綜合地球物理方法在隧道塌方處置中的應(yīng)用研究

陳亞乾，李 天，普新凱

(云南建投第一勘察設(shè)計(jì)有限公司，昆明 650031)

0 引言

近年來(lái)，云南省交通建設(shè)取得重大成就，全省公路總里程已達(dá)到24.3×104km。云南地處云貴高原，群山連綿，大部分地區(qū)位于西南橫斷山脈地帶，96%以上的面積為山區(qū)，地勢(shì)陡峻，地質(zhì)條件復(fù)雜，修建公路十分困難，在公路建設(shè)中設(shè)置隧道是不可避免的[1]。一些地質(zhì)情況相對(duì)復(fù)雜的隧道，如正在建設(shè)的麗香高速公路處于青藏高原東南緣，三江并流核心區(qū)，該區(qū)以高山地貌為主，地形綿延起伏，河谷切割劇烈,其中的XX隧道在建設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)了塌方冒頂?shù)入U(xiǎn)情，對(duì)淺埋隧道多采取從山頂向塌方體壓注水泥的方式來(lái)固結(jié)松散破碎的巖體，注漿布孔時(shí)大多采取等間距“梅花樁”布設(shè)，對(duì)于注漿效果主要依賴(lài)于向塌方體注入水泥漿的體積進(jìn)行估算，由于受注漿孔影響范圍的限制，會(huì)出現(xiàn)膠結(jié)情況不均勻，可能成為再次引起塌方的誘因。

目前，檢測(cè)、評(píng)價(jià)經(jīng)過(guò)注漿加固的場(chǎng)地是否滿(mǎn)足工程建設(shè)的需要，可采用的手段較多，包括觀察法、經(jīng)驗(yàn)分析法、鉆芯取樣法、物探檢測(cè)法等，其中常用物探方法有：高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)、電測(cè)深、瞬變電磁、鉆孔電磁波CT、鉆孔地震波CT、瑞雷面波。每種方法都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)[2]。觀察法是在注漿后、開(kāi)挖過(guò)程中或鉆孔后觀察注漿孔、開(kāi)挖斷面或鉆孔的穩(wěn)定性、涌水、涌砂等情況，定性評(píng)價(jià)注漿效果，這種方法準(zhǔn)確度低，且過(guò)于依靠經(jīng)驗(yàn)。分析法是以對(duì)比、經(jīng)驗(yàn)公式等方式分析評(píng)估注漿參數(shù)，這種方式只能評(píng)價(jià)注漿的整體效果，難以確定缺陷的具體位置。變位推測(cè)對(duì)注漿前后及和注漿過(guò)程中的地下水位或地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析二者的變化以間接評(píng)估注漿效果，該方法同樣難以確定缺陷的具體位置，且效率和準(zhǔn)確度相對(duì)較低。鉆芯取樣法通常是建立在前三種檢測(cè)方法結(jié)論的基礎(chǔ)上，該方法準(zhǔn)確度高，但工期長(zhǎng)，成本高，且只能反映鉆孔及附近小范圍的注漿效果。

目前常采用的方法多為瞬變電磁法或地面高密度電法，但在工程實(shí)際應(yīng)用中這兩種方法僅從治理加固前后電磁場(chǎng)特征的變化,對(duì)采空區(qū)整體注漿效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，不能有效解析加固后場(chǎng)地內(nèi)物探異常點(diǎn)的特征。因此，單一地采用瞬變電磁法或高密度電法存在一定的局限性。

筆者以在建的麗香高速公路為例，通過(guò)采用多種電、震物探方法與鉆探施工相結(jié)合，來(lái)查明塌方體所在的位置及空腔分布區(qū)域，在注漿施工結(jié)束后，對(duì)注漿區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，對(duì)比注漿區(qū)域的物探資料，對(duì)塌方體進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 技術(shù)路線

第一階段：由于高密度電法具有探測(cè)速度快，簡(jiǎn)便高效，能夠快速形成長(zhǎng)距離連續(xù)電性特征剖面的特點(diǎn)，因此針對(duì)隧道塌方尚未進(jìn)行地表注漿處理，采用高密度電法在地表對(duì)隧道內(nèi)的塌方情況進(jìn)行探測(cè)，以期通過(guò)塌方體與完整巖體的不同電阻率分布，進(jìn)行對(duì)比判定塌方體在隧道上方的分布情況，提供給注漿施工單位。

