綜合物探方法在隧道隱患排查治理中的應用

劉金輝 陳杰 周慧瑩 何洪森 牛雙晨

（四川中成煤田物探工程院有限公司，四川成都 610072）

0.引言

近年來，川氣東送工程隧道內由于煤礦采空區變形，洞身出現變形破壞，使輸氣安全出現隱患，亟須排查治理。對隧道襯砌結構、基底破碎帶等檢測可以為工程治理提供必要、準確的數據支撐[1]。目前，對襯砌結構比較常見的檢測方法有：地質雷達法、多光譜分析法等[2]。其中，地質雷達法是一種無損、高效、直觀且精確的檢測方法，在隧道質量檢測中具有不可替代的作用[3]。高密度電法成本低、效率高、信息量豐富，對探查破碎帶、采空區等具有明顯優勢[4]。由于隧道區地質構造復雜，煤礦采空區多為數十年前的老采空區，直接進行治理施工難度極大。因此，本次使用地質雷達法和高密度電法相結合的綜合物探方法，對隧道襯砌結構及隧道下方采空區、破碎帶等進行隱患排查，為隧道工程隱患排查治理提供有效數據支撐。

1.物探方法原理

1.1 地質雷達法

地質雷達法通過一對天線的連續拖動獲得斷面的掃描圖像，由發射天線T向地下介質中發射一定主頻的電磁脈沖波，脈沖波遇到地下介質中的物性界面時，發生波的反射和透射；反射的電磁波傳回地面，通過接收天線R進行信號接收（見圖1），在電腦端存儲每一測點上波形序列的振幅及波的旅行時間，然后沿測線方向等間隔移動天線，在每一觀測點可獲取一個波形序列，進而每一條測線可以形成一條地質雷達剖面。

圖1 地質雷達系統示意圖

假如地質結構存在一些缺陷（襯砌脫空、破碎段、空洞等），在地質雷達數據中將會出現異常的特征反射，如果出現襯砌脫空時將產生夾層反射，出現空洞則會產生繞射現象等。因此，地質雷達法在隧道襯砌結構層劃分、缺陷檢測、隱患排查中具有較好的應用效果。

1.2 高密度電法

高密度電法是以地層的電性差異為基礎，探測在人工施加電場的作用下，地下電流傳播的分布規律，進而推斷地下地質體分布發育情況的一種地球物理勘探方法，工作流程如圖2所示。由于地下介質是非均勻各向異性的，從而對電流的阻礙作用也不同，當襯砌與基巖基礎面出現破損、脫空，或者基巖內部出現破碎、空洞時，電信號的傳播就會受到影響，例如當破碎區充水時，水是低阻體，測量結果就會反映低阻異常，當破碎區為空氣時則會反映高阻異常。因此，高密度電法在隧道破碎帶排查中具有良好的應用效果。

圖2 高密度電法工作示意圖

2.檢測結果

2.1 隧道襯砌質量檢測成果

通過地質雷達對襯砌質量進行檢測，襯砌缺陷類型主要包括空洞、破碎段、襯砌脫空等。如圖3所示，波形紊亂，為典型破碎段特征；如圖4所示，產生繞射，為典型空洞特征；如圖5所示，出現夾層反射，為典型襯砌脫空特征。

圖3 襯砌缺陷（破碎段）

圖4 襯砌缺陷（空洞）

圖5 襯砌缺陷（襯砌脫空）

2.2 隧道下方基巖層破碎情況檢測結果

通過高密度電法對基巖層破碎情況進行檢測。如圖6所示為一塊異常過渡區，標號為g6，該區域電阻率明顯高于這段區域兩側的電阻率，而在這段區域的兩側均有明顯的低阻圈閉異常，推測是由斷層下盤K4煤層采空區產生的空洞充水引起的。結合地質資料，該地區巖層面較陡，當采空區塌陷或基巖破碎時，難以形成良好的圈閉條件，水會沿著破裂面流走，從而形成一塊相對高阻異常區，再結合測量時，對地表有水段和出水泉眼位置的記錄，推測這一區域為破碎帶。

圖6 采空區破碎異常

2.3 綜合分析與評價

隧道穿過采空區，采空區破碎帶不均勻沉降，其應力與圍巖有差異，再加上地層中有幾套粗粒砂巖含水性強，經過長期水的搬運、剝蝕，使采空區極不穩定，采空區塌陷后仍然會在原地留下破碎帶，甚至部分地區破碎帶還會向外延伸。如圖7所示，高密度電法檢測出的6段異常區域的位置，均位于煤層采空區附近，通過探地雷達檢測，也可以發現，雷達地面測線異常區域最多，側壁和拱頂內部基巖破碎地段相對較少。

圖7 綜合物探對比圖（上為地質雷達，下為高密度電法）

3.結語

本次將地質雷達法與高密度電法相結合的綜合物探方法應用于隧道隱患排查治理中。實踐結果表明，綜合物探方法施工成本低、工作效率高、應用效果較好，能夠查明隧道襯砌脫空、破碎段、空洞以及基巖層破碎帶等隧道隱患發育分布情況，可以為隧道工程治理提供數據支撐。