全方位综合超前探测技术在隧洞开挖中的安全预警应用研究

    雷皓　张卫军　季庆辉　陈雁鸣

    摘 要：为保障鄂北地区水资源配置工程隧洞开挖的正常进行，及早发现影响施工安全的隐患因素，本文选用了直流电法、瞬变电磁法、地震波法等方法，利用隧洞埋深浅的特点在隧洞地表和掌子面形成“全方位综合超前探测技术”。该技术在鄂北地区水资源配置工程兴隆～万福段隧洞的探测应用中基于隧洞围岩的多物性参数（电阻率、反射系数、波速），对开挖前方的强风化带、破碎带、富水区等不良地质条件进行长距离超前预报。验证表明该方法具有良好的施工高效性和工程适用性，可为鄂北调水浅埋隧洞顺利开挖发挥较可靠的地质预报和安全预警作用。

    关键词：鄂北调水；浅埋隧洞开挖；综合物探；安全预警

    中图分类号：TV22；TV91；U45 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）07-0075-03

    1 引言

    鄂北地区水资源配置工程是从丹江口水库引水，向唐东地区、随州府澴河北区以及大悟澴水区供水，解决湖北省鄂北地区干旱缺水问题的大型水资源配置工程。工程输水隧洞总长119.43km，占整个引水线路总长的44.3%，且多为埋深30～40m的浅埋隧洞。由于隧洞延展的距离长，区内地层、构造和水文等工程地质条件变化大，存在着强风化岩土体的变形破坏、洞室围岩变形破坏、隧洞突水突泥、大埋深隧洞的岩爆、有害气体或放射性元素等不良工程地质问题。

    目前隧洞超前地质预报技术中地球物理探测技术具有探测成本低、施工效率高、物性参数多的优势，已成为保障隧洞开挖过程中重要的安全保障技术手段。

    本文介绍了直流电法、面波法、瞬变电磁法、地震波法在鄂北地区水资源配置工程隧洞施工中探测应用过程，并形成适用于浅埋隧洞的“全方位综合超前探测技术”，该方法技术对预报隧洞前方的强风化带、集中破碎带、地下水富集区等不良地质体具有较好的适用性。

    2 地质条件与探测方法选择

    2.1 隧洞地质条件

    鄂北地区水资源配置工程55座隧洞中平均埋深介于17～66m的有53座，隧洞埋深小，多为浅埋隧洞。隧洞累计长度达119.43km，穿过多个不同地层，岩性变化快，隧道围岩完整性、稳定性差，不良地质现象类型多。

    本文所探測的兴隆～万福段隧洞位于输水线路桩号142+330～157+710。探测预报段桩号为142+330～143+050，沿线为低山丘陵地形，表层为厚度不均的第四系中更新统阎庄组（Q2ydl）：粘土、含砾粘土、含钙质结核；隧洞围岩为扬子期灰绿色变辉长辉绿岩，呈弱风化～微风化状，属IV类围岩，不稳定。

    2.2 探测方法选择

    结合隧道地质条件、充分利用浅埋隧道的特点，将地面探测和掌子面探测相结合，将岩土体的弹性性质（地震方法）和电性性质（电磁法）相结合，实现对隧洞开挖前方的立体全方位、综合探测。选择的具体方法有：①直流电阻率法（地面）：沿地面隧道轴线探测，获取沿轴线的岩土体电性变化。②瞬态面波法（地面）：沿地面隧道轴线探测，获取沿轴线的岩土体速度变化。③瞬变电磁法（掌子面）：获取掌子面前方岩土体的电性变化，评价赋水变化。④反射地震法（掌子面）：获取掌子面前方岩土体的速度变化，评价其破碎程度、完整性变化。

    3 探测布置与数据处理

    3.1 地面测线布置

    地面测线覆盖隧洞已开挖段与掌子面前方未开挖段。起点距掌子面后方50～100m，即从已知到未知，用已开挖段的资料建立物性联系与标准。测线方向一般沿隧洞轴线，测点距3～5m。测线遇障碍物时（如河流）可平移并增加垂直检查测线。

    本次探测时掌子面位置位于里程142+670。地面电法测线沿隧道轴线布置，起点里程为142+620，实测高程为147.695m；终点里程为142+950，实测高程为146.937m，测点间距3m，测线长330m。多道面波测线同样沿轴线布置，起点里程142+620，终点142+820，测点距2m，测线总长200m（如图1）。测线所经区域为农田，起伏较小，接触介质为松散粘土。