第二階段：針對(duì)隧道塌方注漿完成后，擬采用高密度電法在第一次探測(cè)相同測(cè)線位置再次進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)兩次探測(cè)的成果對(duì)比，判斷第一次探測(cè)出的異常區(qū)域是否有明顯變化，從發(fā)生的變化對(duì)注漿效果進(jìn)行判斷，若變化不大或者異常范圍依然存在，可以向施工單位提出再次注漿的位置；若變化比較明顯，希望施工單位進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，以期達(dá)到滿(mǎn)意的注漿效果，最終達(dá)到隧道塌方處理后，施工單位能進(jìn)行下一步工作(圖1)。

圖1 技術(shù)路線圖

在實(shí)際操作過(guò)程中，第一階段，按擬定的計(jì)劃完成(測(cè)線布置如圖2所示)，在實(shí)施第二階段時(shí)，由于施工單位所注的水泥漿沿地表流淌(如圖2所示的高密度測(cè)線與設(shè)計(jì)線交叉的白色泥漿)，導(dǎo)致地表硬化，在進(jìn)行第二階段物探工作再采用高密度電法無(wú)法進(jìn)行，我們提出了在隧道左幅進(jìn)口尚未開(kāi)挖的80 m圍巖范圍內(nèi)，進(jìn)行三維TSP技術(shù)，以期利用該技術(shù)的三維特性，從洞內(nèi)向地表進(jìn)行探測(cè)，與高密度電法探測(cè)隧道塌方區(qū)域重疊，發(fā)現(xiàn)是否還存在不密實(shí)區(qū)域；從地表進(jìn)行物探工作，由以前的高密度電法改為瞬變電磁法，此方法受地形影響不大，與地表不接觸，解決因地表硬化無(wú)法開(kāi)展高密度電法，可以與第一階段做的成果進(jìn)行對(duì)比。

圖2 高密度電法測(cè)線布置圖

2 工程實(shí)例

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

香麗高速公路ZK93+813～ K94+150段XX隧道位于麗江市玉龍縣古那灣村南側(cè)，隧道為淺埋、雙連拱隧道，最大埋深57 m，隧道區(qū)屬構(gòu)造侵蝕、剝蝕中高山峽谷地貌區(qū)，地形相對(duì)較陡，植被茂密，地質(zhì)作用以構(gòu)造剝蝕、風(fēng)化作用為主。隧道區(qū)主要受北西向斷裂組之玉龍雪山西斷裂帶影響。

圖3為里程在ZK93+972位置左幅掌子面處施工沉降情況，施工過(guò)程中出現(xiàn)塌方，工字鋼嚴(yán)重變形，同時(shí)右幅二襯裂縫擴(kuò)大。

圖3 隧道地表開(kāi)裂及洞內(nèi)鋼支撐變形情況

2.2 隧道塌方區(qū)探測(cè)

第一階段主要采用高密度電阻率法在地表對(duì)隧道塌方體進(jìn)行探測(cè)。高密度電阻率法是常規(guī)電阻率法的一種，以巖、礦石的電性差異為基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)和研究人工建立的地下穩(wěn)定電場(chǎng)的分布規(guī)律,來(lái)解決水文、環(huán)境和工程地質(zhì)問(wèn)題[2]。

高密度電法野外工作裝置形式較多，經(jīng)常使用的有九種，①α排列(溫納裝置AMNB);②β排列(偶極裝置ABMN);③γ排列(微分裝置AMBN);④δA排列(聯(lián)合正裝置AMN∞);⑤δB排列(聯(lián)合反裝置∞MNB)等適合于固定斷面掃描測(cè)量；⑥A—M(二極排列);⑦A—MN(三極排列);⑧AB—M(三極排列);⑨AB—MN(偶極排列)，其中α排列因其具有操作方便和對(duì)地下異常體的反映比較直觀等優(yōu)點(diǎn)，故該裝置在野外工作中最為常用[3～4]。

固定斷面掃描測(cè)量方法在測(cè)量時(shí)以剖面線為單位進(jìn)行測(cè)量，一次測(cè)量最少測(cè)一條剖面線，一個(gè)斷面由若干條剖面線組成。由于剖面上的測(cè)點(diǎn)數(shù)隨剖面號(hào)的增大而向下減少，故斷面上的測(cè)點(diǎn)數(shù)呈倒梯形分布。以α排列(溫納裝置AMNB)為例，接地電極數(shù)為60，剖面層數(shù)為28，其斷面測(cè)點(diǎn)分布如圖4所示。

圖4 野外工作裝置示意圖

變斷面連續(xù)滾動(dòng)掃描測(cè)量方法在測(cè)量時(shí)以滾動(dòng)線為單位進(jìn)行測(cè)量，一次測(cè)量至少測(cè)一條滾動(dòng)線，滾動(dòng)線是一條沿深度方向的直線或斜線，各測(cè)點(diǎn)等距分布其上，所有滾動(dòng)線上具有相同測(cè)點(diǎn)號(hào)的測(cè)點(diǎn)構(gòu)成一條剖面，不同深度的測(cè)點(diǎn)位于不同的剖面上，一條滾動(dòng)線上的測(cè)點(diǎn)數(shù)等于斷面的剖面數(shù)。

