综合物探方法在隧道隐患排查治理中的应用

刘金辉 陈杰 周慧莹 何洪森 牛双晨

（四川中成煤田物探工程院有限公司，四川成都 610072）

0.引言

近年来，川气东送工程隧道内由于煤矿采空区变形，洞身出现变形破坏，使输气安全出现隐患，亟须排查治理。对隧道衬砌结构、基底破碎带等检测可以为工程治理提供必要、准确的数据支撑[1]。目前，对衬砌结构比较常见的检测方法有：地质雷达法、多光谱分析法等[2]。其中，地质雷达法是一种无损、高效、直观且精确的检测方法，在隧道质量检测中具有不可替代的作用[3]。高密度电法成本低、效率高、信息量丰富，对探查破碎带、采空区等具有明显优势[4]。由于隧道区地质构造复杂，煤矿采空区多为数十年前的老采空区，直接进行治理施工难度极大。因此，本次使用地质雷达法和高密度电法相结合的综合物探方法，对隧道衬砌结构及隧道下方采空区、破碎带等进行隐患排查，为隧道工程隐患排查治理提供有效数据支撑。

1.物探方法原理

1.1 地质雷达法

地质雷达法通过一对天线的连续拖动获得断面的扫描图像，由发射天线T向地下介质中发射一定主频的电磁脉冲波，脉冲波遇到地下介质中的物性界面时，发生波的反射和透射；反射的电磁波传回地面，通过接收天线R进行信号接收（见图1），在电脑端存储每一测点上波形序列的振幅及波的旅行时间，然后沿测线方向等间隔移动天线，在每一观测点可获取一个波形序列，进而每一条测线可以形成一条地质雷达剖面。

图1 地质雷达系统示意图

假如地质结构存在一些缺陷（衬砌脱空、破碎段、空洞等），在地质雷达数据中将会出现异常的特征反射，如果出现衬砌脱空时将产生夹层反射，出现空洞则会产生绕射现象等。因此，地质雷达法在隧道衬砌结构层划分、缺陷检测、隐患排查中具有较好的应用效果。

1.2 高密度电法

高密度电法是以地层的电性差异为基础，探测在人工施加电场的作用下，地下电流传播的分布规律，进而推断地下地质体分布发育情况的一种地球物理勘探方法，工作流程如图2所示。由于地下介质是非均匀各向异性的，从而对电流的阻碍作用也不同，当衬砌与基岩基础面出现破损、脱空，或者基岩内部出现破碎、空洞时，电信号的传播就会受到影响，例如当破碎区充水时，水是低阻体，测量结果就会反映低阻异常，当破碎区为空气时则会反映高阻异常。因此，高密度电法在隧道破碎带排查中具有良好的应用效果。

图2 高密度电法工作示意图

2.检测结果

2.1 隧道衬砌质量检测成果

通过地质雷达对衬砌质量进行检测，衬砌缺陷类型主要包括空洞、破碎段、衬砌脱空等。如图3所示，波形紊乱，为典型破碎段特征；如图4所示，产生绕射，为典型空洞特征；如图5所示，出现夹层反射，为典型衬砌脱空特征。

图3 衬砌缺陷（破碎段）

图4 衬砌缺陷（空洞）

图5 衬砌缺陷（衬砌脱空）

2.2 隧道下方基岩层破碎情况检测结果

通过高密度电法对基岩层破碎情况进行检测。如图6所示为一块异常过渡区，标号为g6，该区域电阻率明显高于这段区域两侧的电阻率，而在这段区域的两侧均有明显的低阻圈闭异常，推测是由断层下盘K4煤层采空区产生的空洞充水引起的。结合地质资料，该地区岩层面较陡，当采空区塌陷或基岩破碎时，难以形成良好的圈闭条件，水会沿着破裂面流走，从而形成一块相对高阻异常区，再结合测量时，对地表有水段和出水泉眼位置的记录，推测这一区域为破碎带。

图6 采空区破碎异常

2.3 综合分析与评价

隧道穿过采空区，采空区破碎带不均匀沉降，其应力与围岩有差异，再加上地层中有几套粗粒砂岩含水性强，经过长期水的搬运、剥蚀，使采空区极不稳定，采空区塌陷后仍然会在原地留下破碎带，甚至部分地区破碎带还会向外延伸。如图7所示，高密度电法检测出的6段异常区域的位置，均位于煤层采空区附近，通过探地雷达检测，也可以发现，雷达地面测线异常区域最多，侧壁和拱顶内部基岩破碎地段相对较少。

图7 综合物探对比图（上为地质雷达，下为高密度电法）

3.结语

本次将地质雷达法与高密度电法相结合的综合物探方法应用于隧道隐患排查治理中。实践结果表明，综合物探方法施工成本低、工作效率高、应用效果较好，能够查明隧道衬砌脱空、破碎段、空洞以及基岩层破碎带等隧道隐患发育分布情况，可以为隧道工程治理提供数据支撑。