李代軍

摘 要:以廣樂(lè)高速公路長(zhǎng)基嶺隧道為例,應(yīng)用高密度直流電法,對(duì)掌子面前方40m內(nèi)圍巖的軟硬及破碎程度進(jìn)行了超前預(yù)報(bào),并探明了該部位地下水的發(fā)育情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn),ZK90+990～ZK90+993,ZK91+005～010段內(nèi)的視電阻率相關(guān)比值普遍比ZK90+975～ZK91+015段內(nèi)的要小,這兩個(gè)預(yù)測(cè)段的均為低電阻異常區(qū)(藍(lán)色),推測(cè)平均視電阻率相關(guān)比值較低的預(yù)測(cè)段ZK90+975～ZK91+015內(nèi)的低電阻異常區(qū)可能為地下水發(fā)育。最后經(jīng)開(kāi)挖比較,證實(shí)了這一結(jié)果。

關(guān)鍵詞:超前地質(zhì)預(yù)報(bào)高密度直流電法視電阻率長(zhǎng)基嶺隧道

中圖分類(lèi)號(hào):U456 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)06(b)-0113-03

20世紀(jì)80年代后期,我國(guó)原地質(zhì)礦產(chǎn)部系統(tǒng)率先開(kāi)展了高密度電阻率法及其應(yīng)用技術(shù)研究,從理論與實(shí)際結(jié)合的角度,進(jìn)一步探討并完善了方法理論及有關(guān)技術(shù)問(wèn)題。近30年來(lái),該方法先后在重大場(chǎng)地的工程地質(zhì)調(diào)查、壩基及橋墩選址、采空區(qū)及地裂縫探測(cè)以及煤礦及隧道掘進(jìn)面前方含水構(gòu)造的預(yù)報(bào)等眾多工程勘察領(lǐng)域應(yīng)用,取得了明顯的地質(zhì)效果和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。尤其在當(dāng)前時(shí)代,隨著我國(guó)隧道建設(shè)的大力發(fā)展,各類(lèi)的地質(zhì)災(zāi)害在施工中造成的安全事故等困難也擺在我們面前。若能對(duì)隧道掌子面前方的地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件,如掘進(jìn)前方是否有巖溶,斷層破碎帶,富水區(qū)域等不良構(gòu)造進(jìn)行預(yù)測(cè),且根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果合理地安排掘進(jìn)進(jìn)度和修正施工方案,采取必要的防范措施,則可避免險(xiǎn)情發(fā)生。目前,關(guān)于高密度直流電法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在隧道建設(shè)中的應(yīng)用已有相應(yīng)的研究[1～4]。本文將以廣樂(lè)高速公路長(zhǎng)基嶺隧道為工程實(shí)例,應(yīng)用高密度直流電法,對(duì)掌子面前方一定范圍內(nèi)進(jìn)行超前預(yù)報(bào),其預(yù)測(cè)結(jié)果和真實(shí)水文地質(zhì)條件基本一致,且更適用于對(duì)含水構(gòu)造的超前預(yù)報(bào)。

1 高密度直流電法的原理及測(cè)線(xiàn)布置

1.1 高密度電法的原理

高密度電阻率法是以地下介質(zhì)導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ),通過(guò)觀測(cè)和研究與這些差異有關(guān)人工電場(chǎng)的分布規(guī)律,可達(dá)到查明地下地質(zhì)構(gòu)造和尋找地下電性不均勻體(巖溶、風(fēng)化層、滑坡體等)的一種地球物理勘探方法。高密度電法的勘探原理,與一般電法勘探原理相同。設(shè)地表水平,地下充滿(mǎn)均勻各向同性半無(wú)限介質(zhì),在地面上任意兩點(diǎn)用供電電極A,B供電,另外兩點(diǎn)用測(cè)量電M,N測(cè)量電位差。A,B電極在M點(diǎn)產(chǎn)生的電位為

