高密度電法在隧道超前地質預報中的應用

余左清 廖聲林

隨著我國國民經濟的高速發展和西部大開發戰略的深入實施,公路等基礎設施在西南山區的建設規模日益擴大,公路隧道數量也越來越多。而我國西南山高谷深,修建公路時常采用隧道方案穿越山嶺。不良地質體,比如斷層、裂隙、巖溶等常常成為我國隧道建設當中遇到的最主要也是最難以解決的問題。若能準確地在隧道掘進中提前了解掌子面前方巖性結構的變化情況,如預報掘進前方是否有斷層、破碎帶、溶洞等不良地質構造,這些構造的幾何形態如何,規模的大小,根據所掌握的這些地質構造情況,可及時合理地安排掘進進度、修正施工方案、安排防護措施、避免險情發生[1]。它是實現隧道的科學施工和信息化管理的首要前提,本文即是通過高密度電法來實現這一前提的。

1 高密度電阻率法原理簡介[2]

高密度電阻率法(簡稱高密度電法)是一種陣列勘探方法,也稱自動電阻率系統,是直流電法的發展,其功能相當于四極測深與電剖面法的結合,其工作系統見圖1。通過電極向地下供電形成人工電場,其電場的分布與地下巖土介質的電阻率ρ的分布密切相關,通過對地表不同部位人工電場的測量,了解地下介質視電阻率ρs的分布,根據巖土介質視電阻率的分布推斷解釋地下地質結構。該方法對圍巖的含水情況特別敏感,圍巖破碎含水,其視電阻率明顯降低,完整、堅硬巖土的視電阻率明顯高于斷層帶或破碎帶和富水帶圍巖的視電阻率。這種方法原理清晰,圖像直觀,是一種分辨率較高的物探方法。近年來隨著計算機數據采集技術的改進,使勘探效率大大提高,增大了剖面的覆蓋面積和探測深度,在強干擾的環境下也能取得可靠數據,大大地提高了信噪比,可準確地探測地質體。本文高密度電法測量選用的是工程勘察中最常用的溫納裝置(見圖2)。測量時,AM=MN=NB=AB/3為一個電極間距,探測深度為 AB/3,A,B,M,N逐點同時向右移動,得到第一層剖面線;接著 AM,MN,NB增大一個電極間距,A,B,M,N逐點同時向右移動,得到另一層剖面線;這樣不斷掃描測量下去,得到倒梯形地質斷面。

2 工程實例

戌街隧道位于楚雄州元(元謀)—雙(雙柏)二級公路4合同姚新村段,分界段里程為K22+365～K23+287,分界段全長 922 m。測區屬構造剝蝕長垣狀中低山地形地貌,地形切割較強烈,地勢起伏較大,地表植被稀少。1)地形地貌。戌街隧道位于云南省牟定縣戌街鄉水橋村境內,地處姚興村與地石么村之間的山梁部位,系龍川支流姚興村河與古巖河的分水嶺,屬構造剝蝕長垣狀中低山地形地貌,穿越低中山、中山區,屬剝蝕構造低中山、中山地貌,植被不發育,地形縱坡起伏較大,自然坡度一般多在30°～40°之間,局部大于45°,坡面沖溝很發育,切割較強烈,為山嶺重丘區。2)地層巖性。隧道線路區內出露的地層巖性自上而下為:a.第四系殘坡積(Qel+dl4)粉質黏土:地表覆蓋層,為灰褐、灰黃色,可塑～硬塑,土質不均,含少量石英角礫,局部夾碎、塊石,厚度0 m～5.0 m,分布不連續,主要分布于隧道進出口端及地勢平緩地段。b.下伏基巖:巖性主要為華力西期(γ 4)花崗巖,上部呈全風化角礫狀,具球狀風化,偶夾中風化巖塊,中部呈強風化碎石狀,節理裂隙很發育,巖體破碎,巖質較堅硬,下部呈中風化碎塊～大塊狀,節理裂隙較發育,巖體較完整,巖質堅硬,差異性風化較重。

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)沿隧道軸線布置了1條高密度電阻率法成像探測剖面。測線有效長度945 m,布置有效電極 190個。電極距 5 m,采集30層,測深150 m。共兩個排列,排列間重復 100 m。

