高密度直流电法在岩溶隧道中的应用

李代军

摘 要:以广乐高速公路长基岭隧道为例,应用高密度直流电法,对掌子面前方40m内围岩的软硬及破碎程度进行了超前預报,并探明了该部位地下水的发育情况。结果发现,ZK90+990～ZK90+993,ZK91+005～010段内的视电阻率相关比值普遍比ZK90+975～ZK91+015段内的要小,这两个预测段的均为低电阻异常区(蓝色),推测平均视电阻率相关比值较低的预测段ZK90+975～ZK91+015内的低电阻异常区可能为地下水发育。最后经开挖比较,证实了这一结果。

关键词:超前地质预报高密度直流电法视电阻率长基岭隧道

中图分类号:U456 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)06(b)-0113-03

20世纪80年代后期,我国原地质矿产部系统率先开展了高密度电阻率法及其应用技术研究,从理论与实际结合的角度,进一步探讨并完善了方法理论及有关技术问题。近30年来,该方法先后在重大场地的工程地质调查、坝基及桥墩选址、采空区及地裂缝探测以及煤矿及隧道掘进面前方含水构造的预报等众多工程勘察领域应用,取得了明显的地质效果和社会经济效益。尤其在当前时代,随着我国隧道建设的大力发展,各类的地质灾害在施工中造成的安全事故等困难也摆在我们面前。若能对隧道掌子面前方的地质条件及水文地质条件,如掘进前方是否有岩溶,断层破碎带,富水区域等不良构造进行预测,且根据预测结果合理地安排掘进进度和修正施工方案,采取必要的防范措施,则可避免险情发生。目前,关于高密度直流电法超前地质预报在隧道建设中的应用已有相应的研究[1～4]。本文将以广乐高速公路长基岭隧道为工程实例,应用高密度直流电法,对掌子面前方一定范围内进行超前预报,其预测结果和真实水文地质条件基本一致,且更适用于对含水构造的超前预报。

1 高密度直流电法的原理及测线布置

1.1 高密度电法的原理

高密度电阻率法是以地下介质导电性差异为基础,通过观测和研究与这些差异有关人工电场的分布规律,可达到查明地下地质构造和寻找地下电性不均匀体(岩溶、风化层、滑坡体等)的一种地球物理勘探方法。高密度电法的勘探原理,与一般电法勘探原理相同。设地表水平,地下充满均匀各向同性半无限介质,在地面上任意两点用供电电极A,B供电,另外两点用测量电M,N测量电位差。A,B电极在M点产生的电位为

同理可得到他们在N点产生的电位

于是M,N两点间的电位差为

由此可得到均匀大地电阻率的计算公式

设地面水平,当M,N电极间的距离MN很小时,其间的电场强度可认为是均匀的,因此有

式中ｊ,MN,MNρ分别为M,N电极间任意点的电流密度和介质的电阻率。从而可以得到

由于假设介质是均匀的,故可得

式中ρ0只决定于装置的类型和大小,对于确定的装置,可以认为它是已知的。 本文主要用三极法进行勘察预报,该方法属于全空间电法勘探,供电电极A相对无穷远电极B可以看作为点电源,均匀介质中它所形成的电场可近似看作一个球体,如图1所示。根据电场球壳原理,任意等半径球面上的电位是相等的,两个等位面上的点M、N之间形成电位差ΔUMN,利用发射电流可计算出MN球环上的视电阻率。通过在巷道迎头后方布置电极,从而可探测出迎头前方的异常情况,其工作原理如图2所示。为了能够正确预报掌子面前方地质构造,采用三个供电电极交替供电分别测量的方式,利用几何交汇的原理(如图3所示),从而只探测掌子面前方的潜在危险部位,此即三级法超前探测。

1.2 测线布置

长基岭隧道进口左线供电点A1布置在距掌子面14m处,A2和A3电极布置在A1电极后,各供电电极间距为4m,电极布置如图3。测量电极MN向掌子面后方移动,每次移动间距为4m。MN间的距离为4m。通过移动测量电极MN,采集隧道周围岩石的视电阻率值,即可得到掌子面前方视电阻率相关比值等值线图。

2 长基岭隧道地质条件概况[6]

隧道区位于粤北凹褶束-韶关凹褶中的天门坳隆起区,地层复杂,断裂发育。地质调绘显示,该隧道共发育和穿过13条断层,其走向为北北东向和北东向,南北向。另外,隧道随处地层岩性复杂,构造复杂,岩溶发育,断层发育,地质条件极其复杂。