同理可得到他們?cè)贜點(diǎn)產(chǎn)生的電位

于是M,N兩點(diǎn)間的電位差為

由此可得到均勻大地電阻率的計(jì)算公式

設(shè)地面水平,當(dāng)M,N電極間的距離MN很小時(shí),其間的電場(chǎng)強(qiáng)度可認(rèn)為是均勻的,因此有

式中ｊ,MN,MNρ分別為M,N電極間任意點(diǎn)的電流密度和介質(zhì)的電阻率。從而可以得到

由于假設(shè)介質(zhì)是均勻的,故可得

式中ρ0只決定于裝置的類(lèi)型和大小,對(duì)于確定的裝置,可以認(rèn)為它是已知的。 本文主要用三極法進(jìn)行勘察預(yù)報(bào),該方法屬于全空間電法勘探,供電電極A相對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)電極B可以看作為點(diǎn)電源,均勻介質(zhì)中它所形成的電場(chǎng)可近似看作一個(gè)球體,如圖1所示。根據(jù)電場(chǎng)球殼原理,任意等半徑球面上的電位是相等的,兩個(gè)等位面上的點(diǎn)M、N之間形成電位差ΔUMN,利用發(fā)射電流可計(jì)算出MN球環(huán)上的視電阻率。通過(guò)在巷道迎頭后方布置電極,從而可探測(cè)出迎頭前方的異常情況,其工作原理如圖2所示。為了能夠正確預(yù)報(bào)掌子面前方地質(zhì)構(gòu)造,采用三個(gè)供電電極交替供電分別測(cè)量的方式,利用幾何交匯的原理(如圖3所示),從而只探測(cè)掌子面前方的潛在危險(xiǎn)部位,此即三級(jí)法超前探測(cè)。

1.2 測(cè)線(xiàn)布置

長(zhǎng)基嶺隧道進(jìn)口左線(xiàn)供電點(diǎn)A1布置在距掌子面14m處,A2和A3電極布置在A1電極后,各供電電極間距為4m,電極布置如圖3。測(cè)量電極MN向掌子面后方移動(dòng),每次移動(dòng)間距為4m。MN間的距離為4m。通過(guò)移動(dòng)測(cè)量電極MN,采集隧道周?chē)鷰r石的視電阻率值,即可得到掌子面前方視電阻率相關(guān)比值等值線(xiàn)圖。

2 長(zhǎng)基嶺隧道地質(zhì)條件概況[6]

隧道區(qū)位于粵北凹褶束-韶關(guān)凹褶中的天門(mén)坳隆起區(qū),地層復(fù)雜,斷裂發(fā)育。地質(zhì)調(diào)繪顯示,該隧道共發(fā)育和穿過(guò)13條斷層,其走向?yàn)楸北睎|向和北東向,南北向。另外,隧道隨處地層巖性復(fù)雜,構(gòu)造復(fù)雜,巖溶發(fā)育,斷層發(fā)育,地質(zhì)條件極其復(fù)雜。

本次探測(cè)段所處的地層屬于區(qū)域強(qiáng)巖溶段,小管道狀巖溶泉,垂向分帶為季節(jié)性變化帶巖溶水,橫向分帶為補(bǔ)給徑流區(qū),在ZK91+100處見(jiàn)一處季節(jié)性巖溶泉,出露高程為301m處的洼地中,雨季流量5～20L/S,旱季斷流,長(zhǎng)年不干。該里程段物探勘測(cè)為3條斷層,且三條斷層均與隧道相交,切過(guò)溝系,極可能成為導(dǎo)水通道。另CSA7ZK5鉆孔穩(wěn)定水位位于高程313.71m、CSA7ZK4鉆孔位于孔深99.6m處涌水,即標(biāo)高為206m,說(shuō)明在此高程處存在巖溶通道壓力水,水一直上升至孔口溢出,因此,隧道開(kāi)挖至該斷層處時(shí),將出現(xiàn)滲水或突水的可能性極大。

３ 探測(cè)結(jié)果及分析

３.1 高密度直流電法探測(cè)結(jié)果及分析

通過(guò)洞內(nèi)儀器探測(cè),數(shù)據(jù)傳輸,解譯,整理成圖,ZK90+975～ZK91+015段的探測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。

從上面的探測(cè)結(jié)果中可以看到,此次三級(jí)法超前探測(cè)反映掌子面前方距離為0～40m,視電阻率相關(guān)比值在低區(qū)域反映為藍(lán)色,在高阻區(qū)域反映為紅色,過(guò)渡顏色為黃色。

ZK90+975～ZK91+015段探測(cè)結(jié)果:對(duì)于圖4(ZK90+975～ZK91+015段),視電阻率相關(guān)比值變化范圍在60～150之間,在掌子面前方約15m附近(YK90+990,影響范圍4m),存在一個(gè)低電阻率異常區(qū),其視電阻率比值較小,大約為60～70,低于正常圍巖(式電阻率比值約為100)較大,因此推測(cè)其可能含較多的基巖裂隙水或巖溶水,此時(shí)應(yīng)采用加長(zhǎng)炮眼或超前鉆探進(jìn)一步探明該部位的含水情況,再進(jìn)行開(kāi)挖;且在掌子面前方約30m附近(YK91+005,影響范圍5m)該低電阻率異常區(qū)的視電阻率也較小(約為60～75),推測(cè)該處圍巖可能含巖層裂隙水或巖溶裂隙水。