為了查明隧道塌方的成因，排除地形影響等外界因素，1號(hào)、2號(hào)物探測(cè)線(圖5)與3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)測(cè)線(圖6)以地表可見(jiàn)的塌方區(qū)為中心布設(shè)(圖7)，交角近垂直，可見(jiàn)隧道塌方體處于低電阻率值的區(qū)域內(nèi)，電法剖面的低電阻在10 Ω·m～100 Ω·m之間。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察鉆探資料，地下水較少或無(wú)，低阻異常體由巖體破碎和松散引起(圖8)，推測(cè)以地表塌方為中心水平影響范圍為200 m～300 m，深度影響在10 m～60 m之間，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)推測(cè)主要是高密度電法儀向下導(dǎo)電過(guò)程中，在塌方區(qū)空腔區(qū)多為塊石松散堆積，形成了電流回路，未形成斷路，相對(duì)應(yīng)的剖面圖上也就未形成空洞的高阻異常，反而空腔區(qū)剖面顯示為極低阻異常，推測(cè)為蜂窩狀松散體堆積,推算體積為40 000 m3～50 000 m3。

圖6 北西走向測(cè)線的電阻率電法立體圖

圖7 從隧道進(jìn)口端展示的電阻率電法立體圖

圖8 對(duì)物探異常進(jìn)行鉆探驗(yàn)證的芯樣

2.3 注漿效果檢測(cè)

由于第一階段注漿后地表硬化和埋設(shè)的注漿管殘留于隧道里等因素，第二階段在地表采用了受地表影響較小的瞬變電磁法對(duì)注漿后的隧道塌方體向地下進(jìn)行探測(cè)，在洞內(nèi)利用尚未開(kāi)挖的圍巖段向四周進(jìn)行TSP探測(cè)，以期從不同角度探測(cè)同一段隧道塌方體注漿的情況。

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method，TEM)，是利用不接地回線或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場(chǎng)，用線圈或接地電極,觀測(cè)由該脈沖電磁場(chǎng)感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場(chǎng)的空間和時(shí)間分布，解決有關(guān)地質(zhì)問(wèn)題的時(shí)間域電磁法[5]。瞬變電磁場(chǎng)的探測(cè)深度主要由測(cè)量時(shí)間和地下介質(zhì)的電阻率來(lái)確定。瞬變電磁法的激勵(lì)場(chǎng)源主要有兩種，①回線形式(或載流線圈)的磁源;②接地電極形式的電流源[6-7],作者采用的是回線形式的磁源。

瞬變電磁法測(cè)線位于高密度電法與隧道設(shè)計(jì)線交叉處，從測(cè)線1現(xiàn)場(chǎng)圖(圖9)和反演圖(圖10)看出：由于地表存在鋼筋的影響，導(dǎo)致淺部地表5 m范圍之上效果較差。在紅色虛線范圍內(nèi)，電阻率值由處理前低電阻10 Ω·m～100 Ω·m，轉(zhuǎn)變成了1 000 Ω·m，但垂直距離為15 m～20 m，水平距離為44 m～45 m存在等值線不連續(xù)性，電阻率值較低，推測(cè)該段存在注漿不完整性，下面兩個(gè)低阻區(qū)域(<900 Ω·m)推測(cè)為隧道位置。測(cè)線2(圖11、圖12)是完成注漿的。從圖10、圖12中看出：淺部受到鋼筋鐵絲網(wǎng)的影響，地層分辨效果比較差，但在垂直距離20 m左右，存在連續(xù)性較好的高阻層，電阻率>1 000 Ω·m，推測(cè)注漿完整性較好。

圖9 瞬變電磁法1號(hào)測(cè)線現(xiàn)場(chǎng)

圖10 1號(hào)測(cè)線電阻率剖面圖

圖11 瞬變電磁法2號(hào)測(cè)線現(xiàn)場(chǎng)

