瞬变电磁仪法与超前水平钻孔法在隧道施工中的综合运用

李健军

摘要：富水地层隧道施工易引发涌水、涌泥地质灾害，威胁施工人员生命安全，阻碍工程的顺利进行。单一的超前地质预报方法难以准确、全面的对掌子面前方地质情况进行预报，本文根据四川省南充～大竹～梁平高速公路铜锣山隧道工程地质条件，科学地运用瞬变电磁仪法与超前水平钻孔法来综合分析并预测前方地质状况，经实践检验分析和预测的结果可以有效规避工程地质灾害提供可靠的地质参考依据。

Abstract： The construction of water-rich stratum tunnel is easy to cause gushing water， mud flushing and other geological disasters， threatening the safety of construction personnel and hindering the smooth progress of the project. The advanced geological prediction method only is difficult to accurately and comprehensively predict the geological situation. According to the engineering geological conditions of the Tonggongshan tunnel of Nanchong-Dazhu-Liangping Expressway in Sichuan Province， this paper scientifically uses the transient electromagnetic method and the advanced horizontal drilling method to comprehensively analyze and predict the geological status of the front. The results of practical test analysis and prediction can provide a reliable basis to effectively avoid the geological hazards in contraction.

關键词：富水地层；涌水、涌泥；瞬变电磁仪法；超前水平钻孔法

Key words： water-rich stratum；gushing water， mud flushing；transient electromagnetic method；advanced horizontal drilling method

中图分类号：U452.1+1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）32-0118-03

0 引言

目前隧道常用的超前地质预报方法多种多样，如地质雷达（GPR）、红外探水（infrared ray detector）法、长距离预报有地震反射层析成像（TRT）、超前水平钻探、地震反射波法（TSP）等[1-5]。单一的预报方法精准度较差，也无法对开挖面前方围岩和地下水变化情况进行系统地预报[6-7]。本文将科学地运用瞬变电磁仪法与超前水平钻孔法进行地质条件的分析和预测，以改善现状，切实提高地质灾害超前预测水平。

1 工程概况

铜锣山隧道位于四川台拗褶皱带东北部，属新华系的次级沉降带。隧道处于铜锣山背斜北段，主体构造为铜锣山背斜、区域断层（F2）和各种次级褶皱、节理裂隙等。

工程地质概况：

铜锣山隧道位于南充～大竹～梁平（川渝界）高速公路，横穿大竹县余家镇之间铜锣山背斜中背斜灰岩出露区，山体多呈孤立的贝壳状浑圆形山峰；两翼主要为砂、泥岩出露，山体多呈不规则状连成片状的浑圆山体。穿越麂子坝久通煤矿南端，局部段过煤层采空区，含瓦斯。同时，地下水主要为第四系孔隙潜水入下伏基岩裂隙水，埋深浅，富水性一般，降水或地面积水对其影响不大。隧道段水量丰富，水文地质以碳酸盐岩类裂隙溶洞水为主，构面隧道重要涌水或突水层段。隧道施工中存在瓦斯、采空区及涌水突泥等高风险，施工难度大。

2 测试方法即基本原理

2.1 瞬变电磁仪法基本原理

2.1.1 测试原理

具有较高的抗干扰能力和分辨率的瞬变电磁法，实际上相当于一种人工源电磁法。瞬态的磁场在围岩体内形成涡流，涡流随时间的推移不断向围岩体内扩散，扩散的速度与岩层的电阻率有关，不同时间扩散到不同深度。我们通过记录地下涡流变化（即磁场变化率dB/dT）的情况来达到了解地下电阻率的目的。

2.1.2 仪器设备

本次测试采用加拿大GEONICS公司的PROTEM EM-47瞬变电磁仪，GEONICS EM系列仪器是目前国际上最先进的瞬变电磁专业仪器，其最大的优点是抗干扰能力强，精度高，尤其是关断时间短，这些优点使其具有较大的探测范围。

2.2 超前水平钻孔法基本原理

采用超前水平钻孔进行隧道掌子面前方地质超前预报是隧道施工工期地质超前预报方法中最直接的方法。其通过钻孔钻进速度测试和所采取的岩芯的观察及相关试验获取隧道开挖面前方岩石（体）的强度指标、可钻性指标、地层岩性资料、岩体完整程度指标及地下水发育状况等诸多方面直接资料，从而达到对开挖面前方岩体变化和岩体含水状态的预报。

3 工程应用实例

3.1 瞬变电磁仪法预报成果

3.1.1 掌子面现状

掌子面里程为右洞K136+471m，发生涌水坍方后，掌子面开挖已停止。

3.1.2 测点布设endprint

测试时接收线圈按1m间距由掌子面左向右移动，发射线圈原地旋转，保证与接收线圈共轴。

3.1.3 预报结果分析

受设备工作特点影响，掌子面至前方约16m为探测盲区，岩体电阻率有效数据为16m以后区域。本次探测电磁场至掌子面前方80m处（K136+390）衰减完毕。

通过对掌子面前方80米的瞬变电磁方法分析，结合掌子面地质信息及地质资料可以得出如下结论：K136+430～K136+390段岩体存在明显低阻异常带，表明该段地层中地下水富集，不存在岩溶储水的可能，岩体裂隙极为发育，可能形成较大规模的地下水储水带。

3.2 超前水平钻孔法

根据铜锣山隧道出口右线瞬变电磁探水结果和2012.4.9日18标工地会议内容，本次钻孔布置如图5、6所示，掌子面里程为右洞K136+461m。

本次钻孔深度30m左右，所采用钻头规格为：？准94合金钻头、？准77金刚石钻头。岩芯直径有DN80和DN65三个规格岩芯。

综合超前钻孔两孔情况确定K136+461～ZK136+435段以砂岩为主、夹炭质泥岩，岩体破碎，弱风化，节理裂隙极为发育，有股状涌水，总体上岩体稳定性差。

3.3 施工建议

综合分析瞬变电磁方法和超前水平钻孔法的预报成果，在施工中突出以下建議：①K136+461～K136+435段开挖前采用超前支护，开挖后及时支护，并且调整支护参数，建议围岩级别为Ⅴ级偏弱。②坚持“短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、及时施做仰拱”的原则进行施工，尽量减少对围岩的扰动，控制开挖后围岩暴露时间，以免围岩变形失稳。掌子面至K136+390段建议开挖岩体有10m以上钻孔控制保护厚度。③及时做好防、排水工作；加强瓦斯和有害气体等监控，加强通风；建议加强洞内地下水的引排，防止地下水浸泡拱脚。

参考文献：

[1]李术才，刘斌，孙怀凤，聂利超，钟世航，苏茂鑫，李貅，许振浩.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J].岩石力学与工程学报，2014（06）：1090-1113.

[2]武军杰.瞬变电磁新技术在隧道超前地质预报中的应用研究[D].长安大学，2005.

[3]薛翊国，李术才，苏茂鑫，李树忱，张庆松，赵岩，李为腾. 隧道施工期超前地质预报实施方法研究[J].岩土力学，2011（08）：2416-2422.

[4]李天斌，孟陆波，朱劲，李永林，牟力.隧道超前地质预报综合分析方法[J].岩石力学与工程学报，2009（12）：2429-2436.

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[6]朱劲.超前地质预报新技术在铜锣山隧道的应用及综合分析研究[D].成都理工大学，2007.

[7]叶英.岩溶隧道施工超前地质预报方法研究[D].北京交通大学，2006.endprint