关于对BEAM方法的试验效果及评价①

杜春强 宋洪江 王君楼

摘要:锦屏二级水电站辅助洞及引水隧洞工程地质条件复杂,工程地质问题尤为突出,为进一步探测隧洞前方不良地质现象,引进德国研发的目前较为先进的隧洞钻孔电法超前预报方法(简称BEAM)。论文结合地质雷达预报及开挖情况对BEAM方法作了初步认识及评价。

关键词:BEAM地质雷达引水隧洞超前地质预报评价

中图分类号:U21 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)04(c)-0052-01

BEAM是一种专门适用于隧洞探测的电法,与常规地面电法相比,BEAM利用了同性电极相排斥的原理,使用同极(正极)环型电极供电,无穷远作负极,从而形成流向掌子面前方、类似聚光效应的聚集电流场,以便有效、精确测量掌子面前方一定范围的岩石的电阻率值。

环型供电电极一般12支,等间距布置在掌子面外沿,打孔安置并注少量水耦合,测量电极也按环型布置,供6支,半径小于供电环1m,该环型电极接入一个组合控制开关,由电法主控制机按一定的程序进行测量,从而得到一组有关该掌子面前方一定范围内的电阻率数值空间分布情况。BEAM供电电流采用多频方式供电,测量多个频率状态下的电阻率。由于岩体含水量多少是决定岩体电阻率值高低的重要因素,因此,实时测量掌子面前方岩体的电阻率,并进行综合分析,具有科学性和实际意义。

1工程实例概况

AK4+439～AK4+469洞段出露地层为T32灰黑色千枚状炭质板岩,含黄铁矿晶体,层间石英脉及条带较发育,局部夹厚0.1cm ～1cm泥炭质层,岩层产状局部变化大,揉皱发育,总体呈NW/NE向;AK4+469～AK4+701洞段出露地层为T2b深灰、灰白、白色厚层大理岩,岩层产状:N10°～25°E/NW,∠65°～80°。A洞进入大理岩后,目前已开挖洞段未发现溶洞或岩溶管道,但局部发育溶蚀裂隙,含水,沿近EW向裂隙面常有地下水出露,局部位置水流较集中,呈线状,在AK4+697桩号处底板出露一股大水流,估计流量在70L/s左右。

2BEAM测试成果同表面地质雷达和实际开挖的比较

BEAM预报试验洞段,同时也进行了表面雷达预报,现结合开挖结果对其进行分析、比较。BEAM及地质雷达预报均未发现前方存在大的岩溶管道、软弱破碎带等地质异常构造,岩性相对较好,这与开挖实际情况相吻合。同时对部分预报的异常位置及规模与实际开挖情况进行对比。

(1)AK4+460～AK4+496段BEAM法预报:从AK4+460～AK4+468段岩体中等破碎且不含水;在AK4+469处地层发生改变,地层改变含水特征是由“没有”到“很小”;AK4+469～AK4+480段岩石中等破碎且少量含水。同时雷达预报掌子面前方AK4+ 469～AK4+480段存在异常,推断AK4+469 ～AK4+473.5段为岩性分界面,AK4+ 473.5～AK4+480m为岩体破碎带,局部含水。BEAM预报与雷达预报的结果比较吻合。从实际开挖情况来看,AK4+460～AK4+468段岩体破碎,AK4+470左右为板岩与大理岩的分界面,AK4+470～AK4+ 480段右壁存在溶蚀裂隙,有渗、滴水,局部呈线状。预报与实际情况吻合较好。

(2)AK4+637～AK4+673段BEAM法预报:AK4+637～AK4+648段岩体中等破碎,地层由少量含水向不含水或极少量含水过渡;同时表面雷达也预报AK4+636～AK4+650段存在异常,解释为裂隙密集带,少量含水。BEAM预报与雷达预报的结果也比较吻合。AK4+648～AK4+663段岩石中等破碎,地层由不含水或极少量含水向少量含水过渡。从实际开挖情况来看,AK4+ 640～AK4+663段岩体中等破碎,局部洞段右壁少量渗水。预报与实际情况也较吻合。

(3)BEAM成果解释:AK4+673～AK4 +686段岩体完整,地层不含水;AK4+686～AK4+694段岩体中等破碎,地层由不含水向含水过渡;至AK4+694处,视电阻率值R和频率效应百分比PFE都达到了最低;桩号AK4+694～AK4+701段岩体由中等破碎逐渐向完整过渡,地层由少量含水向不含水过渡。

(4)雷达预报成果解释:掌子面前方AK4+693～AK4+714桩号段存在异常,推断为溶蚀裂隙密集带,含水;桩号AK4+670 ～AK4+687段右壁15～7m深度范围存在异常,解释为溶蚀裂隙,局部溶蚀破碎,含水,延伸后将在AK4+702m左右与隧道右壁相交,在AK4+711左右穿出左壁。

(5)开挖验证情况:桩号AK4+693～AK4+712段为裂隙密集带,桩号AK4+697处存在一断层并向前延伸,产状:N70°E/NW,∠65°～85°,断层带宽0.6m,在右边墙宽达3m,为方解石胶结的角砾岩,角砾直径3cm～5cm,受断层的影响,裂隙成密集带发育,在右边墙出现多点涌水。并在AK4+697m处底板出露一股大水流,估计流量在70L/s左右。

BEAM及地质雷达预报成果比较:两种方法都预报了这一地质异常段,BEAM预报异常位置反映在AK4+694桩号附近,地质雷达预报范围、位置与实际开挖基本相符,同时,地质雷达在洞轴延长线方向和掌子面左右斜前方的预报反映较全面。

3总体评价

(1)BEAM是一种电阻率数值预报方法,成果主要依据岩体电阻率值的低异常进行判别,目前只掌握了二维层面的技术,二维技术對前方较大的岩性变化界面、岩石破碎情况和含水情况预报具有一定的准确性和有效性,但对前方出现的裂隙、溶隙、溶蚀破碎及渗流水等较小异常体及现象的反映不如地质雷达明显。

(2)BEAM用于钻爆开挖施工必须每天进行测量、台车配合,如断断续续,资料将无法分析,造成资料报废,所以,需要施工紧密配合。

(3)BEAM法在实际隧洞超前地质预报中虽然不失为一种先进的预测方法,但隧洞超前地质预报涉及到的技术参数和影响组合因素众多,如何从众多信息中收集有用、真实的信息,是一项极其复杂而且系统的工作。因此,整合各种技术方法进行综合超前预报,才是提高预报准确性、科学性的有效手段。

参考文献

[1] 徐则明,黄润秋．深埋特长隧道及其施工地质灾害[M]．成都:西南交通大学出版社,2000.

[2] 王湘锋．锦屏二级水电站深埋特长引水隧洞岩爆模拟及预测研究[D]．成都理工大学硕士论文,2006.