綜合物探方法在隧道隱患排查治理中的應(yīng)用

劉金輝 陳杰 周慧瑩 何洪森 牛雙晨

（四川中成煤田物探工程院有限公司，四川成都 610072）

0.引言

近年來(lái)，川氣東送工程隧道內(nèi)由于煤礦采空區(qū)變形，洞身出現(xiàn)變形破壞，使輸氣安全出現(xiàn)隱患，亟須排查治理。對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)、基底破碎帶等檢測(cè)可以為工程治理提供必要、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐[1]。目前，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)比較常見的檢測(cè)方法有：地質(zhì)雷達(dá)法、多光譜分析法等[2]。其中，地質(zhì)雷達(dá)法是一種無(wú)損、高效、直觀且精確的檢測(cè)方法，在隧道質(zhì)量檢測(cè)中具有不可替代的作用[3]。高密度電法成本低、效率高、信息量豐富，對(duì)探查破碎帶、采空區(qū)等具有明顯優(yōu)勢(shì)[4]。由于隧道區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤礦采空區(qū)多為數(shù)十年前的老采空區(qū)，直接進(jìn)行治理施工難度極大。因此，本次使用地質(zhì)雷達(dá)法和高密度電法相結(jié)合的綜合物探方法，對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)及隧道下方采空區(qū)、破碎帶等進(jìn)行隱患排查，為隧道工程隱患排查治理提供有效數(shù)據(jù)支撐。

1.物探方法原理

1.1 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法通過一對(duì)天線的連續(xù)拖動(dòng)獲得斷面的掃描圖像，由發(fā)射天線T向地下介質(zhì)中發(fā)射一定主頻的電磁脈沖波，脈沖波遇到地下介質(zhì)中的物性界面時(shí)，發(fā)生波的反射和透射；反射的電磁波傳回地面，通過接收天線R進(jìn)行信號(hào)接收（見圖1），在電腦端存儲(chǔ)每一測(cè)點(diǎn)上波形序列的振幅及波的旅行時(shí)間，然后沿測(cè)線方向等間隔移動(dòng)天線，在每一觀測(cè)點(diǎn)可獲取一個(gè)波形序列，進(jìn)而每一條測(cè)線可以形成一條地質(zhì)雷達(dá)剖面。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)示意圖

假如地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在一些缺陷（襯砌脫空、破碎段、空洞等），在地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)中將會(huì)出現(xiàn)異常的特征反射，如果出現(xiàn)襯砌脫空時(shí)將產(chǎn)生夾層反射，出現(xiàn)空洞則會(huì)產(chǎn)生繞射現(xiàn)象等。因此，地質(zhì)雷達(dá)法在隧道襯砌結(jié)構(gòu)層劃分、缺陷檢測(cè)、隱患排查中具有較好的應(yīng)用效果。

1.2 高密度電法

高密度電法是以地層的電性差異為基礎(chǔ)，探測(cè)在人工施加電場(chǎng)的作用下，地下電流傳播的分布規(guī)律，進(jìn)而推斷地下地質(zhì)體分布發(fā)育情況的一種地球物理勘探方法，工作流程如圖2所示。由于地下介質(zhì)是非均勻各向異性的，從而對(duì)電流的阻礙作用也不同，當(dāng)襯砌與基巖基礎(chǔ)面出現(xiàn)破損、脫空，或者基巖內(nèi)部出現(xiàn)破碎、空洞時(shí)，電信號(hào)的傳播就會(huì)受到影響，例如當(dāng)破碎區(qū)充水時(shí)，水是低阻體，測(cè)量結(jié)果就會(huì)反映低阻異常，當(dāng)破碎區(qū)為空氣時(shí)則會(huì)反映高阻異常。因此，高密度電法在隧道破碎帶排查中具有良好的應(yīng)用效果。

圖2 高密度電法工作示意圖

2.檢測(cè)結(jié)果

2.1 隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)成果

通過地質(zhì)雷達(dá)對(duì)襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，襯砌缺陷類型主要包括空洞、破碎段、襯砌脫空等。如圖3所示，波形紊亂，為典型破碎段特征；如圖4所示，產(chǎn)生繞射，為典型空洞特征；如圖5所示，出現(xiàn)夾層反射，為典型襯砌脫空特征。

圖3 襯砌缺陷（破碎段）

圖4 襯砌缺陷（空洞）

圖5 襯砌缺陷（襯砌脫空）

2.2 隧道下方基巖層破碎情況檢測(cè)結(jié)果

通過高密度電法對(duì)基巖層破碎情況進(jìn)行檢測(cè)。如圖6所示為一塊異常過渡區(qū)，標(biāo)號(hào)為g6，該區(qū)域電阻率明顯高于這段區(qū)域兩側(cè)的電阻率，而在這段區(qū)域的兩側(cè)均有明顯的低阻圈閉異常，推測(cè)是由斷層下盤K4煤層采空區(qū)產(chǎn)生的空洞充水引起的。結(jié)合地質(zhì)資料，該地區(qū)巖層面較陡，當(dāng)采空區(qū)塌陷或基巖破碎時(shí)，難以形成良好的圈閉條件，水會(huì)沿著破裂面流走，從而形成一塊相對(duì)高阻異常區(qū)，再結(jié)合測(cè)量時(shí)，對(duì)地表有水段和出水泉眼位置的記錄，推測(cè)這一區(qū)域?yàn)槠扑閹А?/p>

圖6 采空區(qū)破碎異常

2.3 綜合分析與評(píng)價(jià)

隧道穿過采空區(qū)，采空區(qū)破碎帶不均勻沉降，其應(yīng)力與圍巖有差異，再加上地層中有幾套粗粒砂巖含水性強(qiáng)，經(jīng)過長(zhǎng)期水的搬運(yùn)、剝蝕，使采空區(qū)極不穩(wěn)定，采空區(qū)塌陷后仍然會(huì)在原地留下破碎帶，甚至部分地區(qū)破碎帶還會(huì)向外延伸。如圖7所示，高密度電法檢測(cè)出的6段異常區(qū)域的位置，均位于煤層采空區(qū)附近，通過探地雷達(dá)檢測(cè)，也可以發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)地面測(cè)線異常區(qū)域最多，側(cè)壁和拱頂內(nèi)部基巖破碎地段相對(duì)較少。

圖7 綜合物探對(duì)比圖（上為地質(zhì)雷達(dá)，下為高密度電法）

3.結(jié)語(yǔ)

本次將地質(zhì)雷達(dá)法與高密度電法相結(jié)合的綜合物探方法應(yīng)用于隧道隱患排查治理中。實(shí)踐結(jié)果表明，綜合物探方法施工成本低、工作效率高、應(yīng)用效果較好，能夠查明隧道襯砌脫空、破碎段、空洞以及基巖層破碎帶等隧道隱患發(fā)育分布情況，可以為隧道工程治理提供數(shù)據(jù)支撐。