全方位綜合超前探測技術在隧洞開挖中的安全預警應用研究

雷皓　張衛軍　季慶輝　陳雁鳴

摘 要：為保障鄂北地區水資源配置工程隧洞開挖的正常進行，及早發現影響施工安全的隱患因素，本文選用了直流電法、瞬變電磁法、地震波法等方法，利用隧洞埋深淺的特點在隧洞地表和掌子面形成“全方位綜合超前探測技術”。該技術在鄂北地區水資源配置工程興隆～萬福段隧洞的探測應用中基于隧洞圍巖的多物性參數（電阻率、反射系數、波速），對開挖前方的強風化帶、破碎帶、富水區等不良地質條件進行長距離超前預報。驗證表明該方法具有良好的施工高效性和工程適用性，可為鄂北調水淺埋隧洞順利開挖發揮較可靠的地質預報和安全預警作用。

關鍵詞：鄂北調水；淺埋隧洞開挖；綜合物探；安全預警

中圖分類號：TV22；TV91；U45 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）07-0075-03

1 引言

鄂北地區水資源配置工程是從丹江口水庫引水，向唐東地區、隨州府澴河北區以及大悟澴水區供水，解決湖北省鄂北地區干旱缺水問題的大型水資源配置工程。工程輸水隧洞總長119.43km，占整個引水線路總長的44.3%，且多為埋深30～40m的淺埋隧洞。由于隧洞延展的距離長，區內地層、構造和水文等工程地質條件變化大，存在著強風化巖土體的變形破壞、洞室圍巖變形破壞、隧洞突水突泥、大埋深隧洞的巖爆、有害氣體或放射性元素等不良工程地質問題。

目前隧洞超前地質預報技術中地球物理探測技術具有探測成本低、施工效率高、物性參數多的優勢，已成為保障隧洞開挖過程中重要的安全保障技術手段。

本文介紹了直流電法、面波法、瞬變電磁法、地震波法在鄂北地區水資源配置工程隧洞施工中探測應用過程，并形成適用于淺埋隧洞的“全方位綜合超前探測技術”，該方法技術對預報隧洞前方的強風化帶、集中破碎帶、地下水富集區等不良地質體具有較好的適用性。

2 地質條件與探測方法選擇

2.1 隧洞地質條件

鄂北地區水資源配置工程55座隧洞中平均埋深介于17～66m的有53座，隧洞埋深小，多為淺埋隧洞。隧洞累計長度達119.43km，穿過多個不同地層，巖性變化快，隧道圍巖完整性、穩定性差，不良地質現象類型多。

本文所探測的興隆～萬福段隧洞位于輸水線路樁號142+330～157+710。探測預報段樁號為142+330～143+050，沿線為低山丘陵地形，表層為厚度不均的第四系中更新統閻莊組（Q2ydl）：粘土、含礫粘土、含鈣質結核；隧洞圍巖為揚子期灰綠色變輝長輝綠巖，呈弱風化～微風化狀，屬IV類圍巖，不穩定。

2.2 探測方法選擇

結合隧道地質條件、充分利用淺埋隧道的特點，將地面探測和掌子面探測相結合，將巖土體的彈性性質（地震方法）和電性性質（電磁法）相結合，實現對隧洞開挖前方的立體全方位、綜合探測。選擇的具體方法有：①直流電阻率法（地面）：沿地面隧道軸線探測，獲取沿軸線的巖土體電性變化。②瞬態面波法（地面）：沿地面隧道軸線探測，獲取沿軸線的巖土體速度變化。③瞬變電磁法（掌子面）：獲取掌子面前方巖土體的電性變化，評價賦水變化。④反射地震法（掌子面）：獲取掌子面前方巖土體的速度變化，評價其破碎程度、完整性變化。

3 探測布置與數據處理

3.1 地面測線布置

地面測線覆蓋隧洞已開挖段與掌子面前方未開挖段。起點距掌子面后方50～100m，即從已知到未知，用已開挖段的資料建立物性聯系與標準。測線方向一般沿隧洞軸線，測點距3～5m。測線遇障礙物時（如河流）可平移并增加垂直檢查測線。

本次探測時掌子面位置位于里程142+670。地面電法測線沿隧道軸線布置，起點里程為142+620，實測高程為147.695m；終點里程為142+950，實測高程為146.937m，測點間距3m，測線長330m。多道面波測線同樣沿軸線布置，起點里程142+620，終點142+820，測點距2m，測線總長200m（如圖1）。測線所經區域為農田，起伏較小，接觸介質為松散粘土。

