高密度直流電法在巖溶隧道中的應用

李代軍

摘 要:以廣樂高速公路長基嶺隧道為例,應用高密度直流電法,對掌子面前方40m內(nèi)圍巖的軟硬及破碎程度進行了超前預報,并探明了該部位地下水的發(fā)育情況。結果發(fā)現(xiàn),ZK90+990～ZK90+993,ZK91+005～010段內(nèi)的視電阻率相關比值普遍比ZK90+975～ZK91+015段內(nèi)的要小,這兩個預測段的均為低電阻異常區(qū)(藍色),推測平均視電阻率相關比值較低的預測段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)開挖比較,證實了這一結果。

關鍵詞:超前地質預報高密度直流電法視電阻率長基嶺隧道

中圖分類號:U456 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)06(b)-0113-03

20世紀80年代后期,我國原地質礦產(chǎn)部系統(tǒng)率先開展了高密度電阻率法及其應用技術研究,從理論與實際結合的角度,進一步探討并完善了方法理論及有關技術問題。近30年來,該方法先后在重大場地的工程地質調(diào)查、壩基及橋墩選址、采空區(qū)及地裂縫探測以及煤礦及隧道掘進面前方含水構造的預報等眾多工程勘察領域應用,取得了明顯的地質效果和社會經(jīng)濟效益。尤其在當前時代,隨著我國隧道建設的大力發(fā)展,各類的地質災害在施工中造成的安全事故等困難也擺在我們面前。若能對隧道掌子面前方的地質條件及水文地質條件,如掘進前方是否有巖溶,斷層破碎帶,富水區(qū)域等不良構造進行預測,且根據(jù)預測結果合理地安排掘進進度和修正施工方案,采取必要的防范措施,則可避免險情發(fā)生。目前,關于高密度直流電法超前地質預報在隧道建設中的應用已有相應的研究[1～4]。本文將以廣樂高速公路長基嶺隧道為工程實例,應用高密度直流電法,對掌子面前方一定范圍內(nèi)進行超前預報,其預測結果和真實水文地質條件基本一致,且更適用于對含水構造的超前預報。

1 高密度直流電法的原理及測線布置

1.1 高密度電法的原理

高密度電阻率法是以地下介質導電性差異為基礎,通過觀測和研究與這些差異有關人工電場的分布規(guī)律,可達到查明地下地質構造和尋找地下電性不均勻體(巖溶、風化層、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。設地表水平,地下充滿均勻各向同性半無限介質,在地面上任意兩點用供電電極A,B供電,另外兩點用測量電M,N測量電位差。A,B電極在M點產(chǎn)生的電位為

同理可得到他們在N點產(chǎn)生的電位

于是M,N兩點間的電位差為

由此可得到均勻大地電阻率的計算公式

設地面水平,當M,N電極間的距離MN很小時,其間的電場強度可認為是均勻的,因此有

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

由于假設介質是均勻的,故可得

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

1.2 測線布置

長基嶺隧道進口左線供電點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。測量電極MN向掌子面后方移動,每次移動間距為4m。MN間的距離為4m。通過移動測量電極MN,采集隧道周圍巖石的視電阻率值,即可得到掌子面前方視電阻率相關比值等值線圖。

2 長基嶺隧道地質條件概況[6]

隧道區(qū)位于粵北凹褶束-韶關凹褶中的天門坳隆起區(qū),地層復雜,斷裂發(fā)育。地質調(diào)繪顯示,該隧道共發(fā)育和穿過13條斷層,其走向為北北東向和北東向,南北向。另外,隧道隨處地層巖性復雜,構造復雜,巖溶發(fā)育,斷層發(fā)育,地質條件極其復雜。

本次探測段所處的地層屬于區(qū)域強巖溶段,小管道狀巖溶泉,垂向分帶為季節(jié)性變化帶巖溶水,橫向分帶為補給徑流區(qū),在ZK91+100處見一處季節(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,長年不干。該里程段物探勘測為3條斷層,且三條斷層均與隧道相交,切過溝系,極可能成為導水通道。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,即標高為206m,說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,隧道開挖至該斷層處時,將出現(xiàn)滲水或突水的可能性極大。

３ 探測結果及分析

３.1 高密度直流電法探測結果及分析

通過洞內(nèi)儀器探測,數(shù)據(jù)傳輸,解譯,整理成圖,ZK90+975～ZK91+015段的探測結果見圖4。

從上面的探測結果中可以看到,此次三級法超前探測反映掌子面前方距離為0～40m,視電阻率相關比值在低區(qū)域反映為藍色,在高阻區(qū)域反映為紅色,過渡顏色為黃色。

ZK90+975～ZK91+015段探測結果:對于圖4(ZK90+975～ZK91+015段),視電阻率相關比值變化范圍在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,因此推測其可能含較多的基巖裂隙水或巖溶水,此時應采用加長炮眼或超前鉆探進一步探明該部位的含水情況,再進行開挖;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),推測該處圍巖可能含巖層裂隙水或巖溶裂隙水。

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

３.2 TSP地震波法對ZK90+975～ZK91+015段探測結果

在里程ZK90+984～ZK91+028長度44m,預報結論為圍巖為灰黑色中風化灰?guī)r,隱晶質結構,中厚層狀構造,受構造影響嚴重,局部地段裂隙較發(fā)育,巖體破碎.在987-993,007-018段,橫波反射強烈,推測其為發(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段實施超前鉆探,鉆探圍巖情況詳見表1。

4 結論

(1)應用高密度直流電法對長基嶺隧道ZK90+975～ZK91+015段進行超前地質預報(主要為含水構造),預報結果與真實情況基本一致,從而可對潛在的危險部位采取必要的防范措施(短掘進,弱爆破,及時支護以及防排水等),提高工程的安全性。

(2)高密度直流電法超前地質預報方法簡單,操作方便,對施工影響小,對水反應靈敏等優(yōu)點,但其預報預報準確率受外界環(huán)境較大,如受附近的用電機械的電場、地面連續(xù)低阻體、及隧道路面虛渣等因素影響較大。在運用高密度直流電法時,應合理采用測量電極極距,在精度與準度上合理把握(測量電極極距越小精度越高,但準確率降低),根據(jù)經(jīng)驗在同時保證精度與準度的情況下,測量電極極距為4m時比較合適。

(3)在地質條件復雜的隧道中,應綜合運用多種預報方法,運用TSP地震波法對隧道進行長距離預報,在其預報的可疑段進行高密度直流電法預報,取長補短,并結合地勘資料以及多年積累的經(jīng)驗綜合分析,才可以取得較好的地質預報效果。但是由于物探方法的間接性,應對預報結論中的富水破碎區(qū)實施超前鉆探,進行進一步驗證,以確保施工開挖安全。

參考文獻

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