2)完成工作量。本次工作實際完成的工作量為:高密度電法剖面1條,剖面有效長945 m,測深點190個。

4 高密度電法勘察成果

K22+355～ K22+612段 :視電阻率值較低,小于 500 Ω?m;推測圍巖為全～強風化花崗巖,節理裂隙很發育,巖體破碎呈角(礫)碎(石)狀松散結構,含風化裂隙水,開挖后無支護時拱頂易發生坍塌,圍巖穩定性較差,拱頂若無及時并加強支護,會出現坍塌、側壁失穩。圍巖級別為V級。K22+612～K22+812段:視電阻率值相對較低,大多在500 Ω?m～1 500 Ω?m;推測圍巖為中風化花崗巖,節理裂隙發育,巖體呈塊碎～碎石狀壓碎結構,含少量裂隙水,自穩能力較差,開挖后無及時支護時拱頂易掉塊,拱頂無支護會出現掉塊和小坍塌,側壁穩定性一般。圍巖級別為Ⅳ級。K22+812～K22+934段:視電阻率值較高,大多在 1 000 Ω?m～5 000 Ω?m;推測圍巖為中～微風化花崗巖,節理裂隙稍發育,巖體較完整,巖質堅硬,巖體呈塊(石)碎(石)狀鑲嵌結構,含少量裂隙水,自穩能力較好,開挖后無及時支護時拱頂有掉塊可能或可產生小坍塌,側壁穩定性較好。圍巖級別為Ⅲ級。K22+934～K23+030段:視電阻率值相對較低,大多在 1000 Ω?m～ 1 800Ω?m;推測圍巖為中風化花崗巖,節理裂隙發育,巖體呈塊碎～碎石狀壓碎結構,含少量裂隙水,自穩能力較差,開挖后無及時支護時拱頂易掉塊,拱頂無支護會出現掉塊和小坍塌,側壁穩定性一般。圍巖級別為Ⅳ級。K23+030～K23+147段:視電阻率值較高,大多在 1 800 Ω?m～ 3 000 Ω?m;推測圍巖為中～ 微風化花崗巖,節理裂隙稍發育,巖體較完整,巖質堅硬,巖體呈塊(石)碎(石)狀鑲嵌結構,含少量裂隙水,自穩能力較好,開挖后無及時支護時拱頂有掉塊可能或可產生小坍塌,側壁穩定性較好。圍巖級別為Ⅲ級。K23+147～ K23+300 段:視電阻率值較低,小于 1 500 Ω?m;推測圍巖為全～強風化花崗巖,節理裂隙很發育,巖體破碎呈角(礫)碎(石)狀松散結構,含風化裂隙水,開挖后無支護時拱頂易發生坍塌,圍巖穩定性較差,拱頂若無及時加強支護,會出現坍塌、側壁失穩。圍巖級別為Ⅴ級。

4.1 勘察結論

綜合地質調查和高密度電法視電阻率圖像內容,得出如下結論:1)隧道經過區巖性相對較為簡單,主要為花崗巖,受區域性斷裂及區內層間褶曲影響,整體上巖體較為破碎,完整性相對較差。2)此次電法探測的不利地段(共4處,特別是 K22+375～K22+470,K22+540～K22+610段視電阻率值低),隧道開挖至上述地段時,為防出現突發性地質災害,應提前采取預防措施,確保施工質量和進度。3)隧道進出口端視電阻率值相對較低,巖體極為破碎,圍巖級別多為V級。開挖無支護時易發生崩塌。

4.2 施工建議

1)隧道進出口端開挖時應及時做好支護及排水工作,防止坍塌。2)此次電法探測的不利地段(共4處,特別是K22+375～K22+470,K22+540～K22+610段視電阻率值低),隧道開挖至上述地段時,為防出現突發性地質災害,應提前采取預防措施,確保施工質量和進度。

5 結語

本文通過實例,展示了高密度電法在隧道地質超前預報中快速、經濟、準確、直觀的特點。須指出,高密度電法作為以巖土體的電性差異為基礎的物探方法,在實際工作中野外方法技術選擇上應根據不同的勘探目的,合理布置勘探剖面,采用合適的裝置、電極距,才能達到最好的應用效果。在高密度電法資料解釋上,一定要結合現場地質情況,并結合其他物探方法,或鉆孔資料進行綜合分析[2],以達到準確解決不同地質問題的目的。

[1] 何發亮,李蒼松,陳成宗.隧道地質超前預報[M].成都:西南交通大學出版社,2006.

[2] 傅良魁.應用地球物理教程——電法勘探[M].北京:地質出版社,1991.

[3] 葛如冰,黃偉義.高密度電阻率法在灰巖地區的應用研究[J].物探與化探,1999(1):36-38.

[4] 姚 偉.高密度電法在隧道勘察中的應用分析[J].山西建筑,2009,35(29):319-321.