公路隧道复杂采空区综合探测技术

刘子松，高永涛，2，吴顺川，蒲文明，赵国军

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083；3.中电建路桥集团有限公司，北京 100048)

公路隧道复杂采空区综合探测技术

刘子松1，高永涛1，2，吴顺川1，蒲文明3，赵国军3

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083；3.中电建路桥集团有限公司，北京 100048)

摘要：由于山岭地区矿山的无序开采，形成的采空区对隧道建设和长期运营造成安全威胁。为确定采空区状况，首先分析了工程地质情况，然后在分析各种探测方法原理和特点的基础上，提出了AGI、EH4深浅结合探测和TGP、GPR长短结合综合探测方案。以礼让隧道为工程实例，结合地形地貌对复杂采空区段进行综合探测，经数据及结果分析后得到了采空区纵断面分布图，并将探测结果与实际工况做比较，表明此种方案能够规避单一探测方法的多解性与局限性，可较为准确的判断采空区位置与范围，为隧道线路设计、空区危害性评估及其防治提供依据。

关键词：隧道工程；采空区；探测技术

我国西南山岭地区存在许多小型煤矿金属矿，其中许多矿山都存在开采秩序混乱、采掘资料缺失等现象。所留下的老窑和小煤窑采空区大多为房柱式开采，开采系统极不规范，巷道和采区形态变化多样，并且受地下水、地应力等因素的长期影响，其状态和性质复杂[1]。

近几年来，随着我国山岭地区高速公路、铁路的大力建设，隧道工程涉及的范围广，运营年限长，对长期稳定性具有较高的要求，采空区分布规律差、隐伏性强、空区充填情况不统一等特点给隧道工程安全建设带来巨大威胁，因此采空区探测已经成为一项必然性和实用性极强的研究课题。利用先进的物探设备和技术进行采空区的探测，具有简单快速、节约成本的优势。但是各种物探方法都有自己的优缺点和适用范围，并具有多解性[2-6]，因此，单一的探测手段在复杂地形地质及开采条件下很难准确探明采空区的分布情况。

以礼让隧道隐伏采空区为实例，分析各种探测方法的原理和特点，依据实际工程地质情况选择合理的物探方法组合并提出有效探测方案，将探测结果进行分析、整理，并作为隧道线路设计、空区危害性评估及其防治的有力依据，最后根据实际揭露的地质情况评价探测方法的适用性和探测方案的合理性。

1工程概况

重庆市礼让隧道设计全长5519m，为特长隧道，线路平均设计标高540m，穿越梁平县境内明月山，是在建梁忠高速公路重点及控制性工程。隧道区域煤层分布较多，且煤层的分布不均，厚度变化大，开采情况不明确，具极不稳定的特点。煤层赋存于三叠系上统地层，受地质构造运动的作用，背斜两翼倾角差别大，南东翼倾角陡(63～73°)，北西翼煤层倾角平缓(20～30°)。其中背斜左翼ZK13+100～ZK13+700标段煤层采空区最为复杂密集，其中已探明对隧道开挖有存在影响的煤层如表1所示。

表1　隧道穿越煤层情况表

2采空区探测方案

利用先进探测方法对采空区进行综合探测是信息化施工的重要组成部分，也是保证复杂采空区段施工安全的关键环节[7]。

礼让隧道复杂采空区段的探测，资料详细或者所在位置不会对隧道开挖安全和支护体系长期稳定性造成影响的采空区不做处理；资料部分明确，范围和形状尺寸不能确定且对于隧道有潜在影响的采空区，采取具有针对性的探测方法或者钻探法；对于资料不详或隧道附近错综复杂的采空区(群)，可先选择合理的物探手段探明采空区的空间位置，分析其大体影响范围，再利用短距离探测或钻探方法确定采空区边界、具体埋深等参数。

探测采空区的地球物理方法主要包括电法、电磁法、重力测量、地震波法、测氡等。每种方法的优势和特点明显，但是受到电磁波干扰、恶劣探测环境等因素的影响，单一的探测方法往往难以准确全面的推断采空区状况，因此需要采用多种方法综合应用，各方法探测结果相互印证。

结合礼让隧道的地形地貌和采空区范围特点，提出了“深浅结合、长短结合”的探测方案，即在地表利用高密度电法和大地电导率法进行深浅结合探测，在隧道内采用TGP和地质雷达长短结合地质超前探测。

