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        電阻率成像法在地鐵隧道勘察中的應(yīng)用

        2022-08-10 02:22:46王小明
        科技視界 2022年16期
        關(guān)鍵詞:礦山圍巖

        王小明

        (蘇交科集團(tuán)檢測認(rèn)證有限公司,江蘇 南京 211112)

        0 引言

        如今,我國經(jīng)濟(jì)繁榮,生產(chǎn)力水平飛速提升,人民對于生活的要求也隨之提升,城市各方面的基礎(chǔ)建設(shè)成為涉及民生的重大問題。 我國人民對于出行方式的要求也與日俱增,地鐵作為一種新興的、便捷的、環(huán)保的出行交通工具,受到了大家的廣泛關(guān)注,大多數(shù)城市都在大力修建地鐵。 在所有的工程中,都不能盲目的開始施工,否則會埋下巨大的安全隱患,需要在對工區(qū)地質(zhì)背景以及潛藏的地質(zhì)災(zāi)害有充分了解的基礎(chǔ)之上才可以科學(xué)的施工,避開安全隱患,而物探手段就是最重要的超前探測方法,所以,工程未動,物探先行。 在地鐵隧道的開挖過程中,如果不進(jìn)行地質(zhì)異常預(yù)報(bào),通常會遇到巖溶、突水、交通沉降等問題,所以需要通過超前探避免災(zāi)害的發(fā)生。

        礦山法, 因模仿礦山中巷道的開挖方法而得名。在施工過程中,通常需要分部開挖,目的在于減少對圍巖的擾動,提高安全系數(shù),同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況以及安全需要修建襯砌。 如果地層比較松軟,一般會直接采用挖掘機(jī)進(jìn)行,同時(shí)設(shè)置支護(hù),最先開挖導(dǎo)坑,再繼續(xù)擴(kuò)大。 相反,在堅(jiān)硬的巖層中,可以將整個(gè)斷面同時(shí)開挖。

        電阻率成像法(ERT)通過供電電極向地下供電,接收電極測量電位差信息,基于地下不同介質(zhì)的電阻率差異來獲得地電場的分布,并且通過反演獲取地下的電阻率分布情況,有效的圈定異常體所在的位置以及異常體的產(chǎn)狀、規(guī)模等,是一種無損的物探方法,具有其他常規(guī)電法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。 電阻率成像法起源于1980 年,隨后,其被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,在找礦和地質(zhì)災(zāi)害檢測中發(fā)揮了巨大的作用。 但傳統(tǒng)電法相對來說布極較為復(fù)雜,跑極較為緩慢,數(shù)據(jù)采集較為模糊。 而ERT 實(shí)現(xiàn)了電極的一次布設(shè),能夠有效地進(jìn)行多種電極排列方式的掃描測量,高效海量數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行了簡化,一次布設(shè)電極便可以多次測量,對地質(zhì)異常體的解釋更加準(zhǔn)確。 它實(shí)將電測深法和電剖面法相結(jié)合, 可以進(jìn)行多裝置、多極距的測量。 此外,測量還可以進(jìn)行多次疊加,提高測量精度,也有探測測線外圍一定范圍的能力,探測深度較為可觀。 使得電阻率剖面圖更加接近實(shí)際情況,大大提高了視電阻率的時(shí)間和空間分辨率。

        在本文中, 筆者利用了電阻率層析成像技術(shù),觀察了某隧道開挖過程中地下溶洞的響應(yīng)特征,根據(jù)得出的結(jié)果,認(rèn)為電阻率層析成像技術(shù)是一種較為可靠與合理的探測地下巖溶的地球物理勘探技術(shù)。

        原理:

        電阻率成像法是直流電法的一種。 在均勻的各向同性介質(zhì)中,供電電極和接收電極位于地表時(shí),固定電流強(qiáng)度為I, 距離電源為R 的A 處的電勢為U,視電阻率ρ為:

        式中,K 為裝置系數(shù)。K 值越小,對觀測越有利,因?yàn)橄嗤碾娫措娏骺梢援a(chǎn)生較大的電位差△U。 在非均勻介質(zhì)中,電位U由泊松積分給出:

        式中,J 為電流密度;ρ 是介質(zhì)的真實(shí)電阻率;等式右邊的二項(xiàng)式分別對應(yīng)于一次場和二次場。 這個(gè)問題歸結(jié)為如何反演方程(2),也就是從U求ρ。

        1 工程案例

        1.1 工程概況與地質(zhì)條件

        礦山法隧道位于常府山,為連接明挖段(一)、明挖段(二)的暗挖隧道,里程為左CRDK-0+861.337~左CRDK-1+182.099 (左線指出場線)、 右CRDK-0+889.500~右CRDK-1+206.860(右線指入場線),長度為320m, 采用臺階法施工。 區(qū)間隧道凈距約1.7~9.2m。 線路縱斷面為單面坡,線路縱坡35%,隧道埋深為4.5~28m,隧道為馬蹄形結(jié)構(gòu),凈空尺寸為5.28m×4.6m,區(qū)間兩側(cè)設(shè)置停車線,其中牽1 線長134.931m,牽2 線長100.185m, 斷面形式及工法同出入場線,與出入場線凈距約1.7~11.8m, 于牽出線端部設(shè)置與出入場線的通風(fēng)道。

