公路隧道復(fù)雜采空區(qū)綜合探測技術(shù)

劉子松，高永濤，2，吳順川，蒲文明，趙國軍

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；3.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048)

公路隧道復(fù)雜采空區(qū)綜合探測技術(shù)

劉子松1，高永濤1，2，吳順川1，蒲文明3，趙國軍3

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；3.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048)

摘要：由于山嶺地區(qū)礦山的無序開采，形成的采空區(qū)對隧道建設(shè)和長期運營造成安全威脅。為確定采空區(qū)狀況，首先分析了工程地質(zhì)情況，然后在分析各種探測方法原理和特點的基礎(chǔ)上，提出了AGI、EH4深淺結(jié)合探測和TGP、GPR長短結(jié)合綜合探測方案。以禮讓隧道為工程實例，結(jié)合地形地貌對復(fù)雜采空區(qū)段進(jìn)行綜合探測，經(jīng)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析后得到了采空區(qū)縱斷面分布圖，并將探測結(jié)果與實際工況做比較，表明此種方案能夠規(guī)避單一探測方法的多解性與局限性，可較為準(zhǔn)確的判斷采空區(qū)位置與范圍，為隧道線路設(shè)計、空區(qū)危害性評估及其防治提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：隧道工程；采空區(qū)；探測技術(shù)

我國西南山嶺地區(qū)存在許多小型煤礦金屬礦，其中許多礦山都存在開采秩序混亂、采掘資料缺失等現(xiàn)象。所留下的老窯和小煤窯采空區(qū)大多為房柱式開采，開采系統(tǒng)極不規(guī)范，巷道和采區(qū)形態(tài)變化多樣，并且受地下水、地應(yīng)力等因素的長期影響，其狀態(tài)和性質(zhì)復(fù)雜[1]。

近幾年來，隨著我國山嶺地區(qū)高速公路、鐵路的大力建設(shè)，隧道工程涉及的范圍廣，運營年限長，對長期穩(wěn)定性具有較高的要求，采空區(qū)分布規(guī)律差、隱伏性強、空區(qū)充填情況不統(tǒng)一等特點給隧道工程安全建設(shè)帶來巨大威脅，因此采空區(qū)探測已經(jīng)成為一項必然性和實用性極強的研究課題。利用先進(jìn)的物探設(shè)備和技術(shù)進(jìn)行采空區(qū)的探測，具有簡單快速、節(jié)約成本的優(yōu)勢。但是各種物探方法都有自己的優(yōu)缺點和適用范圍，并具有多解性[2-6]，因此，單一的探測手段在復(fù)雜地形地質(zhì)及開采條件下很難準(zhǔn)確探明采空區(qū)的分布情況。

以禮讓隧道隱伏采空區(qū)為實例，分析各種探測方法的原理和特點，依據(jù)實際工程地質(zhì)情況選擇合理的物探方法組合并提出有效探測方案，將探測結(jié)果進(jìn)行分析、整理，并作為隧道線路設(shè)計、空區(qū)危害性評估及其防治的有力依據(jù)，最后根據(jù)實際揭露的地質(zhì)情況評價探測方法的適用性和探測方案的合理性。

1工程概況

重慶市禮讓隧道設(shè)計全長5519m，為特長隧道，線路平均設(shè)計標(biāo)高540m，穿越梁平縣境內(nèi)明月山，是在建梁忠高速公路重點及控制性工程。隧道區(qū)域煤層分布較多，且煤層的分布不均，厚度變化大，開采情況不明確，具極不穩(wěn)定的特點。煤層賦存于三疊系上統(tǒng)地層，受地質(zhì)構(gòu)造運動的作用，背斜兩翼傾角差別大，南東翼傾角陡(63～73°)，北西翼煤層傾角平緩(20～30°)。其中背斜左翼ZK13+100～ZK13+700標(biāo)段煤層采空區(qū)最為復(fù)雜密集，其中已探明對隧道開挖有存在影響的煤層如表1所示。

表1　隧道穿越煤層情況表

2采空區(qū)探測方案

利用先進(jìn)探測方法對采空區(qū)進(jìn)行綜合探測是信息化施工的重要組成部分，也是保證復(fù)雜采空區(qū)段施工安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[7]。

禮讓隧道復(fù)雜采空區(qū)段的探測，資料詳細(xì)或者所在位置不會對隧道開挖安全和支護(hù)體系長期穩(wěn)定性造成影響的采空區(qū)不做處理；資料部分明確，范圍和形狀尺寸不能確定且對于隧道有潛在影響的采空區(qū)，采取具有針對性的探測方法或者鉆探法；對于資料不詳或隧道附近錯綜復(fù)雜的采空區(qū)(群)，可先選擇合理的物探手段探明采空區(qū)的空間位置，分析其大體影響范圍，再利用短距離探測或鉆探方法確定采空區(qū)邊界、具體埋深等參數(shù)。

探測采空區(qū)的地球物理方法主要包括電法、電磁法、重力測量、地震波法、測氡等。每種方法的優(yōu)勢和特點明顯，但是受到電磁波干擾、惡劣探測環(huán)境等因素的影響，單一的探測方法往往難以準(zhǔn)確全面的推斷采空區(qū)狀況，因此需要采用多種方法綜合應(yīng)用，各方法探測結(jié)果相互印證。

