瞬變電磁儀法與超前水平鉆孔法在隧道施工中的綜合運(yùn)用

李健軍

摘要：富水地層隧道施工易引發(fā)涌水、涌泥地質(zhì)災(zāi)害，威脅施工人員生命安全，阻礙工程的順利進(jìn)行。單一的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法難以準(zhǔn)確、全面的對(duì)掌子面前方地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報(bào)，本文根據(jù)四川省南充～大竹～梁平高速公路銅鑼山隧道工程地質(zhì)條件，科學(xué)地運(yùn)用瞬變電磁儀法與超前水平鉆孔法來綜合分析并預(yù)測(cè)前方地質(zhì)狀況，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)分析和預(yù)測(cè)的結(jié)果可以有效規(guī)避工程地質(zhì)災(zāi)害提供可靠的地質(zhì)參考依據(jù)。

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(guān)鍵詞：富水地層；涌水、涌泥；瞬變電磁儀法；超前水平鉆孔法

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

中圖分類號(hào)：U452.1+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）32-0118-03

0 引言

目前隧道常用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法多種多樣，如地質(zhì)雷達(dá)（GPR）、紅外探水（infrared ray detector）法、長距離預(yù)報(bào)有地震反射層析成像（TRT）、超前水平鉆探、地震反射波法（TSP）等[1-5]。單一的預(yù)報(bào)方法精準(zhǔn)度較差，也無法對(duì)開挖面前方圍巖和地下水變化情況進(jìn)行系統(tǒng)地預(yù)報(bào)[6-7]。本文將科學(xué)地運(yùn)用瞬變電磁儀法與超前水平鉆孔法進(jìn)行地質(zhì)條件的分析和預(yù)測(cè)，以改善現(xiàn)狀，切實(shí)提高地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)測(cè)水平。

1 工程概況

銅鑼山隧道位于四川臺(tái)拗褶皺帶東北部，屬新華系的次級(jí)沉降帶。隧道處于銅鑼山背斜北段，主體構(gòu)造為銅鑼山背斜、區(qū)域斷層（F2）和各種次級(jí)褶皺、節(jié)理裂隙等。

工程地質(zhì)概況：

銅鑼山隧道位于南充～大竹～梁平（川渝界）高速公路，橫穿大竹縣余家鎮(zhèn)之間銅鑼山背斜中背斜灰?guī)r出露區(qū)，山體多呈孤立的貝殼狀渾圓形山峰；兩翼主要為砂、泥巖出露，山體多呈不規(guī)則狀連成片狀的渾圓山體。穿越麂子壩久通煤礦南端，局部段過煤層采空區(qū)，含瓦斯。同時(shí)，地下水主要為第四系孔隙潛水入下伏基巖裂隙水，埋深淺，富水性一般，降水或地面積水對(duì)其影響不大。隧道段水量豐富，水文地質(zhì)以碳酸鹽巖類裂隙溶洞水為主，構(gòu)面隧道重要涌水或突水層段。隧道施工中存在瓦斯、采空區(qū)及涌水突泥等高風(fēng)險(xiǎn)，施工難度大。

2 測(cè)試方法即基本原理

2.1 瞬變電磁儀法基本原理

2.1.1 測(cè)試原理

具有較高的抗干擾能力和分辨率的瞬變電磁法，實(shí)際上相當(dāng)于一種人工源電磁法。瞬態(tài)的磁場(chǎng)在圍巖體內(nèi)形成渦流，渦流隨時(shí)間的推移不斷向圍巖體內(nèi)擴(kuò)散，擴(kuò)散的速度與巖層的電阻率有關(guān)，不同時(shí)間擴(kuò)散到不同深度。我們通過記錄地下渦流變化（即磁場(chǎng)變化率dB/dT）的情況來達(dá)到了解地下電阻率的目的。

