高密度电法在隧道超前地质预报中的应用

余左清 廖声林

随着我国国民经济的高速发展和西部大开发战略的深入实施,公路等基础设施在西南山区的建设规模日益扩大,公路隧道数量也越来越多。而我国西南山高谷深,修建公路时常采用隧道方案穿越山岭。不良地质体,比如断层、裂隙、岩溶等常常成为我国隧道建设当中遇到的最主要也是最难以解决的问题。若能准确地在隧道掘进中提前了解掌子面前方岩性结构的变化情况,如预报掘进前方是否有断层、破碎带、溶洞等不良地质构造,这些构造的几何形态如何,规模的大小,根据所掌握的这些地质构造情况,可及时合理地安排掘进进度、修正施工方案、安排防护措施、避免险情发生[1]。它是实现隧道的科学施工和信息化管理的首要前提,本文即是通过高密度电法来实现这一前提的。

1 高密度电阻率法原理简介[2]

高密度电阻率法(简称高密度电法)是一种阵列勘探方法,也称自动电阻率系统,是直流电法的发展,其功能相当于四极测深与电剖面法的结合,其工作系统见图1。通过电极向地下供电形成人工电场,其电场的分布与地下岩土介质的电阻率ρ的分布密切相关,通过对地表不同部位人工电场的测量,了解地下介质视电阻率ρs的分布,根据岩土介质视电阻率的分布推断解释地下地质结构。该方法对围岩的含水情况特别敏感,围岩破碎含水,其视电阻率明显降低,完整、坚硬岩土的视电阻率明显高于断层带或破碎带和富水带围岩的视电阻率。这种方法原理清晰,图像直观,是一种分辨率较高的物探方法。近年来随着计算机数据采集技术的改进,使勘探效率大大提高,增大了剖面的覆盖面积和探测深度,在强干扰的环境下也能取得可靠数据,大大地提高了信噪比,可准确地探测地质体。本文高密度电法测量选用的是工程勘察中最常用的温纳装置(见图2)。测量时,AM=MN=NB=AB/3为一个电极间距,探测深度为 AB/3,A,B,M,N逐点同时向右移动,得到第一层剖面线;接着 AM,MN,NB增大一个电极间距,A,B,M,N逐点同时向右移动,得到另一层剖面线;这样不断扫描测量下去,得到倒梯形地质断面。

2 工程实例

戌街隧道位于楚雄州元(元谋)—双(双柏)二级公路4合同姚新村段,分界段里程为K22+365～K23+287,分界段全长 922 m。测区属构造剥蚀长垣状中低山地形地貌,地形切割较强烈,地势起伏较大,地表植被稀少。1)地形地貌。戌街隧道位于云南省牟定县戌街乡水桥村境内,地处姚兴村与地石么村之间的山梁部位,系龙川支流姚兴村河与古岩河的分水岭,属构造剥蚀长垣状中低山地形地貌,穿越低中山、中山区,属剥蚀构造低中山、中山地貌,植被不发育,地形纵坡起伏较大,自然坡度一般多在30°～40°之间,局部大于45°,坡面冲沟很发育,切割较强烈,为山岭重丘区。2)地层岩性。隧道线路区内出露的地层岩性自上而下为:a.第四系残坡积(Qel+dl4)粉质黏土:地表覆盖层,为灰褐、灰黄色,可塑～硬塑,土质不均,含少量石英角砾,局部夹碎、块石,厚度0 m～5.0 m,分布不连续,主要分布于隧道进出口端及地势平缓地段。b.下伏基岩:岩性主要为华力西期(γ 4)花岗岩,上部呈全风化角砾状,具球状风化,偶夹中风化岩块,中部呈强风化碎石状,节理裂隙很发育,岩体破碎,岩质较坚硬,下部呈中风化碎块～大块状,节理裂隙较发育,岩体较完整,岩质坚硬,差异性风化较重。

3 工作布置及完成工作量

1)工作布置。在隧道上方地表(K22+355～K23+300)沿隧道轴线布置了1条高密度电阻率法成像探测剖面。测线有效长度945 m,布置有效电极 190个。电极距 5 m,采集30层,测深150 m。共两个排列,排列间重复 100 m。

