超前探测技术在鄂北工程隧洞安全预警中的应用

司培育，包 丹，蔡新明

（鄂北地区水资源配置工程建设与管理局（筹），430071，武汉）

超前探测技术在鄂北工程隧洞安全预警中的应用

司培育，包 丹，蔡新明

（鄂北地区水资源配置工程建设与管理局（筹），430071，武汉）

鄂北地区水资源配置工程输水隧洞长，安全隐患多，为做好隧洞开挖安全预警工作，运用物探技术具有物性参数多、成本低、效率高的优势，将地面探测和掌子面探测技术相结合，采用地面电阻率法、地面双源面波法、掌子面反射地震法、掌子面瞬变电磁法等超前探测技术，经过方法论证、现场试验、探掘验证，初步形成了一套适合鄂北工程隧洞施工的综合超前探测方法，为鄂北工程隧洞后续施工超前探测安全预警提供了技术支撑。

鄂北地区水资源配置工程；隧洞；物探技术；安全预警

鄂北地区水资源配置工程输水隧洞总长约120 km，占整个工程线路总长的44%，为埋深30～40 m的浅埋隧洞。隧洞施工过程中存在着强风化岩土体的变形破坏、洞室围岩变形破坏、隧洞局部突水突泥等不良工程地质问题。因此，如何保障隧洞开挖的安全施工成为工程进行中亟须解决的问题。为保障隧洞开挖的安全施工，鄂北局会同有关科研单位对鄂北工程隧洞开挖过程中超前探测及安全预警技术进行了研究。

通过综合比较，地质超前预报技术中钻孔探测、导坑探测等方法存在施工成本过高、横向探测范围小以及在隧洞工作面实施水平超前钻探对隧洞施工影响大等缺点，与其相比地球物理探测技术具有探测成本低、施工效率高、探测范围广的优势，可用于解决鄂北工程隧洞施工实际问题。项目研究采用直流电法、瞬变电磁法、地震波法的“综合超前探测技术”进行数据采集和汇总分析，找出隧洞围岩特征与探测特征参数（电性、磁性、波动特性）的对应关系及可能产生的危害，取得了一些超前预警预报成果，形成一套适用于鄂北工程隧洞不同地质条件下综合物探超前探测方法技术，保障了隧洞的正常开挖。

一、隧洞超前探测试验

1.试验方案设计

根据前期设计资料分析与现场踏勘结果，本项目选定的工区为纪洪、兴隆—万福、唐县—尚市3座隧洞，每座隧洞各取有代表性的地段进行探测。本文主要针对唐县—尚市隧洞进行研究分析，工区选择在里程170～174段，岩性主要为片岩、片麻岩，局部有构造发育，围岩不稳定至极不稳定。

2.测线设计

根据探测目的和隧洞具体的地形、工程地质特征，采用地面与洞内探测相结合方式，即沿隧洞轴线和掌子面采用相应物探方法探测，将地面和洞内物性参数联合分析和解释。测线布置示意轴线剖面见图1，瞬变电磁超前探测水平测点布置见图2。

图1 测线布置示意轴线剖面图

图2 瞬变电磁超前探测水平测点布置

（1）隧洞轴线测线设计

地面测线起点距当前掌子面后退50～100 m，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3～5 m。测线遇障碍物时（如河流）可平移并增加垂直检查测线。

（2）掌子面测线

掌子面测线利用当日掌子面空间布置，瞬变电磁采用扇形测线，布置多方向。地震反射沿掌子面和边墙布置成U形系统。

二、唐县—尚市隧洞超前探测试验应用

试验工区选择在唐县—尚市隧洞进口172+444～172+771段，该段为低山丘陵地形，地表为第四系全新统冲积坡积土，部分为基岩裸露，隧道埋深 34～58 m。

本段试验目的：

①获取表面土层，片岩、片麻岩层的波速、电阻率物性参数。

②对掌子面前方岩体的完整性、结构裂隙发育、含富水性探测评价。

③分析面波法及直流电法探测到的深度，并对深部岩层进行分辨。

1.隧洞工程地质条件

唐县—尚市隧洞位于输水线路桩号为158+120～174+670，连续长度16.55km。进口底板高程117.94m，出口底板高程 116.44 m，纵坡为 1∶11 000，沿程输水流量为20.2 m3/s。隧洞最大埋深79 m，平均埋深49 m。隧洞横断面形式为马蹄形，过水断面净宽5.8 m，开挖洞径 6.6～7.4 m。 试验段（171+350～174+610）隧洞长 3.26 km，综合判定为Ⅲ类围岩，局部稳定性差。围岩为下元古界万和店群狮子口组灰绿色、灰白色白云纳长片麻岩，呈弱风化状。岩体透水率为1.47～4.63 Lu，为弱透水。上覆岩体厚30～70 m。该段岩石单轴饱和抗压强度为32.0 MPa（弱风化），饱和吸水率0.65%，岩石强度为中硬岩；岩体完整程度为较完整；结构面状态起伏粗糙，裂隙宽度1～5 mm，石英脉充填；地下水活动状态为渗水或滴水。

2.数据采集与处理

试验工作安排在2016年10月18日，该日掌子面已开挖至里程172+494。掌子面岩性为片岩、片麻岩，岩体节理裂隙发育有充水，拱顶有淋水，部分岩体遇到水软化。掌子面为整断面开挖，岩体自稳性尚可，掌子面拱顶位置的岩体有失稳掉块现象，围岩等级Ⅳ级。

根据现场踏勘情况，采用地面与掌子面探测相结合，综合多种物探方法探查方案，即在地表沿隧洞轴线布置测线，选用面波法、高密度电法等方法进行探测；利用掌子面空间，采用反射地震法和瞬变电磁法进行探测。

