關于對BEAM方法的試驗效果及評價①

杜春強 宋洪江 王君樓

摘要:錦屏二級水電站輔助洞及引水隧洞工程地質條件復雜,工程地質問題尤為突出,為進一步探測隧洞前方不良地質現象,引進德國研發的目前較為先進的隧洞鉆孔電法超前預報方法(簡稱BEAM)。論文結合地質雷達預報及開挖情況對BEAM方法作了初步認識及評價。

關鍵詞:BEAM地質雷達引水隧洞超前地質預報評價

中圖分類號:U21 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)04(c)-0052-01

BEAM是一種專門適用于隧洞探測的電法,與常規地面電法相比,BEAM利用了同性電極相排斥的原理,使用同極(正極)環型電極供電,無窮遠作負極,從而形成流向掌子面前方、類似聚光效應的聚集電流場,以便有效、精確測量掌子面前方一定范圍的巖石的電阻率值。

環型供電電極一般12支,等間距布置在掌子面外沿,打孔安置并注少量水耦合,測量電極也按環型布置,供6支,半徑小于供電環1m,該環型電極接入一個組合控制開關,由電法主控制機按一定的程序進行測量,從而得到一組有關該掌子面前方一定范圍內的電阻率數值空間分布情況。BEAM供電電流采用多頻方式供電,測量多個頻率狀態下的電阻率。由于巖體含水量多少是決定巖體電阻率值高低的重要因素,因此,實時測量掌子面前方巖體的電阻率,并進行綜合分析,具有科學性和實際意義。

1工程實例概況

AK4+439～AK4+469洞段出露地層為T32灰黑色千枚狀炭質板巖,含黃鐵礦晶體,層間石英脈及條帶較發育,局部夾厚0.1cm ～1cm泥炭質層,巖層產狀局部變化大,揉皺發育,總體呈NW/NE向;AK4+469～AK4+701洞段出露地層為T2b深灰、灰白、白色厚層大理巖,巖層產狀:N10°～25°E/NW,∠65°～80°。A洞進入大理巖后,目前已開挖洞段未發現溶洞或巖溶管道,但局部發育溶蝕裂隙,含水,沿近EW向裂隙面常有地下水出露,局部位置水流較集中,呈線狀,在AK4+697樁號處底板出露一股大水流,估計流量在70L/s左右。

2BEAM測試成果同表面地質雷達和實際開挖的比較

BEAM預報試驗洞段,同時也進行了表面雷達預報,現結合開挖結果對其進行分析、比較。BEAM及地質雷達預報均未發現前方存在大的巖溶管道、軟弱破碎帶等地質異常構造,巖性相對較好,這與開挖實際情況相吻合。同時對部分預報的異常位置及規模與實際開挖情況進行對比。

(1)AK4+460～AK4+496段BEAM法預報:從AK4+460～AK4+468段巖體中等破碎且不含水;在AK4+469處地層發生改變,地層改變含水特征是由“沒有”到“很小”;AK4+469～AK4+480段巖石中等破碎且少量含水。同時雷達預報掌子面前方AK4+ 469～AK4+480段存在異常,推斷AK4+469 ～AK4+473.5段為巖性分界面,AK4+ 473.5～AK4+480m為巖體破碎帶,局部含水。BEAM預報與雷達預報的結果比較吻合。從實際開挖情況來看,AK4+460～AK4+468段巖體破碎,AK4+470左右為板巖與大理巖的分界面,AK4+470～AK4+ 480段右壁存在溶蝕裂隙,有滲、滴水,局部呈線狀。預報與實際情況吻合較好。

(2)AK4+637～AK4+673段BEAM法預報:AK4+637～AK4+648段巖體中等破碎,地層由少量含水向不含水或極少量含水過渡;同時表面雷達也預報AK4+636～AK4+650段存在異常,解釋為裂隙密集帶,少量含水。BEAM預報與雷達預報的結果也比較吻合。AK4+648～AK4+663段巖石中等破碎,地層由不含水或極少量含水向少量含水過渡。從實際開挖情況來看,AK4+ 640～AK4+663段巖體中等破碎,局部洞段右壁少量滲水。預報與實際情況也較吻合。

(3)BEAM成果解釋:AK4+673～AK4 +686段巖體完整,地層不含水;AK4+686～AK4+694段巖體中等破碎,地層由不含水向含水過渡;至AK4+694處,視電阻率值R和頻率效應百分比PFE都達到了最低;樁號AK4+694～AK4+701段巖體由中等破碎逐漸向完整過渡,地層由少量含水向不含水過渡。

(4)雷達預報成果解釋:掌子面前方AK4+693～AK4+714樁號段存在異常,推斷為溶蝕裂隙密集帶,含水;樁號AK4+670 ～AK4+687段右壁15～7m深度范圍存在異常,解釋為溶蝕裂隙,局部溶蝕破碎,含水,延伸后將在AK4+702m左右與隧道右壁相交,在AK4+711左右穿出左壁。

(5)開挖驗證情況:樁號AK4+693～AK4+712段為裂隙密集帶,樁號AK4+697處存在一斷層并向前延伸,產狀:N70°E/NW,∠65°～85°,斷層帶寬0.6m,在右邊墻寬達3m,為方解石膠結的角礫巖,角礫直徑3cm～5cm,受斷層的影響,裂隙成密集帶發育,在右邊墻出現多點涌水。并在AK4+697m處底板出露一股大水流,估計流量在70L/s左右。

BEAM及地質雷達預報成果比較:兩種方法都預報了這一地質異常段,BEAM預報異常位置反映在AK4+694樁號附近,地質雷達預報范圍、位置與實際開挖基本相符,同時,地質雷達在洞軸延長線方向和掌子面左右斜前方的預報反映較全面。

3總體評價

(1)BEAM是一種電阻率數值預報方法,成果主要依據巖體電阻率值的低異常進行判別,目前只掌握了二維層面的技術,二維技術對前方較大的巖性變化界面、巖石破碎情況和含水情況預報具有一定的準確性和有效性,但對前方出現的裂隙、溶隙、溶蝕破碎及滲流水等較小異常體及現象的反映不如地質雷達明顯。

(2)BEAM用于鉆爆開挖施工必須每天進行測量、臺車配合,如斷斷續續,資料將無法分析,造成資料報廢,所以,需要施工緊密配合。

(3)BEAM法在實際隧洞超前地質預報中雖然不失為一種先進的預測方法,但隧洞超前地質預報涉及到的技術參數和影響組合因素眾多,如何從眾多信息中收集有用、真實的信息,是一項極其復雜而且系統的工作。因此,整合各種技術方法進行綜合超前預報,才是提高預報準確性、科學性的有效手段。

參考文獻

[1] 徐則明,黃潤秋．深埋特長隧道及其施工地質災害[M]．成都:西南交通大學出版社,2000.

[2] 王湘鋒．錦屏二級水電站深埋特長引水隧洞巖爆模擬及預測研究[D]．成都理工大學碩士論文,2006.