結(jié)合禮讓隧道的地形地貌和采空區(qū)范圍特點，提出了“深淺結(jié)合、長短結(jié)合”的探測方案，即在地表利用高密度電法和大地電導(dǎo)率法進(jìn)行深淺結(jié)合探測，在隧道內(nèi)采用TGP和地質(zhì)雷達(dá)長短結(jié)合地質(zhì)超前探測。

3方法原理

3.1AGI高密度電法

以不同物質(zhì)間的導(dǎo)電性能差別為基礎(chǔ)，通過分析人工電場在地下分布特點和規(guī)律，來推斷地質(zhì)異常體存在的一種探測法。本質(zhì)是利用接入地面的電極在地下建立人工電場，然后用電測儀器探測采空區(qū)存在時大地表面電場的改變，進(jìn)而推斷地下采空區(qū)的詳細(xì)狀況。

電阻率是描述物質(zhì)導(dǎo)電性能優(yōu)劣的一個參數(shù)。由電學(xué)知，電阻率ρ可由式(1)計算。

(1)

式中：ρ為電阻率；R為電阻；S為截面積；L為長度；I為電流；ΔU為電壓差。

由式(1)知，若電阻率較大，物質(zhì)的導(dǎo)電性較差。

3.2EH4大地電導(dǎo)率探測法

原理是利用宇宙中的太陽風(fēng)、雷電等入射到地球上的天然磁場信號作為激發(fā)場源，并采用人工場源與天然場源兩個場源的共同作用的方式[8]，探測時可獲得持續(xù)信號。EH4大地電導(dǎo)率法在處理數(shù)據(jù)時，較高頻率的數(shù)據(jù)反映淺部特征，而頻率較低的數(shù)據(jù)反映其深部的特征。在地層電阻率構(gòu)造固定時，變換頻率可獲得不同深度的連續(xù)信號。所以，在同一個寬頻帶上分析磁場與電場數(shù)據(jù)，并計算出相位和視電阻率，即可推斷出地下異常體的存在狀況。

3.3TGP超前預(yù)報系統(tǒng)[9]

TGP是一種高效、無損的地震波反射探測技術(shù)。人工激發(fā)的地震波在傳播過程中，遇到采空區(qū)、裂隙、巖溶、斷層、軟弱夾層等異常地質(zhì)界面時，地震波將發(fā)生發(fā)射，反射波的強度、速度、波形、方向等都和不良地質(zhì)體界面的性質(zhì)和形狀有關(guān)。采空區(qū)等不良地質(zhì)體的判斷以縱波(P波)為主，橫波(Sh、Sv)為輔。

3.4地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)(GPR)是以探測物質(zhì)或異常體的電性差異為基礎(chǔ)，對探測區(qū)域內(nèi)異常界面或目標(biāo)體進(jìn)行定位的電磁方法[10]。主機通過發(fā)射天線向目標(biāo)地層發(fā)射高頻電磁脈沖波，頻率一般為數(shù)百兆，當(dāng)其在傳播過程中遇到破碎帶、裂隙、空區(qū)、充水區(qū)域等介電常數(shù)和電導(dǎo)率差異的界面時，部分電磁波就會反射折回，接收天線接收信號并記錄在主機中。這樣可獲得電磁波從異常界面反射到接收的時間，結(jié)合該介質(zhì)的電磁波速即可得到反射界面的深度。

根據(jù)掌子面前方介質(zhì)的電磁波速V和時間T，由式(2)可計算目標(biāo)體的深度h。

(2)

式中：h為目標(biāo)體的深度；x為發(fā)射天線和接受天線間距；V為電磁波在介質(zhì)中傳播的速度；T為電磁波傳播時間。

然后通過對電磁波的信號強度、振幅、頻率、同相軸連續(xù)程度分析，相鄰位置波形與不同時間深度波形的對比，可確定采空區(qū)的形狀尺寸。

4探測結(jié)果與效果評價

4.1數(shù)據(jù)處理成果圖

溫納排列高密度電法反演結(jié)果見圖1。EH4反演結(jié)果剖面見圖2。TGP預(yù)報成果解譯結(jié)果見圖3。雷達(dá)分析結(jié)果見圖4。

4.2探測結(jié)果

采空區(qū)探測結(jié)果見表2。

4.3效果評價

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理分析，推斷出了標(biāo)段范圍內(nèi)采空區(qū)情況。為了驗證探測結(jié)果的可靠性，隨隧道掌子面推進(jìn)開展地質(zhì)與支護(hù)觀察表工作，對隧道內(nèi)存在的采空區(qū)等地質(zhì)異常情況做詳細(xì)記錄，如表3所示，采空區(qū)分布情況見圖5。