本次探测段所处的地层属于区域强岩溶段,小管道状岩溶泉,垂向分带为季节性变化带岩溶水,横向分带为补给径流区,在ZK91+100处见一处季节性岩溶泉,出露高程为301m处的洼地中,雨季流量5～20L/S,旱季断流,长年不干。该里程段物探勘测为3条断层,且三条断层均与隧道相交,切过沟系,极可能成为导水通道。另CSA7ZK5钻孔稳定水位位于高程313.71m、CSA7ZK4钻孔位于孔深99.6m处涌水,即标高为206m,说明在此高程处存在岩溶通道压力水,水一直上升至孔口溢出,因此,隧道开挖至该断层处时,将出现渗水或突水的可能性极大。

３ 探测结果及分析

３.1 高密度直流电法探测结果及分析

通过洞内仪器探测,数据传输,解译,整理成图,ZK90+975～ZK91+015段的探测结果见图4。

从上面的探测结果中可以看到,此次三级法超前探测反映掌子面前方距离为0～40m,视电阻率相关比值在低区域反映为蓝色,在高阻区域反映为红色,过渡颜色为黄色。

ZK90+975～ZK91+015段探测结果:对于图4(ZK90+975～ZK91+015段),视电阻率相关比值变化范围在60～150之间,在掌子面前方约15m附近(YK90+990,影响范围4m),存在一个低电阻率异常区,其视电阻率比值较小,大约为60～70,低于正常围岩(式电阻率比值约为100)较大,因此推测其可能含较多的基岩裂隙水或岩溶水,此时应采用加长炮眼或超前钻探进一步探明该部位的含水情况,再进行开挖;且在掌子面前方约30m附近(YK91+005,影响范围5m)该低电阻率异常区的视电阻率也较小(约为60～75),推测该处围岩可能含岩层裂隙水或岩溶裂隙水。

所以预报结论为:该区段的大部分地段视电阻均较高,但在里程ZK90+990～994处视电阻相对较低(60-80),影响宽度4m,推测在该处围岩可能含较多基岩裂隙水或岩溶水,施工时需特别注意,建议在施工临近该处时采用加长炮眼或超前钻探进行超前探测,及时跟进加强支护和做好防排水措施。在ZK91+005-010处视电阻相关比值较低(约为60-80),影响宽度5m。推测该处围岩可能含岩层裂隙或岩溶裂隙水,建议采用加长炮眼或超前钻探进行超前探测,及时跟进加强支护和做好防排水措施。

３.2 TSP地震波法对ZK90+975～ZK91+015段探测结果

在里程ZK90+984～ZK91+028长度44m,预报结论为围岩为灰黑色中风化灰岩,隐晶质结构,中厚层状构造,受构造影响严重,局部地段裂隙较发育,岩体破碎.在987-993,007-018段,横波反射强烈,推测其为发育岩溶裂隙带,规模有限,含一定量的地下水。

３.3 该段的超前钻探揭露围岩情况

在里程ZK90+983～ZK91+013段实施超前钻探,钻探围岩情况详见表1。

4 结论

(1)应用高密度直流电法对长基岭隧道ZK90+975～ZK91+015段进行超前地质预报(主要为含水构造),预报结果与真实情况基本一致,从而可对潜在的危险部位采取必要的防范措施(短掘进,弱爆破,及时支护以及防排水等),提高工程的安全性。

(2)高密度直流电法超前地质预报方法简单,操作方便,对施工影响小,对水反应灵敏等优点,但其预报预报准确率受外界环境较大,如受附近的用电机械的电场、地面连续低阻体、及隧道路面虚渣等因素影响较大。在运用高密度直流电法时,应合理采用测量电极极距,在精度与准度上合理把握(测量电极极距越小精度越高,但准确率降低),根据经验在同时保证精度与准度的情况下,测量电极极距为4m时比较合适。

(3)在地质条件复杂的隧道中,应综合运用多种预报方法,运用TSP地震波法对隧道进行长距离预报,在其预报的可疑段进行高密度直流电法预报,取长补短,并结合地勘资料以及多年积累的经验综合分析,才可以取得较好的地质预报效果。但是由于物探方法的间接性,应对预报结论中的富水破碎区实施超前钻探,进行进一步验证,以确保施工开挖安全。

参考文献

[1] 李乃旺,李晓昭,徐鸣洁,梁清雨,钟凯.高密度电法在老山隧道勘察中的应用.地球科学与环境学报[J],2007,29(4):412～415.

[2] 余左清,廖声林.高密度电法在隧道超前地质预报中的应用.山西建筑[J], 2010,36(20):343～345.

[3] 黎汉林.高密度电法在岩土工程勘察中的应用.技术与市场[J],2011,18(3):343～345.

[4] 段来成.高密度电探法在隧道勘察中的应用.东华理工大学学报(自然科学版) [J],2008,31(3):55～58.

[5] YDZ(A)直流电法仪使用说明书[R].煤炭科学研究总院西安研究院,2007,10,3.

[6] 乐昌至广州高速公路坪石至樟市段第T10.D1册[R].中交第二公路勘察设计研究院有限公司,2011(1).