（1）地面高密度电阻率与面波法数据采集

①地面直流电阻率法测线沿隧洞轴线布置，测线里程范围172+444～172+771，测线长度327 m，测点距3 m，共完成测点110个，测线方向自小里程指向大里程。

②地面面波法测线沿隧洞轴线布置，测线里程范围172+444～172+694，测线长度250 m，测点间距2 m，共完成测点110个。测线方向自小里程指向大里程；172+444～172+600里程范围使用夯机震源，172+600～172+771里程范围使用人工锤击激震。唐县—尚市 172+444～172+771段地面测线布置见图3。

（2）掌子面反射地震与瞬变电磁数据采集

当日掌子面里程172+494。瞬变电磁法采用扇形观测系统自左到右布置12个点，每点两个探测方向：水平、斜向拱顶 45°（见图 4-a）。 掌子面反射地震法在掌子面上等距布置7个接收点，点间距1 m;在掌子面的两边和掌子面布置震源激发点，从右边墙—掌子面—左边墙顺序逐次激发，激发点数19个，左右边墙各6次，掌子面7次（见图 4-b）。

图3 唐县—尚市172+444～172+771段地面测线布置图

图4 唐县—尚市掌子面超前探测布置图（里程172+494）

三、探测结果分析与解释

1.地面面波与电法结果分析与解释

通过地面面波与电法探测对唐县—尚市隧洞 172+444～172+771段工程地质条件进行分析和解释如下：

从面波速度剖面与隧洞的对应关系得知，隧洞所经过的位置均为面波相对高速区且速度较均匀。当前掌子面已开挖揭露的岩体完整性较差，主要为弱风化，局部有强风化的节理裂隙面，故可解释认为探测段内岩体主要为中等至弱风化，且风化程度相对均一。

根据电阻率剖面与隧洞的位置关系，对比电阻率的横向和垂向变化，可见在隧洞所经过的位置，电阻率横向不均匀，根据电阻率高低特征，将探测段划分为6段分别解释分析。

①172+444～172+495里程范围，该段隧洞已开挖。该面为白云钠长片岩、灰白色夹棕红色，呈强—弱风化状，岩质较软，遇水易软化，该洞段主要发育片理，产状N60°W SW∠15°，拱顶至两侧拱肩沿片理掉块甚至坍塌，该段围岩等级主体为Ⅲ类，局部为Ⅳ类。该段电阻率值中等偏高，可将该段电阻率值与岩体完整性建立对应关系，并用于未开挖段的围岩等级及完整性的对比分析。

②172+495～172+595里程段电阻率整体相对较低且杂乱。其中，172+495～172+538里程段面波速度和电阻率均整体有减小趋势，且和浅部低阻区沟通，可见该段岩体完整性变差，节理裂隙发育，裂隙含水增强，围岩等级Ⅳ级；172+538～172+595段的深部存在低阻异常区，且与浅部低阻带沟通，该段岩体裂隙发育，较破碎，风化程度高，完整性差，裂隙充水明显，围岩等级Ⅳ～V类。

图5 唐县—尚市隧洞掌子面地震与瞬变电磁探测剖面及解释（里程172+194）

③172+592～172+689里程范围，该段地表至洞身范围内电阻率值均较高，可认为该段岩体完整性较好，无较宽的裂隙破碎带，风化程度低，裂隙水较少，围岩等级为Ⅲ级。

④172+689～172+715里程范围，该段洞身范围电阻率整体较高，但与浅部低阻区有联系。认为该段岩体完整性较好，裂隙水相对增强，围岩等级为Ⅲ～Ⅳ级。

⑤172+715～172+771里程范围，该段整体电阻率高且均匀，认为该段岩体完整性较好，无较宽的裂隙破碎带，风化程度低，裂隙水较少，围岩等级为Ⅲ级。

2.掌子面反射地震与瞬变电磁法结果分析与解释

通过反射地震剖面中的反射界面来解释掌子面前方岩体的岩性变化带、裂隙带等不均一地质体。可利用瞬变电磁的低阻区来分析前方的裂隙含水程度（见图5）。据此，本段掌子面超前探测解释如下：

①掌子面前方存在多组较为明显的反射界面，在里程172+504、172+514、172+525、172+531、172+554 处提取出6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，完整性较差。

②掌子面前方整体电阻率较高，仅在172+508～172+520段存在局部低阻异常区，认为该段裂隙水整体不丰富，涌水现象发生概率小，但在低阻异常区内裂隙水相对增多。

四、成果分析

根据现场探掘验证表明，探测解释地质条件与隧洞实际开挖后基本一致，对隧洞的安全开挖起到较好的指导作用。探测成果超前圈定了较大规模的不良地质体（破碎带、强风化带、富含水区等），进一步细分了围岩等级单元，有助于施工中提前采取合理的开挖和支护方式，起到了较好的安全预警作用。

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Adoption of advanced detection technology for safety pre-warning in tunnel construction of Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Provinc

Si Peiyu,Bao Dan,Cai Xinming

Water Allocation Scheme in North Hubei Province has long water diversion tunnels with potential safety hazard.In order to have proper safety pre-warning for excavation of tunnel,ground detection and tunnel face detection are combined so as to take their advantages of having more parameters,low cost and high efficiency.Detection technologies such as ground resistivity method,dual source surface wave method,reflection seismic method and transientelectromagnetic method in tunnelface are employed.With approvalof methodologies,on-site experiments and digging tests,a series of comprehensive advanced detection methods have been developed for tunnel construction,so as to provide technical support for safety pre-warning.

Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Province;tunnel;geophysical technology;safety pre-warning

TV68+P631

B

1000-1123（2017）22-0019-04

2017-10-11

司培育，工程师。

责任编辑 韦凤年