王紅英 崔蓬勃

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院能源與交通工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

1 工程概況

21世紀(jì)以來，隨著我國西部大開發(fā)的快速推進(jìn)，許多西部地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施和能源電站建設(shè)迅速崛起。但西部地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，給工程順利施工帶來了較大的難度，甚至引發(fā)了一系列工程事故[1,2]。為避免開挖施工過程中因地質(zhì)缺陷引起的塌方和透水事故，公路隧道設(shè)計規(guī)范明確規(guī)定：工程地質(zhì)施工過程中遇到不良地質(zhì)應(yīng)堅持“預(yù)測預(yù)報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則，采取“防、堵、疏、排、截”的綜合治理措施[3]。其中“先探后掘”中的探即巷道掘進(jìn)過程中在迎頭利用直接或間接的方法向前一定范圍內(nèi)進(jìn)行超前探測，查明前方及其采動影響范圍內(nèi)是否存在賦含水地質(zhì)構(gòu)造、導(dǎo)含水通道、巖溶空洞等，為工程順利安全施工提供依據(jù)。

國內(nèi)外工程師和學(xué)者采取了一系列方法對隧道前方圍巖的不良地質(zhì)進(jìn)行探測，第一種是地球物理探測方法：主要是采用地震波[4]、電磁波[5,6]、電法等[7-11]方法對掌子面前方圍巖的斷層和富水性進(jìn)行探測，如TSP、地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁等。第二種是采用鉆孔方法進(jìn)行勘探，但該方法僅對鉆孔范圍有效，尤其是開挖斷面較大時無法綜合判斷掌子面前方圍巖的實際情況，且費時費力效率較低。為滿足工程快速施工的要求，一般多采用地球物理勘探的方法進(jìn)行預(yù)探測，對于存在潛在不良地質(zhì)缺陷的圍巖采用多種方法進(jìn)行綜合探測以確定其不良地質(zhì)類型[11]。對于富水隧洞而言，瞬變電磁法具有較好的分辨率和靈敏度[12,13]，在許多工程中均取得良好的探測效果。

新疆克州蓋孜水電站是克州蓋孜河中游河段梯級水電開發(fā)項目的第二梯級水電站，其發(fā)電引水隧洞施工至K0+520里程時，底板出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，大大增加了施工難度，且隨著掌子面推進(jìn)出水點從底板逐漸升至拱頂位置，在一年左右的泄水期內(nèi)，隧洞涌水量并無明顯減小，涌水量達(dá)1 300 m3/h(掌子面地質(zhì)及涌水情況如圖1所示)。為此，針對該隧洞K0+520里程前方圍巖涌水通道及富水情況進(jìn)行超前探測。

2 探測原理和方法

瞬變電磁法(TEM)是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。簡單地說，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應(yīng)定律。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小；而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。由于瞬變電磁法對低阻體反應(yīng)敏感，其主要用于探查礦產(chǎn)賦存情況、富水巖溶洞穴與通道、富水采空區(qū)及深部不規(guī)則水體等低阻區(qū)發(fā)育情況。

瞬變電磁法優(yōu)點如下：1)斷電后觀測純二次場，可進(jìn)行近區(qū)觀測，減少旁側(cè)影響，增強(qiáng)電性分辨能力；2)可用加大功率的方法增強(qiáng)二次場信號，提高信噪比從而增加勘探深度；3)穿透高阻層能力強(qiáng)；4)由于采用人工源方法，隨機(jī)干擾影響??；5)采用重疊回線裝置工作，可以避免地形影響；6)線圈形狀方位要求相對不嚴(yán)格，測地工作簡單，工效高；7)由于測磁場，受靜態(tài)位移的影響小；8)通過多次脈沖激發(fā)，場的重復(fù)觀測疊加和空間域多次覆蓋技術(shù)的應(yīng)用，可以提高信噪比和觀測精度。

瞬變電磁探測在隧洞掘進(jìn)工作面進(jìn)行，掌子面前方180°平面內(nèi)進(jìn)行探測。由于本次探測隧洞圍巖充水較多，為保證測試數(shù)據(jù)的有效性，需有一定的防水空間，避免大量淋水致使的線圈短路問題。另外由于接收線圈在早期信號中受到自感效應(yīng)的影響，存在一定的探測盲區(qū)，一般為10 m～50 m距離(隨巖層電阻率及現(xiàn)場條件變化)，但可以通過前后兩次探測范圍疊加避免。

