隱伏巖溶隧道施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判中的應(yīng)用

牛德東，侯 瑩

（1、貴州省交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督執(zhí)法支隊(duì) 貴陽 550014；2、貴州省公路工程集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)分公司 貴陽 550014）

關(guān)鍵字：隧道；巖溶；高密度電法；施工安全風(fēng)險(xiǎn)

0 前言

我國西南地區(qū)為典型的喀斯特地貌發(fā)育區(qū)，受地下水溶蝕作影響，各種類型的巖溶地貌和巖溶形態(tài)較為常見。以貴州為例，自2001年第一條高速公路修建至今，高速公路里程突破7 000 km，十四五期間，貴州全省高速公路網(wǎng)規(guī)劃總里程將達(dá)到10 096 km，貴州高速公路橋隧占比較高，隧道施工穿越經(jīng)常伴隨著斷層破碎帶、巖溶洞穴、地下水等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，這些不良地質(zhì)災(zāi)害在隧道施工中造成了極大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重阻礙了隧道正常建設(shè)。在貴州高速建設(shè)過程中，尤以巖溶災(zāi)害造成的事故最多，影響最大。以織普高速打括隧道為例，該隧道處于玄武巖與石灰?guī)r交互地段，地質(zhì)復(fù)雜，巖溶豎向發(fā)育，與地表連通，填充物深達(dá)105 m。受近期降雨影響，在隧道掘進(jìn)過程中，發(fā)生突發(fā)性的巖溶管道突泥，突泥達(dá)2 萬余m3，造成7 人死亡。因此，在勘察設(shè)計(jì)階段及施工開挖前查明巖溶隧道隱伏巖溶的發(fā)育情況極為重要。針對隧道不良地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)警，國內(nèi)公路建設(shè)中把隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作為工序納入施工管理，國內(nèi)外技術(shù)人員也針對隧道不良地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警開展了大量的研究和實(shí)踐［1?13］。李術(shù)才等人［14］在對綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法研究基礎(chǔ)上，優(yōu)化綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的流程，提出了隧道地質(zhì)災(zāi)害四色預(yù)警機(jī)制，并制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。李利平等人［15］通過對我國近50 年巖溶隧道（洞）突涌水工程實(shí)例資料的系統(tǒng)收集與歸類整理，建立巖溶隧道突涌水風(fēng)險(xiǎn)模糊層次評價(jià)模型，進(jìn)行隧道施工前勘察和設(shè)計(jì)2 個階段的突涌水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評價(jià)和施工中的動態(tài)評價(jià)，建立了完善的基于隧道施工許可機(jī)制的施工安全風(fēng)險(xiǎn)控制體系。在工程實(shí)際中，受限于多方面原因，需在隧道開挖前盡快查明巖溶發(fā)育特征，有效控制巖溶隧道施工地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，提供必要施工安全支撐。除了進(jìn)行隧道洞內(nèi)地質(zhì)雷達(dá)法、TSP法探測外，利用巖溶區(qū)地層電性差異，應(yīng)用高密度電阻率法探測可取得較為良好的效果。

1 高密度電阻率法

1.1 探測原理

高密度電阻率法具有通過一次布極，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)通過求取比值參數(shù)，從而突出異常信息，其具有采集信息多、觀察精度高、速度快、探測深度靈活等特點(diǎn)。

對于均勻大地電阻率，在測量地面電阻率時(shí)，需要建立各類電流源和供電電極及測量電極。當(dāng)供電電極的大小相比他們到觀測點(diǎn)的距離小得多時(shí)，就可以被看作兩個點(diǎn)，即點(diǎn)電源，如圖1?所示。兩個點(diǎn)電源的電場特征如式⑴所示。

圖1 電源示意圖Fig.1 Power Schematic

其中：K為電極排列系數(shù)；ρ為視電阻率；AM、BM為M 點(diǎn)到點(diǎn)源A 和B 的距離。

電位分布如圖2所示。

圖2 兩個異性點(diǎn)電源電場示意圖Fig.2 Schematic Diagram of the Electric Field of the Power Supply at Two Opposite-sex Points

靠近供電電極處電位變化較快，向著A 方向迅速增大，向著B 方向迅速下降。在AB 中間位置出現(xiàn)零電位。電流線基本水平分布，滿足均勻場特點(diǎn)。均勻大地的電阻率測量，就是基于上面的理論，利用勘測儀器測量MN 之間的電位差以及AB 回路的電流，進(jìn)而求出大地電阻率［16］。