2)完成工作量。本次工作实际完成的工作量为:高密度电法剖面1条,剖面有效长945 m,测深点190个。

4 高密度电法勘察成果

K22+355～ K22+612段 :视电阻率值较低,小于 500 Ω◦m;推测围岩为全～强风化花岗岩,节理裂隙很发育,岩体破碎呈角(砾)碎(石)状松散结构,含风化裂隙水,开挖后无支护时拱顶易发生坍塌,围岩稳定性较差,拱顶若无及时并加强支护,会出现坍塌、侧壁失稳。围岩级别为V级。K22+612～K22+812段:视电阻率值相对较低,大多在500 Ω◦m～1 500 Ω◦m;推测围岩为中风化花岗岩,节理裂隙发育,岩体呈块碎～碎石状压碎结构,含少量裂隙水,自稳能力较差,开挖后无及时支护时拱顶易掉块,拱顶无支护会出现掉块和小坍塌,侧壁稳定性一般。围岩级别为Ⅳ级。K22+812～K22+934段:视电阻率值较高,大多在 1 000 Ω◦m～5 000 Ω◦m;推测围岩为中～微风化花岗岩,节理裂隙稍发育,岩体较完整,岩质坚硬,岩体呈块(石)碎(石)状镶嵌结构,含少量裂隙水,自稳能力较好,开挖后无及时支护时拱顶有掉块可能或可产生小坍塌,侧壁稳定性较好。围岩级别为Ⅲ级。K22+934～K23+030段:视电阻率值相对较低,大多在 1000 Ω◦m～ 1 800Ω◦m;推测围岩为中风化花岗岩,节理裂隙发育,岩体呈块碎～碎石状压碎结构,含少量裂隙水,自稳能力较差,开挖后无及时支护时拱顶易掉块,拱顶无支护会出现掉块和小坍塌,侧壁稳定性一般。围岩级别为Ⅳ级。K23+030～K23+147段:视电阻率值较高,大多在 1 800 Ω◦m～ 3 000 Ω◦m;推测围岩为中～ 微风化花岗岩,节理裂隙稍发育,岩体较完整,岩质坚硬,岩体呈块(石)碎(石)状镶嵌结构,含少量裂隙水,自稳能力较好,开挖后无及时支护时拱顶有掉块可能或可产生小坍塌,侧壁稳定性较好。围岩级别为Ⅲ级。K23+147～ K23+300 段:视电阻率值较低,小于 1 500 Ω◦m;推测围岩为全～强风化花岗岩,节理裂隙很发育,岩体破碎呈角(砾)碎(石)状松散结构,含风化裂隙水,开挖后无支护时拱顶易发生坍塌,围岩稳定性较差,拱顶若无及时加强支护,会出现坍塌、侧壁失稳。围岩级别为Ⅴ级。

4.1 勘察结论

综合地质调查和高密度电法视电阻率图像内容,得出如下结论:1)隧道经过区岩性相对较为简单,主要为花岗岩,受区域性断裂及区内层间褶曲影响,整体上岩体较为破碎,完整性相对较差。2)此次电法探测的不利地段(共4处,特别是 K22+375～K22+470,K22+540～K22+610段视电阻率值低),隧道开挖至上述地段时,为防出现突发性地质灾害,应提前采取预防措施,确保施工质量和进度。3)隧道进出口端视电阻率值相对较低,岩体极为破碎,围岩级别多为V级。开挖无支护时易发生崩塌。

4.2 施工建议

1)隧道进出口端开挖时应及时做好支护及排水工作,防止坍塌。2)此次电法探测的不利地段(共4处,特别是K22+375～K22+470,K22+540～K22+610段视电阻率值低),隧道开挖至上述地段时,为防出现突发性地质灾害,应提前采取预防措施,确保施工质量和进度。

5 结语

本文通过实例,展示了高密度电法在隧道地质超前预报中快速、经济、准确、直观的特点。须指出,高密度电法作为以岩土体的电性差异为基础的物探方法,在实际工作中野外方法技术选择上应根据不同的勘探目的,合理布置勘探剖面,采用合适的装置、电极距,才能达到最好的应用效果。在高密度电法资料解释上,一定要结合现场地质情况,并结合其他物探方法,或钻孔资料进行综合分析[2],以达到准确解决不同地质问题的目的。

[1] 何发亮,李苍松,陈成宗.隧道地质超前预报[M].成都:西南交通大学出版社,2006.

[2] 傅良魁.应用地球物理教程——电法勘探[M].北京:地质出版社,1991.

[3] 葛如冰,黄伟义.高密度电阻率法在灰岩地区的应用研究[J].物探与化探,1999(1):36-38.

[4] 姚 伟.高密度电法在隧道勘察中的应用分析[J].山西建筑,2009,35(29):319-321.