圖1溫納排列高密度電法反演結(jié)果圖

圖2EH4反演結(jié)果剖面圖

圖3TGP預(yù)報成果解譯圖

圖4雷達(dá)分析圖

表2采空區(qū)探測結(jié)果一覽表

標(biāo)段ZK13+050～ZK13+158ZK13+450～ZK13+540ZK13+540～ZK13+700AGI高密度電法ZK13+100～ZK13+140段,長度40m,標(biāo)高520～560m,高阻異常,可能存在破碎帶或斷層,斷層中具有充填物。ZK13+475～ZK13+515段,長度40m,標(biāo)高540～570m,存在低阻異常區(qū)域,可能存在富水區(qū)或老窯積水。整體電阻率層次性好,無明顯異常區(qū)域,推斷此段段圍巖較好;ZK13+670～ZK13+690段,標(biāo)高540m,電阻較低,推斷巖體潮濕。EH4大地電導(dǎo)率法ZK13+070～ZK13+110段,標(biāo)高520～580m,可能存在破碎帶。ZK13+470～ZK13+520段,長度50m,標(biāo)高400～450m,低阻異常,存在大范圍富水區(qū)域。電阻率分布整體表現(xiàn)為自上而下電阻率逐步增加,與巖層分布信息吻合,推斷無異常區(qū)域。TGP地震波法長石巖屑砂巖,巖體較為破碎,ZK13+105～ZK13+125段,長度20m,巖體破碎,可能是碎石充填后的采空區(qū)。ZK13+480～ZK13+522段,長度42m,縱波波速較掌子面圍巖有所降低,推斷該段巖體破碎,富水,隧道左側(cè)巖體尤為破碎。速度曲線平緩,推斷該段巖體較為完整,無較大異常區(qū)域。地質(zhì)雷達(dá)ZK13+096～ZK13+105段,信號較強,頻率較低,振幅較大,同相軸部分相連,推測圍巖層理發(fā)育,圍巖破碎。ZK13+490～ZK13+515段,信號強,頻率低,同相軸不相連,推測該標(biāo)段存在異常,可能存在小型構(gòu)造裂隙或煤層采空區(qū),易出水,巖體完整性穩(wěn)定性較差。整體信號較一般,頻率較一般,振幅較一般,同相軸相連,推測該范圍圍巖較好;ZK13+672～ZK13+678段,振幅較大,同相軸不連續(xù),推斷存在裂隙或小型采空區(qū)。

表3　實際工況

圖5采空區(qū)分布圖

將實際工況與探測結(jié)果對比可知，EH4和TGP給出的推斷結(jié)果比較宏觀，但對于探測尺寸較大的采空區(qū)有較明顯的優(yōu)勢，而對于尺寸較小的采空區(qū)則難以判斷，如未推斷出ZK13+672～ZK13+678段小型采空區(qū)；AGI和地質(zhì)雷達(dá)探測距離相對較短，但對于采空區(qū)的位置，形狀的推斷較為準(zhǔn)確；盡管對于采空區(qū)的標(biāo)號、標(biāo)高等具體信息，各種探測方法不能做出統(tǒng)一性的推斷；但各種探測方法相互配合，能夠?qū)Σ煽諈^(qū)存在的大體位置和狀態(tài)做出較為合理的判斷，基本達(dá)到了采空區(qū)探測的目的。

4結(jié)論

通過對禮讓隧道復(fù)雜采空區(qū)段的探測，得出以下結(jié)論。

1)對于采空區(qū)復(fù)雜或者地勘資料完全不詳?shù)膮^(qū)域。首先要做好地質(zhì)調(diào)查，確定區(qū)域內(nèi)是否有采礦的歷史；然后利用綜合物探手段從整體做出地質(zhì)異常區(qū)域判斷；最后經(jīng)過短距離地探雷達(dá)和探孔來確定局部異常區(qū)域的具體情況。

2)物探所得到的結(jié)果一般是地質(zhì)體異常區(qū)域，而對于異常體的標(biāo)高、里程樁號的確定較為模糊，尤其是EH4大地電導(dǎo)率法，存在較大的誤差，而短距離超前地質(zhì)預(yù)報可以很好地彌補物探這一缺點。

3)地電條件有所干擾、地質(zhì)情況復(fù)雜時，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析過程中，要結(jié)合實際揭露地質(zhì)工況資料，不能單純的依據(jù)數(shù)據(jù)云圖做出推斷，以避免步入數(shù)據(jù)理論錯誤的誤區(qū)。

4) 單一的探測方法具有其本身的缺陷，很難根據(jù)一種探測方法做出準(zhǔn)確推斷，利用“深淺結(jié)合、長短結(jié)合”多種探測方法綜合探測，探測結(jié)果相互驗證，可大幅提高探測結(jié)果準(zhǔn)確率。

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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

基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目資助(編號：FRF-TP-14-036A1)；科技北京百名領(lǐng)軍人才培養(yǎng)工程項目資助(編號：Z151100000315014)

作者簡介：劉子松(1989-)，男，碩士研究生，主要從事采礦工程、隧道工程災(zāi)害預(yù)防與治理研究工作。E-mail：137850376@qq.com。

通訊作者：高永濤，男，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)主要從事采礦工程、巖土工程教學(xué)與研究工作。

中圖分類號：P631

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)05-0146-04