實(shí)際上相當(dāng)于將本來不均勻的地電斷面用某一等效的均勻斷面來代替，按上式計(jì)算的電阻率不應(yīng)當(dāng)是地下介質(zhì)的真實(shí)值，而是在電場分布范圍內(nèi)、各種地下介質(zhì)電阻率綜合影響的結(jié)果。根據(jù)所測地電阻率的結(jié)果評價(jià)地電阻率的分布特征，綜合分析各類視參數(shù)所反映的介質(zhì)電阻率和幾何參數(shù)的信息，并結(jié)合已知區(qū)域的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)資料以及其他地球物理勘探資料，建立該區(qū)域的地電斷面圖，并選擇一些有意義的地段進(jìn)行正演模擬等，以驗(yàn)證地電模型的建立是否符合實(shí)際。

1.2 巖溶探測特征

在巖溶區(qū)進(jìn)行探測時(shí)，其電性異常類別有低阻異常和高阻異常，在工程實(shí)際中，低阻異常往往帶來負(fù)面影響。公路工程地質(zhì)勘察所研究的巖溶，深度較淺（一般也不超過30 m）。在此深度范圍內(nèi)，所遇到的巖溶現(xiàn)象大多數(shù)為垂直型巖溶，只有少部分是水平巖溶。而作為不良地質(zhì)勘察，巖溶勘察主要的勘察對象是巖溶漏斗、落水洞、巖溶豎井和溶洞，其異常特征如表1所示。

表1 常見巖溶高密度電法異常特征Tab.1 Anomaly Characteristics of Common Karst High-density Electrical Methods

2 工程概況

工程場區(qū)屬于侵蝕溶蝕中山地貌，地面高程1 875.60～2 065.50 m，最大高差189.90 m，地形起伏大，山體較陡，山體自然坡度約15°～45°，山體植被茂盛，主要為松木、雜木和低矮灌。隧道K93+400 之前為穿越山嶺，覆蓋層較薄，厚度為3.8～10.5 m；K93+400 之后由山的東面通過，覆蓋層較厚，厚度為15.8～51.5 m。本次探測區(qū)域?yàn)镵93+390～K93+995，覆蓋層為粉質(zhì)粘土，可塑，含風(fēng)化殘余的碎石：其下伏棲霞?茅口組主要為中風(fēng)化灰?guī)r，隱晶質(zhì)、細(xì)晶結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)較硬，中厚層、碎塊狀構(gòu)造。本段位于玄武巖潛水賦存帶外圍，隧道開挖可能產(chǎn)生滲水，圍巖等級為Ⅳ級。圍巖自穩(wěn)能力差。其風(fēng)險(xiǎn)級別如圖3所示。

圖3 探測區(qū)段地質(zhì)縱斷面Fig.3 Geological Longitudinal Section of the Detection Section

3 高密度電阻率法探測成果分析

3.1 電法探測

覆蓋層電阻率一般比較低，通常小于400 Ω·m，但是淺部松散層電阻率較高，甚至可高達(dá)1 000 Ω·m以上。完整的灰?guī)r電阻率較高，通常大于2 000 Ω·m，巖體越完整，電阻率越高。在巖體風(fēng)化破碎強(qiáng)烈，或者巖溶強(qiáng)烈發(fā)育、含水、黏土填充的情況下，電阻率會明顯降低，最低可達(dá)200 Ω·m以下。

測區(qū)內(nèi)粉質(zhì)黏土與灰?guī)r之間電阻率相差較大，如表2所示。在灰?guī)r巖體內(nèi)，隨著巖石裂隙的發(fā)育程度、破碎程度、充填物含量情況等電阻率都將有不同程度的反應(yīng)。這種物性差異為利用電阻率法對測區(qū)覆蓋層、巖體破碎程度、巖體裂隙發(fā)育程度及巖溶發(fā)育情況進(jìn)行勘察提供了條件。

從表1可以看出，課程安排共分為學(xué)位課、必修課、選修課、實(shí)踐課以及補(bǔ)修課5大模塊，學(xué)位課又分為公共課（4門課程）和專業(yè)基礎(chǔ)課（9門課程），大類別選修課中共有10門課程供學(xué)生選擇，其他均為2門課程。此外，在學(xué)分上要求學(xué)生總學(xué)分不少于35學(xué)分，其中學(xué)位課不少于21學(xué)分，實(shí)踐課不少于4學(xué)分。

表2 隧道出口區(qū)電性參數(shù)Tab.2 Electrical Parameters of Tunnel Exit Area

分別在隧道左幅軸線上ZK93+390～ZK93+985 位置布置一條測線，測線編號為DF1?DF1′；在隧道右幅軸線上YK93+400～YK93+995 位置布置另外一條測線，編號為DF2?DF2′。工作參數(shù)布置如表3所示。

