高密度电阻率法在厚覆盖层隐伏岩溶隧道施工风险预判中的应用

牛德东，侯 莹

（1、贵州省交通建设工程质量监督执法支队 贵阳 550014；2、贵州省公路工程集团有限公司设计分公司 贵阳 550014）

关键字：隧道；岩溶；高密度电法；施工安全风险

0 前言

我国西南地区为典型的喀斯特地貌发育区，受地下水溶蚀作影响，各种类型的岩溶地貌和岩溶形态较为常见。以贵州为例，自2001年第一条高速公路修建至今，高速公路里程突破7 000 km，十四五期间，贵州全省高速公路网规划总里程将达到10 096 km，贵州高速公路桥隧占比较高，隧道施工穿越经常伴随着断层破碎带、岩溶洞穴、地下水等地质灾害的发生，这些不良地质灾害在隧道施工中造成了极大的人员伤亡和经济损失，严重阻碍了隧道正常建设。在贵州高速建设过程中，尤以岩溶灾害造成的事故最多，影响最大。以织普高速打括隧道为例，该隧道处于玄武岩与石灰岩交互地段，地质复杂，岩溶竖向发育，与地表连通，填充物深达105 m。受近期降雨影响，在隧道掘进过程中，发生突发性的岩溶管道突泥，突泥达2 万余m3，造成7 人死亡。因此，在勘察设计阶段及施工开挖前查明岩溶隧道隐伏岩溶的发育情况极为重要。针对隧道不良地质灾害的预报预警，国内公路建设中把隧道超前地质预报作为工序纳入施工管理，国内外技术人员也针对隧道不良地质灾害预警开展了大量的研究和实践［1−13］。李术才等人［14］在对综合超前地质预报方法研究基础上，优化综合超前地质预报的流程，提出了隧道地质灾害四色预警机制，并制定相应的应急预案。李利平等人［15］通过对我国近50 年岩溶隧道（洞）突涌水工程实例资料的系统收集与归类整理，建立岩溶隧道突涌水风险模糊层次评价模型，进行隧道施工前勘察和设计2 个阶段的突涌水风险预评价和施工中的动态评价，建立了完善的基于隧道施工许可机制的施工安全风险控制体系。在工程实际中，受限于多方面原因，需在隧道开挖前尽快查明岩溶发育特征，有效控制岩溶隧道施工地质风险，提供必要施工安全支撑。除了进行隧道洞内地质雷达法、TSP法探测外，利用岩溶区地层电性差异，应用高密度电阻率法探测可取得较为良好的效果。

1 高密度电阻率法

1.1 探测原理

高密度电阻率法具有通过一次布极，可以进行数据采集，同时通过求取比值参数，从而突出异常信息，其具有采集信息多、观察精度高、速度快、探测深度灵活等特点。

对于均匀大地电阻率，在测量地面电阻率时，需要建立各类电流源和供电电极及测量电极。当供电电极的大小相比他们到观测点的距离小得多时，就可以被看作两个点，即点电源，如图1⒜所示。两个点电源的电场特征如式⑴所示。

图1 电源示意图Fig.1 Power Schematic

其中：K为电极排列系数；ρ为视电阻率；AM、BM为M 点到点源A 和B 的距离。

电位分布如图2所示。

图2 两个异性点电源电场示意图Fig.2 Schematic Diagram of the Electric Field of the Power Supply at Two Opposite-sex Points

靠近供电电极处电位变化较快，向着A 方向迅速增大，向着B 方向迅速下降。在AB 中间位置出现零电位。电流线基本水平分布，满足均匀场特点。均匀大地的电阻率测量，就是基于上面的理论，利用勘测仪器测量MN 之间的电位差以及AB 回路的电流，进而求出大地电阻率［16］。

实际上相当于将本来不均匀的地电断面用某一等效的均匀断面来代替，按上式计算的电阻率不应当是地下介质的真实值，而是在电场分布范围内、各种地下介质电阻率综合影响的结果。根据所测地电阻率的结果评价地电阻率的分布特征，综合分析各类视参数所反映的介质电阻率和几何参数的信息，并结合已知区域的工程地质、水文地质资料以及其他地球物理勘探资料，建立该区域的地电断面图，并选择一些有意义的地段进行正演模拟等，以验证地电模型的建立是否符合实际。

1.2 岩溶探测特征

在岩溶区进行探测时，其电性异常类别有低阻异常和高阻异常，在工程实际中，低阻异常往往带来负面影响。公路工程地质勘察所研究的岩溶，深度较浅（一般也不超过30 m）。在此深度范围内，所遇到的岩溶现象大多数为垂直型岩溶，只有少部分是水平岩溶。而作为不良地质勘察，岩溶勘察主要的勘察对象是岩溶漏斗、落水洞、岩溶竖井和溶洞，其异常特征如表1所示。

表1 常见岩溶高密度电法异常特征Tab.1 Anomaly Characteristics of Common Karst High-density Electrical Methods

2 工程概况

工程场区属于侵蚀溶蚀中山地貌，地面高程1 875.60～2 065.50 m，最大高差189.90 m，地形起伏大，山体较陡，山体自然坡度约15°～45°，山体植被茂盛，主要为松木、杂木和低矮灌。隧道K93+400 之前为穿越山岭，覆盖层较薄，厚度为3.8～10.5 m；K93+400 之后由山的东面通过，覆盖层较厚，厚度为15.8～51.5 m。本次探测区域为K93+390～K93+995，覆盖层为粉质粘土，可塑，含风化残余的碎石：其下伏栖霞−茅口组主要为中风化灰岩，隐晶质、细晶结构，岩质较硬，中厚层、碎块状构造。本段位于玄武岩潜水赋存带外围，隧道开挖可能产生渗水，围岩等级为Ⅳ级。围岩自稳能力差。其风险级别如图3所示。

