周文龍，席超強，胡澤安，郭立全

(安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001)

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利用并行電阻率法探測隧道施工地質條件

周文龍，席超強，胡澤安，郭立全

(安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001)

近年來，隧道建設數(shù)量與規(guī)模不斷加大。隧道掘進所面臨地質條件的復雜化，極大地增加了現(xiàn)場施工的難度和危險性。其中，掘進前方地層的巖溶構造問題是嚴重影響工程安全的主要難題之一。利用陣列式并行電法測試技術，結合隧道地質條件，開展隧道前方地質條件的超前探測與研究。結果表明，測試方法能夠有效圈定巖溶發(fā)育區(qū)、確定巖層富水情況，實現(xiàn)對溶洞、塌方等異常區(qū)域的快速定位與判斷。技術研究為隧道巖溶地質條件安全施工提供一種新的技術保障，其對隧道工程建設有著重要的應用價值。

隧道溶洞；并行電阻率法；數(shù)據(jù)處理；應用分析

1 引 言

巖溶發(fā)育是隧道開挖工程中經常遇到的地質災害條件，溶洞的出現(xiàn)往往會影響到隧道正常的開挖進程，嚴重威脅施工安全，甚至會造成隧道的冒頂和塌方。行業(yè)規(guī)范中也要求必須對隧道進行超前探測，因此開展對隧道開挖前方的地質條件探測顯得尤為重要。電法勘探是對地下空洞及其富水條件探測的一種比較適用的方法技術。它是基于地殼中巖層、巖石、礦石的電阻率等電化學性質具有差異性的特點，利用巖土層介質對人工電場的不同響應特征來確定和分析地質異常體，解決地質問題的勘探方法。

電法勘探是技術發(fā)展較為成熟的一種勘探方法，特別是計算機技術的引入對電法勘探的發(fā)展提供了強大的推動力，也使電法勘探的技術有不斷的突破。例如，日本OYO公司開發(fā)出的新的電法CT儀在增強透視能力同時，提高了電阻率的分辨率，能夠更好地消除誤差。美國GSSI公司開發(fā)出的電法測量系統(tǒng)的儀器可以提高電法數(shù)據(jù)采集的效率和質量，對實現(xiàn)電法采集系統(tǒng)的多功能性具有重要作用[1-3]。Ellis等在1994年對三維反演進行了系統(tǒng)的論述[4-6]，吳榮新等利用三維反演技術在煤層礦井水害防治方面取得了重大突破[6]。隨著地球物理學的發(fā)展，電法實現(xiàn)了從二維到三維反演的發(fā)展，電法反演的方法實現(xiàn)了線性反演到非線性反演的發(fā)展，使數(shù)據(jù)空間到模型空間的映射得以實現(xiàn)，數(shù)據(jù)反演質量得到進一步地提高。在正演方面由于數(shù)值分析方法的引入，大大提高了正演模擬的精度和速度。近年來并行電法在工程上得到了廣泛的應用，在路基檢測、壩基穩(wěn)定性檢測方面取得了良好的效果。論文通過分析高精度地電斷面的電性分布特征，解決實際的隧道開挖工程問題，結合隧道施工地質條件進行說明與分析，為同類型地質條件評價提供參考。

2 隧道探查地質條件

探查研究區(qū)為九景衢鐵路的一部分，其在浙江省境內長83.88 km，從浙贛鐵路電氣化改造衢州取直工程中的衢州新站引出，途經3個縣(區(qū))的9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，在常山縣境內長度占全長三分之二。因隧道工程條件穿過地層多，條件復雜，現(xiàn)場采用鉆探及工程物探等方式進行勘探，重點對箬嶺等隧道施工的溶洞區(qū)域進行探查，為后續(xù)隧道施工工作提供依據(jù)。

勘察資料揭示，表層土層主要為第四系殘坡積層，粉質黏土，棕黃色，褐色硬塑，局部夾碎石，厚1～10 m。出露的巖石主要為黃色的鈣質泥巖，灰色泥質灰?guī)r與深灰-灰黑色小瘤狀灰?guī)r互層。受構造運動影響巖層產狀為70°～145°，∠50～80°。

隧道在區(qū)域上處于衢門山—上山頭斷層帶上，屬衢縣帚狀構造。與隧道有關的斷層主要有F1、F2、F3斷層，其中F1斷層兩盤地層為壓扭壯斷層；F2斷層上盤為含炭硅質頁巖，下盤為灰?guī)r，并且為巖層接觸帶；F3斷層為巖層接觸帶，在地貌上表現(xiàn)為狹長的沖溝。另外還存在一些地質問題，包括表層滑坡，巖溶等。隧道的下部為碎屑巖，里面含有大量的裂隙水，正常涌水量為224 m3/d，最大涌水量為336 m3/d。