表3 高密度電法工作參數(shù)Tab.3 Working Parameters of High-density Electrical Method

測線DF1?DF1′：由圖4?可知，測線斷面整體豎向溶蝕裂隙發(fā)育，表層低阻為覆蓋層，ZK93+640～ZK93+740段溶槽發(fā)育。由圖5?分析，測線斷面表層低阻為覆蓋層，溝谷處ZK93+640～ZK93+700 段地表標(biāo)高約1 936 m 至底板標(biāo)高約1 906 m 處為低阻異常區(qū)，推測為溶槽發(fā)育區(qū)，覆蓋層平均厚度約30 m。ZK93+700～ZK93+740 段地表（標(biāo)高約1 936 m）至底板（標(biāo)高約1 870 m）有一豎向低阻異常區(qū)，推測該段覆蓋層厚，豎向巖溶發(fā)育。ZK93+790～ZK93+820段表層高低阻區(qū)為地表巖溶發(fā)育區(qū)，底部較低阻區(qū)頂板標(biāo)高約1 902 m 至底板標(biāo)高約1 882 m 處，推測溶蝕、節(jié)理裂隙密集發(fā)育或溶洞發(fā)育。

圖4 隧道左幅及右幅軸線出口段視電阻率擬斷面Fig.4 Pseudo-sectional View of Apparent Resistivity at the Exit Section of the Left and the Right Axis of the Tunnel

圖5 高密度電法反演及地質(zhì)解譯Fig.5 High-density Electrical Inversion and Geological Interpretation

測線DF2?DF2′：由圖4?及圖5?分析可知，溝谷處YK93+650～YK93+750段地表標(biāo)高約1 940 m至底板標(biāo)高約1 900 m處為低阻異常區(qū)，推測為溶槽發(fā)育區(qū)，覆蓋層平均厚度約40 m，該段往下延伸推測巖體風(fēng)化嚴(yán)重，可能存在巖溶發(fā)展趨勢。YK93+765～YK93+795段，頂板高程1 929 m，高約15 m的低阻異常區(qū)推測為巖溶發(fā)育區(qū)。YK93+765～YK93+795段，頂板高程1 929 m，高約15 m的低阻異常區(qū)推測為巖溶發(fā)育區(qū)，粘土充填。YK93+830～YK93+855 段，頂板高程約1 948 m，高約17 m的低阻異常區(qū)推測為巖溶發(fā)育區(qū)，粘土充填。

3.2 探測成果驗(yàn)證

根據(jù)上述高密度電法探測成果，左幅施工至K93+480，右幅施工至K93+500時(shí)，上調(diào)施工風(fēng)險(xiǎn)等級為較高～高，分別采用地質(zhì)雷達(dá)法、超前水平鉆探等進(jìn)行綜合驗(yàn)證，根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測驗(yàn)證結(jié)果，如圖6 所示，左幅在K93+500～K93+520處掌子面中部及右側(cè)串珠狀巖溶發(fā)育，根據(jù)實(shí)際揭露，K93+500 處溶蝕裂隙發(fā)育，泥質(zhì)充填，施工至K93+512，揭露巖溶充填溶腔，右幅K93+498～K93+528 區(qū)段存在3 處巖溶發(fā)育區(qū)，主要集中在中部及左側(cè)，在施工至K93+509 開挖面揭露充填巖溶溶腔，掌子面裂隙間泥質(zhì)充填，自穩(wěn)能力差，原設(shè)計(jì)調(diào)整為V級，并加密進(jìn)行監(jiān)控量測。

圖6 左幅地質(zhì)雷達(dá)解譯及揭露巖溶Fig.6 The Ground-based Radar Interpretation and Exposed Karst

根據(jù)超前水平鉆探結(jié)果，隧道左幅施工至K93+716，右幅施工至K93+698時(shí)，鉆進(jìn)速度加快，出現(xiàn)抱桿、無返水情況，推測為進(jìn)入充填巖溶溶腔，發(fā)布高風(fēng)險(xiǎn)安全預(yù)警。

4 結(jié)論

⑴高密度電阻率法具有成本低、效率高的特點(diǎn)，其對于含水介質(zhì)的判定效果較好，在一定程度上查明了隧道頂板上部巖溶的發(fā)育位置、規(guī)模、充填特征，較為準(zhǔn)確的修正了隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級。

⑵在高密度電法豎向探測的基礎(chǔ)上，采用地質(zhì)雷達(dá)和超前水平鉆探，進(jìn)一步查明了巖溶發(fā)育的具體位置，結(jié)合高密度電法地質(zhì)解譯，明確施工風(fēng)險(xiǎn)，為施工安全提供良好的安全儲備。

⑶高密度電法探測在垂直方向上呈線狀分布，采用地質(zhì)雷達(dá)僅能對開挖面范圍前方進(jìn)行探測，由于巖溶發(fā)育的復(fù)雜性，在隧道穿越巖溶區(qū)，仍需注重超前水平鉆探在巖溶范圍探測中的應(yīng)用，在隧道開挖面兩側(cè)及底板范圍內(nèi)，應(yīng)合理布置一定角度的超前水平鉆探，確保超前水平鉆探能夠查明巖溶發(fā)育的邊界范圍，為巖溶處置設(shè)計(jì)提供地質(zhì)參考。