3 探測分析

3.1 測線布置

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件和開挖施工技術(shù)要求，需要了解掌子面前方涌水通道所處的方位，尤其是需探明涌水通道是否會從拱頂轉(zhuǎn)移至隧底，以做好超前注漿止水和隧洞結(jié)構(gòu)形式調(diào)整的前提必要。鑒于此，在K0+520里程隧洞掌子面布置三條順?biāo)沧冸姶艤y線，分別探測底板、頂板和順層方向巖體富水情況，測線布置如圖2所示，借此來探測富水點在掌子面前方的方位，從而推斷涌水通道的走向和大致位置。

3.2 探測結(jié)果

圖3為K0+520掌子面沿底板、順層和頂板三個方向探測的視電阻率等值線圖。對三個方向的視電阻率等值線圖進(jìn)行整體分析可知：

1)在隧洞掌子面左前方探測范圍內(nèi)視電阻率等值線變化相對較為均勻，無明顯低阻擾動異常，且左側(cè)視電阻率值相對較高，表明隧洞掌子面左前方頂?shù)装?、順層方向地層連續(xù)性較好，無明顯富含水地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)存在。

2)在巷道迎頭右前方對應(yīng)的視電阻率值整體相對偏小，且掌子面前方偏右方向頂板、順層和底板三個方向視電阻率均相對低阻異常(正前方45 m～70 m、右側(cè)5 m～25 m)，呈閉口狀極小值，該異常區(qū)在三個探測方向?qū)?yīng)的等值線圖中均有明顯反映。根據(jù)現(xiàn)場施工記錄情況，推斷對應(yīng)范圍內(nèi)裂隙較為發(fā)育，且被低阻介質(zhì)充填、富水可能性大。

3)隧洞掌子面前方40 m～70 m、中心偏左25 m～50 m范圍亦呈現(xiàn)閉口低阻異常區(qū)2，但視電阻率較異常區(qū)1高，富水可能性較異常區(qū)1差，根據(jù)底板及順層發(fā)育位置判斷呈現(xiàn)遠(yuǎn)離隧洞趨勢。

4)從掌子面頂板、順層和底板右側(cè)圍巖的視電阻率反映來看，從頂板到底板圍巖視電阻率有減小的趨勢，分別為10 Ω·m,9 Ω·m和5 Ω·m，且低阻區(qū)極值點從拱頂?shù)剿淼自絹碓竭h(yuǎn)，極值點距測點分別為70 m,60 m和55 m，一定程度上表明涌水通道在掌子面前方從拱頂降至了隧底。

3.3 開挖驗證

探測結(jié)果表明，隧道掌子面前方圍巖富水可能性較大，在開挖過程中涌水量可能較大；但隨著掘進(jìn)的深入，在掌子面前方50 m～65 m左右位置，出水點會轉(zhuǎn)移至隧道底部；隨著隧道掌子面掘進(jìn)，出水點從拱頂轉(zhuǎn)移至隧底的可能性較大，出水點在掌子面中部靠右位置。

現(xiàn)場開挖情況表明，隨著掌子面開挖的推進(jìn)出水點從掌子面拱頂位置逐步向下轉(zhuǎn)移，整體涌水量略有增加，其涌水主要是從隧道底部向上涌水，出水點在隧道右側(cè)底部。

4 結(jié)語

通過現(xiàn)場探測可以看出，瞬變電磁探測法能夠?qū)φ谱用媲胺?0 m～80 m范圍地質(zhì)富水情況進(jìn)行較為詳細(xì)的探測，其探測深度較普通的電磁波法大，且現(xiàn)場探測過程相對簡單，不影響施工進(jìn)度，能夠適應(yīng)工程現(xiàn)場快速、便利探測要求，尤其是對于開挖斷面較小的地下硐室而言，其適用性更強(qiáng)，這是其他測試技術(shù)無法滿足的。該方法可對掌子面前方多角度、多方向圍巖富水情況進(jìn)行探測，且可通過算法改進(jìn)生成三維結(jié)果，便于掌握掌子面空間富水區(qū)域位置，對于有效探測隧道圍巖富水裂隙、巖溶和陷落柱等地質(zhì)災(zāi)害，為工程順利、安全施工提供技術(shù)保障，在重大地下工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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