图3 探测区段地质纵断面Fig.3 Geological Longitudinal Section of the Detection Section

3 高密度电阻率法探测成果分析

3.1 电法探测

覆盖层电阻率一般比较低，通常小于400 Ω·m，但是浅部松散层电阻率较高，甚至可高达1 000 Ω·m以上。完整的灰岩电阻率较高，通常大于2 000 Ω·m，岩体越完整，电阻率越高。在岩体风化破碎强烈，或者岩溶强烈发育、含水、黏土填充的情况下，电阻率会明显降低，最低可达200 Ω·m以下。

测区内粉质黏土与灰岩之间电阻率相差较大，如表2所示。在灰岩岩体内，随着岩石裂隙的发育程度、破碎程度、充填物含量情况等电阻率都将有不同程度的反应。这种物性差异为利用电阻率法对测区覆盖层、岩体破碎程度、岩体裂隙发育程度及岩溶发育情况进行勘察提供了条件。

从表1可以看出，课程安排共分为学位课、必修课、选修课、实践课以及补修课5大模块，学位课又分为公共课（4门课程）和专业基础课（9门课程），大类别选修课中共有10门课程供学生选择，其他均为2门课程。此外，在学分上要求学生总学分不少于35学分，其中学位课不少于21学分，实践课不少于4学分。

表2 隧道出口区电性参数Tab.2 Electrical Parameters of Tunnel Exit Area

分别在隧道左幅轴线上ZK93+390～ZK93+985 位置布置一条测线，测线编号为DF1−DF1′；在隧道右幅轴线上YK93+400～YK93+995 位置布置另外一条测线，编号为DF2−DF2′。工作参数布置如表3所示。

表3 高密度电法工作参数Tab.3 Working Parameters of High-density Electrical Method

测线DF1−DF1′：由图4⒜可知，测线断面整体竖向溶蚀裂隙发育，表层低阻为覆盖层，ZK93+640～ZK93+740段溶槽发育。由图5⒜分析，测线断面表层低阻为覆盖层，沟谷处ZK93+640～ZK93+700 段地表标高约1 936 m 至底板标高约1 906 m 处为低阻异常区，推测为溶槽发育区，覆盖层平均厚度约30 m。ZK93+700～ZK93+740 段地表（标高约1 936 m）至底板（标高约1 870 m）有一竖向低阻异常区，推测该段覆盖层厚，竖向岩溶发育。ZK93+790～ZK93+820段表层高低阻区为地表岩溶发育区，底部较低阻区顶板标高约1 902 m 至底板标高约1 882 m 处，推测溶蚀、节理裂隙密集发育或溶洞发育。

图4 隧道左幅及右幅轴线出口段视电阻率拟断面Fig.4 Pseudo-sectional View of Apparent Resistivity at the Exit Section of the Left and the Right Axis of the Tunnel

图5 高密度电法反演及地质解译Fig.5 High-density Electrical Inversion and Geological Interpretation

测线DF2−DF2′：由图4⒝及图5⒝分析可知，沟谷处YK93+650～YK93+750段地表标高约1 940 m至底板标高约1 900 m处为低阻异常区，推测为溶槽发育区，覆盖层平均厚度约40 m，该段往下延伸推测岩体风化严重，可能存在岩溶发展趋势。YK93+765～YK93+795段，顶板高程1 929 m，高约15 m的低阻异常区推测为岩溶发育区。YK93+765～YK93+795段，顶板高程1 929 m，高约15 m的低阻异常区推测为岩溶发育区，粘土充填。YK93+830～YK93+855 段，顶板高程约1 948 m，高约17 m的低阻异常区推测为岩溶发育区，粘土充填。

3.2 探测成果验证

根据上述高密度电法探测成果，左幅施工至K93+480，右幅施工至K93+500时，上调施工风险等级为较高～高，分别采用地质雷达法、超前水平钻探等进行综合验证，根据地质雷达探测验证结果，如图6 所示，左幅在K93+500～K93+520处掌子面中部及右侧串珠状岩溶发育，根据实际揭露，K93+500 处溶蚀裂隙发育，泥质充填，施工至K93+512，揭露岩溶充填溶腔，右幅K93+498～K93+528 区段存在3 处岩溶发育区，主要集中在中部及左侧，在施工至K93+509 开挖面揭露充填岩溶溶腔，掌子面裂隙间泥质充填，自稳能力差，原设计调整为V级，并加密进行监控量测。

图6 左幅地质雷达解译及揭露岩溶Fig.6 The Ground-based Radar Interpretation and Exposed Karst

根据超前水平钻探结果，隧道左幅施工至K93+716，右幅施工至K93+698时，钻进速度加快，出现抱杆、无返水情况，推测为进入充填岩溶溶腔，发布高风险安全预警。

4 结论

⑴高密度电阻率法具有成本低、效率高的特点，其对于含水介质的判定效果较好，在一定程度上查明了隧道顶板上部岩溶的发育位置、规模、充填特征，较为准确的修正了隧道施工安全风险等级。

⑵在高密度电法竖向探测的基础上，采用地质雷达和超前水平钻探，进一步查明了岩溶发育的具体位置，结合高密度电法地质解译，明确施工风险，为施工安全提供良好的安全储备。

⑶高密度电法探测在垂直方向上呈线状分布，采用地质雷达仅能对开挖面范围前方进行探测，由于岩溶发育的复杂性，在隧道穿越岩溶区，仍需注重超前水平钻探在岩溶范围探测中的应用，在隧道开挖面两侧及底板范围内，应合理布置一定角度的超前水平钻探，确保超前水平钻探能够查明岩溶发育的边界范围，为岩溶处置设计提供地质参考。