3.2 掌子面測線布置

掌子面測線利用在當日掌子面空間布置，瞬變電磁采用扇形測線，測點數15個，間距0.5m。地震反射沿掌子面和邊墻布置U形系統，5個接收點布置在掌子面中心，間距1m；6個炮點布置在左右側幫，炮間距1m，距掌子面偏移距2.5m。

本次探測時掌子面位置位于里程142+670。掌子面探測布置見圖2。

3.3 數據處理方法

本次面波探測數據處理采用加拿大驕佳技術公司Giga Surface plus軟件，將地震振動波形數據基于頻散特性，處理成果為測線下方巖土層的面波速度剖面圖。

電法數據處理在WBDPro、Res2DInv軟件平臺上進行，成果主要為沿隧洞軸線下方的電阻率剖面圖。

掌子面反射地震數據采用安徽理工大學的MSP處理軟件進行，可實現掌子面任意觀測系統的反射地震數據的處理，成果圖有掌子面前方反射深度地震剖面和反射界面剖面。

掌子面瞬變電磁原始數據為前方巖土體的二次場感覺電動勢數據，需要處理成電磁法的視電阻率數據。本次瞬變電磁處理的平臺為華虹智能科技股份有限公司編制的YCS512處理軟件，成果圖為各個探測方向的視電阻率剖面。

4 探測成果與分析

4.1 地面探測成果

本次興隆～萬福隧洞142+620～142+950段地面探測成果如圖3所示。由圖3波速度剖面中速度特征可見，在里程142+735兩側速度差異明顯，左側速度低且低速層厚度大，右側速度高且低速層厚度薄，根據現場條件低速層反映了表面土層的厚度。可見基巖埋深有明顯起伏，里程142+620～735段比142+735～820段埋深大，且142+620～735段基巖風化程度較高。推斷在里程142+735處存在斷層構造。在隧洞所經位置上，在里程142+735兩側巖體風化程度、完整性差異明顯，小里程段巖體為強風化，巖體節理裂隙發育，圍巖整體等級V級；大里程段巖體相對稍完整，巖體中等偏強風化，圍巖等級為IV級，局部為V級。

根據電阻率的橫向變化可進一步對隧道所經位置細化為4段分別解釋：①142+670～ 142+735里程段電阻率中等，較均勻，根據掌子面實際圍巖為中等至強風化、節理裂隙發育，存在裂隙水，圍巖為IV～V級。②142+735～142+771里程段，該段電阻率值減小且淺部低阻異常區溝通，認為該段基巖風化程度為強風化，節理裂隙或構造發育，巖體較破碎，裂隙充水明顯，圍巖等級為V級。③142+771～142+910里程段，該段電阻率整體較高且均勻，認為該段巖體相對完整，巖體中等風華，裂隙水不豐富，圍巖等級為IV級。④142+910～142+950里程段，該段電阻率降低且與淺部低阻區溝通，認為該段基巖風化程度為中等至強風化，節理裂隙發育，巖體較破碎，裂隙充水明顯，圍巖等級為V級。

4.2 掌子面探測成果

本次興隆～萬福隧洞142+620～142+950段掌子面探測成果如圖4所示。

根據反射地震剖面中的反射界面可解釋掌子面前方的巖體的巖性變化帶、裂隙帶等不均一地質體，利用瞬變電磁的低阻區可分析前方的裂隙含水程度。

由圖4剖面圖可見：①掌子面前方在里程142+705～142+725段反射界面較集中，在里程142+690、+707、+717處提取出3組反射界面，認為在反射界面處的巖體裂隙節理發育，巖體較破碎，完整較差。②掌子面瞬變電磁探測段內整體電阻率較小且不均勻，局部有低阻異常區。反映出掌子面前方巖體風化程度較高，局部裂隙富水。

5 驗證與結論

目前上述隧洞探測段已全部開挖，探測預報資料和隧洞實際開挖揭露的地質條件基本一致，對隧洞的安全開挖起到較好的指導作用。

本文結合隧道地質條件、充分利用淺埋隧道的特點，將地面探測和掌子面探測相結合，多種物探方法相結合，經過方法論證、現場試驗、探掘驗證，已初步形成一套適合鄂北引水隧洞工程地質條件的“全方位綜合超前探測技術”。該方法技術具有低成本、高效性，同時具備良好工程現場適應性、地質成果適用性等優點，但仍存在缺少物性-圍巖等級解釋的定量標準、面波深部分辨力及瞬變電磁超前探測分辨力不夠精細等問題。綜上，本文所述及的方法技術可持續用于鄂北地區水資源配置工程隧洞開挖過程中的地質預報與安全預警。

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本論文由湖北省水利重點科研項目（HBSLKY201602）資助