3方法原理

3.1AGI高密度电法

以不同物质间的导电性能差别为基础，通过分析人工电场在地下分布特点和规律，来推断地质异常体存在的一种探测法。本质是利用接入地面的电极在地下建立人工电场，然后用电测仪器探测采空区存在时大地表面电场的改变，进而推断地下采空区的详细状况。

电阻率是描述物质导电性能优劣的一个参数。由电学知，电阻率ρ可由式(1)计算。

(1)

式中：ρ为电阻率；R为电阻；S为截面积；L为长度；I为电流；ΔU为电压差。

由式(1)知，若电阻率较大，物质的导电性较差。

3.2EH4大地电导率探测法

原理是利用宇宙中的太阳风、雷电等入射到地球上的天然磁场信号作为激发场源，并采用人工场源与天然场源两个场源的共同作用的方式[8]，探测时可获得持续信号。EH4大地电导率法在处理数据时，较高频率的数据反映浅部特征，而频率较低的数据反映其深部的特征。在地层电阻率构造固定时，变换频率可获得不同深度的连续信号。所以，在同一个宽频带上分析磁场与电场数据，并计算出相位和视电阻率，即可推断出地下异常体的存在状况。

3.3TGP超前预报系统[9]

TGP是一种高效、无损的地震波反射探测技术。人工激发的地震波在传播过程中，遇到采空区、裂隙、岩溶、断层、软弱夹层等异常地质界面时，地震波将发生发射，反射波的强度、速度、波形、方向等都和不良地质体界面的性质和形状有关。采空区等不良地质体的判断以纵波(P波)为主，横波(Sh、Sv)为辅。

3.4地质雷达

地质雷达(GPR)是以探测物质或异常体的电性差异为基础，对探测区域内异常界面或目标体进行定位的电磁方法[10]。主机通过发射天线向目标地层发射高频电磁脉冲波，频率一般为数百兆，当其在传播过程中遇到破碎带、裂隙、空区、充水区域等介电常数和电导率差异的界面时，部分电磁波就会反射折回，接收天线接收信号并记录在主机中。这样可获得电磁波从异常界面反射到接收的时间，结合该介质的电磁波速即可得到反射界面的深度。

根据掌子面前方介质的电磁波速V和时间T，由式(2)可计算目标体的深度h。

(2)

式中：h为目标体的深度；x为发射天线和接受天线间距；V为电磁波在介质中传播的速度；T为电磁波传播时间。

然后通过对电磁波的信号强度、振幅、频率、同相轴连续程度分析，相邻位置波形与不同时间深度波形的对比，可确定采空区的形状尺寸。

4探测结果与效果评价

4.1数据处理成果图

温纳排列高密度电法反演结果见图1。EH4反演结果剖面见图2。TGP预报成果解译结果见图3。雷达分析结果见图4。

4.2探测结果

采空区探测结果见表2。

4.3效果评价

经过数据处理分析，推断出了标段范围内采空区情况。为了验证探测结果的可靠性，随隧道掌子面推进开展地质与支护观察表工作，对隧道内存在的采空区等地质异常情况做详细记录，如表3所示，采空区分布情况见图5。

图1温纳排列高密度电法反演结果图

图2EH4反演结果剖面图

图3TGP预报成果解译图

图4雷达分析图

表2采空区探测结果一览表

标段ZK13+050～ZK13+158ZK13+450～ZK13+540ZK13+540～ZK13+700AGI高密度电法ZK13+100～ZK13+140段,长度40m,标高520～560m,高阻异常,可能存在破碎带或断层,断层中具有充填物。ZK13+475～ZK13+515段,长度40m,标高540～570m,存在低阻异常区域,可能存在富水区或老窑积水。整体电阻率层次性好,无明显异常区域,推断此段段围岩较好;ZK13+670～ZK13+690段,标高540m,电阻较低,推断岩体潮湿。EH4大地电导率法ZK13+070～ZK13+110段,标高520～580m,可能存在破碎带。ZK13+470～ZK13+520段,长度50m,标高400～450m,低阻异常,存在大范围富水区域。电阻率分布整体表现为自上而下电阻率逐步增加,与岩层分布信息吻合,推断无异常区域。TGP地震波法长石岩屑砂岩,岩体较为破碎,ZK13+105～ZK13+125段,长度20m,岩体破碎,可能是碎石充填后的采空区。ZK13+480～ZK13+522段,长度42m,纵波波速较掌子面围岩有所降低,推断该段岩体破碎,富水,隧道左侧岩体尤为破碎。速度曲线平缓,推断该段岩体较为完整,无较大异常区域。地质雷达ZK13+096～ZK13+105段,信号较强,频率较低,振幅较大,同相轴部分相连,推测围岩层理发育,围岩破碎。ZK13+490～ZK13+515段,信号强,频率低,同相轴不相连,推测该标段存在异常,可能存在小型构造裂隙或煤层采空区,易出水,岩体完整性稳定性较差。整体信号较一般,频率较一般,振幅较一般,同相轴相连,推测该范围围岩较好;ZK13+672～ZK13+678段,振幅较大,同相轴不连续,推断存在裂隙或小型采空区。