2.1.2 儀器設(shè)備

本次測(cè)試采用加拿大GEONICS公司的PROTEM EM-47瞬變電磁儀，GEONICS EM系列儀器是目前國際上最先進(jìn)的瞬變電磁專業(yè)儀器，其最大的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，精度高，尤其是關(guān)斷時(shí)間短，這些優(yōu)點(diǎn)使其具有較大的探測(cè)范圍。

2.2 超前水平鉆孔法基本原理

采用超前水平鉆孔進(jìn)行隧道掌子面前方地質(zhì)超前預(yù)報(bào)是隧道施工工期地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法中最直接的方法。其通過鉆孔鉆進(jìn)速度測(cè)試和所采取的巖芯的觀察及相關(guān)試驗(yàn)獲取隧道開挖面前方巖石（體）的強(qiáng)度指標(biāo)、可鉆性指標(biāo)、地層巖性資料、巖體完整程度指標(biāo)及地下水發(fā)育狀況等諸多方面直接資料，從而達(dá)到對(duì)開挖面前方巖體變化和巖體含水狀態(tài)的預(yù)報(bào)。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 瞬變電磁儀法預(yù)報(bào)成果

3.1.1 掌子面現(xiàn)狀

掌子面里程為右洞K136+471m，發(fā)生涌水坍方后，掌子面開挖已停止。

3.1.2 測(cè)點(diǎn)布設(shè)endprint

測(cè)試時(shí)接收線圈按1m間距由掌子面左向右移動(dòng)，發(fā)射線圈原地旋轉(zhuǎn)，保證與接收線圈共軸。

3.1.3 預(yù)報(bào)結(jié)果分析

受設(shè)備工作特點(diǎn)影響，掌子面至前方約16m為探測(cè)盲區(qū)，巖體電阻率有效數(shù)據(jù)為16m以后區(qū)域。本次探測(cè)電磁場(chǎng)至掌子面前方80m處（K136+390）衰減完畢。

通過對(duì)掌子面前方80米的瞬變電磁方法分析，結(jié)合掌子面地質(zhì)信息及地質(zhì)資料可以得出如下結(jié)論：K136+430～K136+390段巖體存在明顯低阻異常帶，表明該段地層中地下水富集，不存在巖溶儲(chǔ)水的可能，巖體裂隙極為發(fā)育，可能形成較大規(guī)模的地下水儲(chǔ)水帶。

3.2 超前水平鉆孔法

根據(jù)銅鑼山隧道出口右線瞬變電磁探水結(jié)果和2012.4.9日18標(biāo)工地會(huì)議內(nèi)容，本次鉆孔布置如圖5、6所示，掌子面里程為右洞K136+461m。

本次鉆孔深度30m左右，所采用鉆頭規(guī)格為：？準(zhǔn)94合金鉆頭、？準(zhǔn)77金剛石鉆頭。巖芯直徑有DN80和DN65三個(gè)規(guī)格巖芯。

綜合超前鉆孔兩孔情況確定K136+461～ZK136+435段以砂巖為主、夾炭質(zhì)泥巖，巖體破碎，弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，有股狀涌水，總體上巖體穩(wěn)定性差。

3.3 施工建議

綜合分析瞬變電磁方法和超前水平鉆孔法的預(yù)報(bào)成果，在施工中突出以下建議：①K136+461～K136+435段開挖前采用超前支護(hù)，開挖后及時(shí)支護(hù)，并且調(diào)整支護(hù)參數(shù)，建議圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)偏弱。②堅(jiān)持“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、及時(shí)施做仰拱”的原則進(jìn)行施工，盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，控制開挖后圍巖暴露時(shí)間，以免圍巖變形失穩(wěn)。掌子面至K136+390段建議開挖巖體有10m以上鉆孔控制保護(hù)厚度。③及時(shí)做好防、排水工作；加強(qiáng)瓦斯和有害氣體等監(jiān)控，加強(qiáng)通風(fēng)；建議加強(qiáng)洞內(nèi)地下水的引排，防止地下水浸泡拱腳。

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