圖12 2號(hào)測(cè)線電阻率剖面圖

“TSP-RF”系統(tǒng)地震波超前預(yù)報(bào)方法3D-3C是基于不同極化反射地震波來(lái)記錄的，可以選擇不同的震源(大錘，液壓錘，見(jiàn)圖13)和炸藥。錘擊震源在合適的地質(zhì)條件下能夠達(dá)到150 m的探測(cè)范圍，炸藥震源可達(dá)幾百米。彈性波記錄系統(tǒng)預(yù)設(shè)了三組分(3C)檢波器的可選分配，可將它們分布在隧道壁等位置(一共3～10個(gè)檢波器)。該技術(shù)的理念是專(zhuān)注于航空無(wú)線電定位每個(gè)3C檢波器的工作原理，提出了一個(gè)定向覆蓋錐形雷達(dá)(錐角為45°)。經(jīng)過(guò)極化處理的波場(chǎng)根據(jù)每個(gè)檢波器，在遷移映射的結(jié)果，所有覆蓋錐還原成一在面部的中心點(diǎn)。在多個(gè)振源位置(連續(xù))激發(fā)情況下，完整波場(chǎng)矢量分量記錄被在現(xiàn)場(chǎng)處理系統(tǒng)，確保在任何方向從四面(前面，后面，兩邊)收到地塊的可靠而穩(wěn)定的總結(jié)性參數(shù)化三維圖像。該參數(shù)圖像可靠地識(shí)別地塊分離元素(地塊材料損壞垂直區(qū)對(duì)應(yīng)于地塊接觸不同的地球動(dòng)力學(xué)狀態(tài))，通過(guò)處理得到的圖像可以判別涌水，冒頂和含水區(qū)域及破碎帶等隧道前方危險(xiǎn)情況[8]。

圖13 TSP-RF測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

從TSP巖體破碎成果圖(圖14、圖15)分析：K93+884～+934掌子面前方反射信號(hào)較弱，該區(qū)域應(yīng)力局部有較小變化，巖質(zhì)較軟弱，推測(cè)注漿效果一般。K93+934～+944該區(qū)段反射信號(hào)較強(qiáng)，該區(qū)域應(yīng)力發(fā)生劇烈變化，巖質(zhì)較軟弱，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，推測(cè)壓注的水泥漿未到達(dá)該地段[9]。K93+944～+949掌子面前方反射信號(hào)弱，該區(qū)域應(yīng)力未發(fā)生變化；巖體穩(wěn)定性稍好，推測(cè)注漿效果一般。K93+949～+954該區(qū)段反射信號(hào)強(qiáng)，該區(qū)域應(yīng)力發(fā)生劇烈變化，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，巖體破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，推測(cè)壓注的水泥漿未到達(dá)該地段。K93+954～+964掌子面前方反射信號(hào)較弱，該區(qū)域應(yīng)力未發(fā)生明顯變化；巖體穩(wěn)定性整體稍好，推測(cè)注漿效果一般。從縱波波速圖(圖16)來(lái)看：隧道左側(cè)K93+939～K93+979段波速值較低在1 400 m/s～1 600 m/s之間，而右側(cè)的波速在2 400 m/s～2 600 m/s之間，結(jié)合前期鉆探成果，推測(cè)在該段巖體很破碎和松散，水泥漿未達(dá)到該位置，同時(shí)存在隧道偏壓?jiǎn)栴}。從0 m、3 m、6 m、9 m破碎狀況應(yīng)力水平切片(圖17)分析：K93+934～K93+954段巖體的縱向延伸10 m范圍內(nèi)依然破碎嚴(yán)重[10-14]。

圖14 TSP-RF巖體破碎成果圖

圖15 松散等級(jí)分布圖

圖16 縱波波速分布圖

圖17 破碎狀況應(yīng)力分布水平切片

3 結(jié)論

通過(guò)第一階段和第二階段三種地球物理方法的成果對(duì)比，隧道塌方區(qū)域有了明顯地改善，第一階段使用高密度電法探測(cè)出的異常區(qū)域，電阻率值<100 Ω·m，而通過(guò)第二階段采用瞬變電磁法對(duì)高密度電電法探測(cè)出的異常區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，電阻率值>900 Ω·m，推測(cè)隧道塌方區(qū)域較嚴(yán)重的松散區(qū)注漿后有了明顯地改善。通過(guò)在隧道左幅進(jìn)口具備條件的掌子面進(jìn)行的三維TSP探測(cè)，從成果顯示來(lái)看，局部還是存在破碎松散區(qū)域。主要原因是從地表注漿，漿液的流動(dòng)軌跡不可知，局部未達(dá)到注漿的預(yù)期效果。

本次綜合物探方法的應(yīng)用研究采用了多種物探方法，即高密度電法、三維TSP及瞬變電磁法這三種方法，通過(guò)多個(gè)參數(shù)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，清晰地看到了不同物探方法的特點(diǎn)及適用性，通過(guò)對(duì)比塌方體注漿前后的物探成果進(jìn)行綜合判斷，為隧道塌方處理提供依據(jù)。該綜合物探方法的應(yīng)用為地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)、施工等做出了有益的嘗試。