    3.2 掌子面测线布置

    掌子面测线利用在当日掌子面空间布置，瞬变电磁采用扇形测线，测点数15个，间距0.5m。地震反射沿掌子面和边墙布置U形系统，5个接收点布置在掌子面中心，间距1m；6个炮点布置在左右侧帮，炮间距1m，距掌子面偏移距2.5m。

    本次探测时掌子面位置位于里程142+670。掌子面探测布置见图2。

    3.3 数据处理方法

    本次面波探测数据处理采用加拿大骄佳技术公司Giga Surface plus软件，将地震振动波形数据基于频散特性，处理成果为测线下方岩土层的面波速度剖面图。

    电法数据处理在WBDPro、Res2DInv软件平台上进行，成果主要为沿隧洞轴线下方的电阻率剖面图。

    掌子面反射地震数据采用安徽理工大学的MSP处理软件进行，可实现掌子面任意观测系统的反射地震数据的处理，成果图有掌子面前方反射深度地震剖面和反射界面剖面。

    掌子面瞬变电磁原始数据为前方岩土体的二次场感觉电动势数据，需要处理成电磁法的视电阻率数据。本次瞬变电磁处理的平台为华虹智能科技股份有限公司编制的YCS512处理软件，成果图为各个探测方向的视电阻率剖面。

    4 探测成果与分析

    4.1 地面探测成果

    本次兴隆～万福隧洞142+620～142+950段地面探测成果如图3所示。由图3波速度剖面中速度特征可见，在里程142+735两侧速度差异明显，左侧速度低且低速层厚度大，右侧速度高且低速层厚度薄，根据现场条件低速层反映了表面土层的厚度。可见基岩埋深有明显起伏，里程142+620～735段比142+735～820段埋深大，且142+620～735段基岩风化程度较高。推断在里程142+735处存在断层构造。在隧洞所经位置上，在里程142+735两侧岩体风化程度、完整性差异明显，小里程段岩体为强风化，岩体节理裂隙发育，围岩整体等级V级；大里程段岩体相对稍完整，岩体中等偏强风化，围岩等级为IV级，局部为V级。

    根据电阻率的横向变化可进一步对隧道所经位置细化为4段分别解释：①142+670～ 142+735里程段电阻率中等，较均匀，根据掌子面实际围岩为中等至强风化、节理裂隙发育，存在裂隙水，围岩为IV～V级。②142+735～142+771里程段，该段电阻率值减小且浅部低阻异常区沟通，认为该段基岩风化程度为强风化，节理裂隙或构造发育，岩体较破碎，裂隙充水明显，围岩等级为V级。③142+771～142+910里程段，该段电阻率整体较高且均匀，认为该段岩体相对完整，岩体中等风华，裂隙水不丰富，围岩等级为IV级。④142+910～142+950里程段，该段电阻率降低且与浅部低阻区沟通，认为该段基岩风化程度为中等至强风化，节理裂隙发育，岩体较破碎，裂隙充水明显，围岩等级为V级。

    4.2 掌子面探测成果

    本次兴隆～万福隧洞142+620～142+950段掌子面探测成果如图4所示。

    根据反射地震剖面中的反射界面可解释掌子面前方的岩体的岩性变化带、裂隙带等不均一地质体，利用瞬变电磁的低阻区可分析前方的裂隙含水程度。

    由图4剖面图可见：①掌子面前方在里程142+705～142+725段反射界面较集中，在里程142+690、+707、+717处提取出3组反射界面，认为在反射界面处的岩体裂隙节理发育，岩体较破碎，完整较差。②掌子面瞬变电磁探测段内整体电阻率较小且不均匀，局部有低阻异常区。反映出掌子面前方岩体风化程度较高，局部裂隙富水。

    5 验证与结论

    目前上述隧洞探测段已全部开挖，探测预报资料和隧洞实际开挖揭露的地质条件基本一致，对隧洞的安全开挖起到较好的指导作用。

    本文结合隧道地质条件、充分利用浅埋隧道的特点，将地面探测和掌子面探测相结合，多种物探方法相结合，经过方法论证、现场试验、探掘验证，已初步形成一套适合鄂北引水隧洞工程地质条件的“全方位综合超前探测技术”。该方法技术具有低成本、高效性，同时具备良好工程现场适应性、地质成果适用性等优点，但仍存在缺少物性-围岩等级解释的定量标准、面波深部分辨力及瞬变电磁超前探测分辨力不够精细等问题。综上，本文所述及的方法技术可持续用于鄂北地区水资源配置工程隧洞开挖过程中的地质预报与安全预警。

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    本论文由湖北省水利重点科研项目（HBSLKY201602）资助