圖1為測區(qū)剖面，巖層物性差異明顯，為探查提供基礎。

3 施工探查與分析

現(xiàn)場采用電阻率方法進行探查，通過現(xiàn)場布置、數(shù)據(jù)采集等環(huán)節(jié)，完成現(xiàn)場工作任務。

3.1 并行電阻率法測試技術

并行電法是建立在高密度電法勘探設備的基礎上的一種陣列式勘探方法，是多種排列的常規(guī)電阻率法與資料自動反演處理相結合的綜合方法[7-9]。并行電法是直流電法的新發(fā)展，是利用AM和ABM兩種不同的供電方式來進行數(shù)據(jù)的采集和處理。其數(shù)據(jù)采集方式是一種擬地震的采集方式，是通過每一個電極都配備 A/D 轉換器，使每個電極相當于智能電極[10,11]。網絡并行電法勘探是將網絡系統(tǒng)與智能電極結合，采用類似地震勘探的采集方式，不僅能完成各種傳統(tǒng)的電法測量方法，而且能極大地提高野外勘探的效率與采集海量數(shù)據(jù)，從而大大降低了電法數(shù)據(jù)的采集成本。其中并行電法數(shù)據(jù)的特點，既可以進行常規(guī)方式處理，又可進行全場計算，因此其數(shù)據(jù)處理中結合觀測系統(tǒng)和觀測方法，以及探測區(qū)域地質資料，可獲得較為理想的探查結果。

圖1 測區(qū)地層剖面Fig.1 Stratigraphic section part of the surveyed area

3.2 電法數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場測試時采用了溫納三極裝置，分別布設了L1、L2、L3三條測線。L1、L2為北東60度方向。L3與L1、L2垂直。其中L1、L2測線長度240 m，電極距4 m，電極數(shù)61個。L1、L2垂直于隧道開挖方向，L3則與隧道開挖的方向平行。L1、L2平行距離為20 m。L3測線長度為120 m，電極距4 m，電極數(shù)31個。1號電極為起始電極，其他電極沿測線順序布設?，F(xiàn)場布置如圖2所示。數(shù)據(jù)采集采用溫納三極裝置進行實施，所獲得的數(shù)據(jù)質量良好。

3.3 結果分析

利用AGI數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對勘探區(qū)三維數(shù)據(jù)進行反演，獲得隧道開挖前方巖土介質電阻率三維電性空間分布結果，進一步提取不同測線電阻率剖面進行精細解釋，圖3為不同測線視電阻率剖面結果。從中可以看出，地下巖層電性分布具有差異性，這為異常范圍判斷提供基礎。

圖2 現(xiàn)場布置圖Fig.2 Site layout

圖3 測試視電阻率剖面特征Fig.3 Resistivity profile of L1、L2、L3

結合隧道施工地質條件，本區(qū)下覆灰?guī)r地層，受地表水和地下水溶蝕作用巖層中巖溶較為發(fā)育。其無水空洞表現(xiàn)為高電阻率，而含水區(qū)域則變現(xiàn)為低阻異常，據(jù)此進行探查區(qū)的精細解釋。圖4為依據(jù)測試剖面獲得的高程155 m視電阻率值平面分布特征圖，其中高阻區(qū)域的視電阻率值達到1 500～1 800 Ω·m，判斷為巖溶發(fā)育區(qū)域，其分布特征中長度20 m，寬20 m，深度在25 m左右；另在探查線方向存在一相對高阻異常區(qū)，其視電阻率值在1 000～1 400 Ω·m，分析為斷層的存在而引起的異常。地質調查結果表明，在電法探測測線位置地面有坍塌，這進一步證明其地下巖溶溶洞存在的可能性，另對低阻區(qū)域通過鉆探驗證表現(xiàn)為巖層裂隙富水。

圖4 視電阻率切片F(xiàn)ig.4 Resistivity slices

4 結 論

1)并行電法地面野外施工有利于對地下地電斷面進行分辨，所獲得的結果較為可靠，可進行淺層地質條件綜合探查方法與應用。特別是在探測巖溶和水的分布方面具有較好的效果。

2)通過對本次隧道開挖前方地質條件的探測，探查出箬嶺隧道在隧道開挖線路上有巖溶發(fā)育，并形成空洞。探測出巖溶發(fā)育的位于隧道開挖的線路上，長20 m，寬20 m，埋深在25 m左右。隧道開挖下方為松散碎屑巖并且含有大量的裂隙水，深度大約在25 m。

3)并行電法可以探測出巖溶發(fā)育的空間位置和范圍，但是難以準確地確定巖溶內部發(fā)育的具體情況。由于測線的布設長度有限，所以并行電法在縱向電阻率探測方面有一定的局限性。

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The Application of Parallel Resistivity Method to Geological Conditions Detection of Tunnel Construction

Zhou Wenlong,Xi Chaoqiang,Hu Zean,Guo Liquan

(SchoolofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,HuainanAnhui232001,China)

In recent years, the amount and scale of tunnel constructions continue to increase. Tunneling faced complicated geological conditions greatly increases the difficulty and danger of the construction site. The karst structure problem of the front of the tunneling is one of the main problems that affect the safety of the project. In this paper, combined with the geological conditions of tunnel, the method of array parallel electrical test method is used to carry out the advanced detection and study of the geological conditions ahead of the tunnel. The results show that the test method can effectively delineate karst area, determine the water-rich rock formation, and fast position and judge the abnormal area caves, landslides and other anomalies. Technology research provides a new technical support for the safety construction of tunnel karst geological conditions, which has important application value for the construction of tunnel engineering.

tunnel cave; parallel resistivity method; data processing; application analysis

1672—7940(2016)02—0166—04

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.02.005

國家自然科學基金項目(編號：41172137)

周文龍(1991-)，男，主要從事工程與環(huán)境勘探方面的研究。E-mail：553072468@qq.com

P631.3

A

2015-12-12