所以預(yù)報(bào)結(jié)論為:該區(qū)段的大部分地段視電阻均較高,但在里程ZK90+990～994處視電阻相對(duì)較低(60-80),影響寬度4m,推測(cè)在該處圍巖可能含較多基巖裂隙水或巖溶水,施工時(shí)需特別注意,建議在施工臨近該處時(shí)采用加長(zhǎng)炮眼或超前鉆探進(jìn)行超前探測(cè),及時(shí)跟進(jìn)加強(qiáng)支護(hù)和做好防排水措施。在ZK91+005-010處視電阻相關(guān)比值較低(約為60-80),影響寬度5m。推測(cè)該處圍巖可能含巖層裂隙或巖溶裂隙水,建議采用加長(zhǎng)炮眼或超前鉆探進(jìn)行超前探測(cè),及時(shí)跟進(jìn)加強(qiáng)支護(hù)和做好防排水措施。

３.2 TSP地震波法對(duì)ZK90+975～ZK91+015段探測(cè)結(jié)果

在里程ZK90+984～ZK91+028長(zhǎng)度44m,預(yù)報(bào)結(jié)論為圍巖為灰黑色中風(fēng)化灰?guī)r,隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),中厚層狀構(gòu)造,受構(gòu)造影響嚴(yán)重,局部地段裂隙較發(fā)育,巖體破碎.在987-993,007-018段,橫波反射強(qiáng)烈,推測(cè)其為發(fā)育巖溶裂隙帶,規(guī)模有限,含一定量的地下水。

３.3 該段的超前鉆探揭露圍巖情況

在里程ZK90+983～ZK91+013段實(shí)施超前鉆探,鉆探圍巖情況詳見(jiàn)表1。

4 結(jié)論

(1)應(yīng)用高密度直流電法對(duì)長(zhǎng)基嶺隧道ZK90+975～ZK91+015段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)(主要為含水構(gòu)造),預(yù)報(bào)結(jié)果與真實(shí)情況基本一致,從而可對(duì)潛在的危險(xiǎn)部位采取必要的防范措施(短掘進(jìn),弱爆破,及時(shí)支護(hù)以及防排水等),提高工程的安全性。

(2)高密度直流電法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法簡(jiǎn)單,操作方便,對(duì)施工影響小,對(duì)水反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn),但其預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率受外界環(huán)境較大,如受附近的用電機(jī)械的電場(chǎng)、地面連續(xù)低阻體、及隧道路面虛渣等因素影響較大。在運(yùn)用高密度直流電法時(shí),應(yīng)合理采用測(cè)量電極極距,在精度與準(zhǔn)度上合理把握(測(cè)量電極極距越小精度越高,但準(zhǔn)確率降低),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在同時(shí)保證精度與準(zhǔn)度的情況下,測(cè)量電極極距為4m時(shí)比較合適。

(3)在地質(zhì)條件復(fù)雜的隧道中,應(yīng)綜合運(yùn)用多種預(yù)報(bào)方法,運(yùn)用TSP地震波法對(duì)隧道進(jìn)行長(zhǎng)距離預(yù)報(bào),在其預(yù)報(bào)的可疑段進(jìn)行高密度直流電法預(yù)報(bào),取長(zhǎng)補(bǔ)短,并結(jié)合地勘資料以及多年積累的經(jīng)驗(yàn)綜合分析,才可以取得較好的地質(zhì)預(yù)報(bào)效果。但是由于物探方法的間接性,應(yīng)對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)論中的富水破碎區(qū)實(shí)施超前鉆探,進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證,以確保施工開(kāi)挖安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 李乃旺,李曉昭,徐鳴潔,梁清雨,鐘凱.高密度電法在老山隧道勘察中的應(yīng)用.地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)[J],2007,29(4):412～415.

[2] 余左清,廖聲林.高密度電法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用.山西建筑[J], 2010,36(20):343～345.

[3] 黎漢林.高密度電法在巖土工程勘察中的應(yīng)用.技術(shù)與市場(chǎng)[J],2011,18(3):343～345.

[4] 段來(lái)成.高密度電探法在隧道勘察中的應(yīng)用.東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) [J],2008,31(3):55～58.

[5] YDZ(A)直流電法儀使用說(shuō)明書(shū)[R].煤炭科學(xué)研究總院西安研究院,2007,10,3.

[6] 樂(lè)昌至廣州高速公路坪石至樟市段第T10.D1冊(cè)[R].中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,2011(1).