表3　实际工况

图5采空区分布图

将实际工况与探测结果对比可知，EH4和TGP给出的推断结果比较宏观，但对于探测尺寸较大的采空区有较明显的优势，而对于尺寸较小的采空区则难以判断，如未推断出ZK13+672～ZK13+678段小型采空区；AGI和地质雷达探测距离相对较短，但对于采空区的位置，形状的推断较为准确；尽管对于采空区的标号、标高等具体信息，各种探测方法不能做出统一性的推断；但各种探测方法相互配合，能够对采空区存在的大体位置和状态做出较为合理的判断，基本达到了采空区探测的目的。

4结论

通过对礼让隧道复杂采空区段的探测，得出以下结论。

1)对于采空区复杂或者地勘资料完全不详的区域。首先要做好地质调查，确定区域内是否有采矿的历史；然后利用综合物探手段从整体做出地质异常区域判断；最后经过短距离地探雷达和探孔来确定局部异常区域的具体情况。

2)物探所得到的结果一般是地质体异常区域，而对于异常体的标高、里程桩号的确定较为模糊，尤其是EH4大地电导率法，存在较大的误差，而短距离超前地质预报可以很好地弥补物探这一缺点。

3)地电条件有所干扰、地质情况复杂时，在进行数据分析过程中，要结合实际揭露地质工况资料，不能单纯的依据数据云图做出推断，以避免步入数据理论错误的误区。

4) 单一的探测方法具有其本身的缺陷，很难根据一种探测方法做出准确推断，利用“深浅结合、长短结合”多种探测方法综合探测，探测结果相互验证，可大幅提高探测结果准确率。

参考文献

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[2]林明安，赵祖栋.公路工程下伏煤矿采空区物探方法研究[J].铁道工程学报，2014，31(8)：27-31.

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[5]夏才初.土木工程监测技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2001：245-270.

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[9]陈中学，胡百万，刘彦波.TGP超前预报系统在岩溶隧道中的实践应用[J].地下空间与工程学报，2012(S1)：1621-1625.

[10]何勇华.采用探地雷达对隧道掌子面前方地质状况进行超前预报[J].金属矿山，2010(1)：99-102.

Comprehensive detection technologies for the complex goaf in highway tunnel

LIU Zi-song1，GAO Yong-tao1，2，WU Shun-chuan1，PU wen-ming3，ZHAO guo-jun3

(1.School of Civil and Environment Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.Key Laboratory of Ministry of Education for Efficient Mining and Safety of Metal Mine，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；3.PowerChina Road Bridge Group Co.，Ltd.，Beijing 100048，China)

Abstract:Because of the disorderly exploitation in the mountainous region，the formed goaf often brings hidden danger to tunnel construction and long operation.In order to determine the status of goaf，the engineering geological conditions was analyzed at first，and then proposed ‘deep-shallow’ combination detection method by EH4 and AGI，‘long-short’ combination detection method by TGP and GPR.By giving an example of Comity Tunnel，we detected the complex coal mine goaf according the topography and obtained the distribution profiles of the goaf by analyzing the detection data and the results.The results were compared with the actual conditions，it shows that the program can circumvent multiple results and limitations of single method，delimit the section and scope of goaf，which could provide the basis for the route design，risk assessment and treatment.

Key words：tunnelling engineering；goaf；detection technology

收稿日期：2015-11-30

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金项目资助(编号：FRF-TP-14-036A1)；科技北京百名领军人才培养工程项目资助(编号：Z151100000315014)

作者简介：刘子松(1989-)，男，硕士研究生，主要从事采矿工程、隧道工程灾害预防与治理研究工作。E-mail：137850376@qq.com。

通讯作者：高永涛，男，教授，博士生导师，现主要从事采矿工程、岩土工程教学与研究工作。

中图分类号：P631

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)05-0146-04