        礦山法隧道自上至下主要地層為雜填土、粉質(zhì)黏土、混卵礫石、砂巖等。 隧道穿越地層主要為砂巖,洞頂1 倍洞徑范圍內(nèi)地層主要為④-5e1 卵石混圓礫、K2p-2c 強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,局部為K2p-3c 中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。 穿越地層圍巖較軟,穩(wěn)定性差,隧道在開挖過程中,如對圍巖處理不當(dāng),圍巖極易變形,發(fā)生坍塌事故。 該區(qū)間頂板巖層厚度較薄且風(fēng)化程度較高,易出現(xiàn)冒頂事故。

        1.2 探測任務(wù)

        在地鐵等勘察設(shè)計(jì)階段,隧道勘察是重點(diǎn),物探作為一種經(jīng)濟(jì)快速的手段在隧道的勘察中具有重要作用。 隧道勘察利用物探方法可以查明第四系覆蓋層厚度、下伏基巖面埋深及起伏形態(tài)、構(gòu)造破碎帶或巖溶發(fā)育帶等不良地質(zhì)體的規(guī)模位置等,為隧道的合理安全設(shè)計(jì)提供必要的依據(jù)。

        基于此,本項(xiàng)目針對西善橋礦山法隧道開展了高密度電法探測,擬通過隧道軸線下方巖體電阻率的分布特征,分析判定該隧道圍巖的相關(guān)地質(zhì)條件。

        1.3 測線布置

        現(xiàn)場布置電法測線兩條, 單條測線內(nèi)電極間距5m,其中測線1(左線,即出場線)長度150m(控制里程段為左CRDK-1+045~左CRDK-1+176m), 測線2(右線,即入場線)長度250m(控制里程段為右CRDK-1+015~右CRDK-1+200m),共完成測線長度400m。測量采用對稱四級裝置。

        圖1 電阻率成像法結(jié)構(gòu)裝置圖

        圖2 AB 供電時(shí)電流場分布

        圖3 現(xiàn)場測線布置圖

        1.4 結(jié)果分析

        根據(jù)已有的背景資料,聯(lián)合探測區(qū)域內(nèi)已有的鉆孔地質(zhì)信息,可以與電阻率成像法的探測結(jié)果進(jìn)行對比分析解釋,確定探測區(qū)域內(nèi)的層位信息。 若存在橫向的低阻差異,則很有可能該區(qū)域存在巖溶或?yàn)楹暂^高。 淺部孤立的高阻異常通常為高阻孤立巖體影響所致, 低阻為淺部黏土層及探測前期降雨影響所致。 由圖4 和圖5 所示,探測區(qū)內(nèi)巖體的電阻率值總體上小于100, 表層大部分的雜填土和素填土受降雨影響,電阻率值較低,只有局部為高阻;下部巖層電阻率普遍高于20,表明下部巖層的裂隙比較發(fā)育,含水性較高。 依據(jù)以上電阻率分布特征,并結(jié)合鉆孔地質(zhì)剖面,從圖6 和圖7 可以獲得:

        圖4 礦山法隧道左線【控制里程段為左CRDK-1+045(即x=145)~左CRDK-1+176m(即x=0)】電阻率分布圖

        圖5 礦山法隧道右線【控制里程段為右CRDK-1+015(即x=245)~右CRDK-1+200m(即x=0)】電阻率分布圖

        圖6 礦山法隧道左線【控制里程段為左CRDK-1+045(即x=145)~左CRDK-1+176m(即x=0)】電法探測成果解釋

        圖7 礦山法隧道右線【控制里程段為右CRDK-1+015(即x=245)~右CRDK-1+200m(即x=0)】電法探測成果解釋

        (1)結(jié)合測區(qū)鉆孔地質(zhì)剖面,依據(jù)電阻率分布特征,給出了左線(測線1)和右線(測線2)下伏砂巖地層的分界線。

        (2)左線:左CRDK-1+096(即x=95)~左CRDK-1+176m(即x=0)里程段巖體電阻率值較低,反映砂巖裂隙發(fā)育,風(fēng)化程度高;其中左CRDK-1+135(即x=45)~左CRDK-1+161m(即x=15)里程段巖層可能有一定的含水性,圍巖穩(wěn)定性差;

        (3)右線:右CRDK-1+048(即x=200)~右CRDK-1+67m (即x=175)、 右CRDK-1+084 (即x=155)~右CRDK-1+135m(即x=85)和右CRDK-1+160(即x=55)~右CRDK-1+173m(即x=35)里程段巖體電阻率值較低,反映砂巖裂隙發(fā)育,風(fēng)化程度高;其中右CRDK-1+084(即x=155)~右CRDK-1+135m(即x=85)里程段可能有一定的含水性,巖層穩(wěn)定性較差。

        2 結(jié)語

        (1)結(jié)合鉆孔地質(zhì)剖面,依據(jù)電阻率的分布特征,判定了礦山法隧道物探探測里程段內(nèi)砂巖層位的分界線。

        (2)據(jù)電阻率分布特征,判定左CRDK-1+096~左CRDK-1+176m 里程段砂巖層位裂隙發(fā)育, 風(fēng)化程度高, 圍巖穩(wěn)定性較差; 其中左CRDK-1+135~左CRDK-1+161m 里程段巖層可能有一定的含水性。

        (3)據(jù)電阻率分布特征,右CRDK-1+048~右CRDK-1+67m、 右CRDK-1+084~右CRDK-1+135m 和右CRDK-1+160~右CRDK-1+173m 里程段砂巖層位裂隙發(fā)育, 風(fēng)化程度較高, 巖層穩(wěn)定性差; 其中右CRDK-1+084~右CRDK-1+135m 里程段可能有一定的含水性。

        (4)電阻率成像法在隧道超前探中應(yīng)用良好,對于低阻體和含水體反應(yīng)較為靈敏。

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