陈亚乾，李 天，普新凯

(云南建投第一勘察设计有限公司，昆明 650031)

0 引言

近年来，云南省交通建设取得重大成就，全省公路总里程已达到24.3×104km。云南地处云贵高原，群山连绵，大部分地区位于西南横断山脉地带，96%以上的面积为山区，地势陡峻，地质条件复杂，修建公路十分困难，在公路建设中设置隧道是不可避免的[1]。一些地质情况相对复杂的隧道，如正在建设的丽香高速公路处于青藏高原东南缘，三江并流核心区，该区以高山地貌为主，地形绵延起伏，河谷切割剧烈,其中的XX隧道在建设过程中出现了塌方冒顶等险情，对浅埋隧道多采取从山顶向塌方体压注水泥的方式来固结松散破碎的岩体，注浆布孔时大多采取等间距“梅花桩”布设，对于注浆效果主要依赖于向塌方体注入水泥浆的体积进行估算，由于受注浆孔影响范围的限制，会出现胶结情况不均匀，可能成为再次引起塌方的诱因。

目前，检测、评价经过注浆加固的场地是否满足工程建设的需要，可采用的手段较多，包括观察法、经验分析法、钻芯取样法、物探检测法等，其中常用物探方法有：高密度电法、地质雷达、电测深、瞬变电磁、钻孔电磁波CT、钻孔地震波CT、瑞雷面波。每种方法都有其各自的优缺点[2]。观察法是在注浆后、开挖过程中或钻孔后观察注浆孔、开挖断面或钻孔的稳定性、涌水、涌砂等情况，定性评价注浆效果，这种方法准确度低，且过于依靠经验。分析法是以对比、经验公式等方式分析评估注浆参数，这种方式只能评价注浆的整体效果，难以确定缺陷的具体位置。变位推测对注浆前后及和注浆过程中的地下水位或地表沉降进行监测，分析二者的变化以间接评估注浆效果，该方法同样难以确定缺陷的具体位置，且效率和准确度相对较低。钻芯取样法通常是建立在前三种检测方法结论的基础上，该方法准确度高，但工期长，成本高，且只能反映钻孔及附近小范围的注浆效果。

目前常采用的方法多为瞬变电磁法或地面高密度电法，但在工程实际应用中这两种方法仅从治理加固前后电磁场特征的变化,对采空区整体注浆效果进行评价，不能有效解析加固后场地内物探异常点的特征。因此，单一地采用瞬变电磁法或高密度电法存在一定的局限性。

笔者以在建的丽香高速公路为例，通过采用多种电、震物探方法与钻探施工相结合，来查明塌方体所在的位置及空腔分布区域，在注浆施工结束后，对注浆区域进行探测，对比注浆区域的物探资料，对塌方体进行综合评价。

1 技术路线

第一阶段：由于高密度电法具有探测速度快，简便高效，能够快速形成长距离连续电性特征剖面的特点，因此针对隧道塌方尚未进行地表注浆处理，采用高密度电法在地表对隧道内的塌方情况进行探测，以期通过塌方体与完整岩体的不同电阻率分布，进行对比判定塌方体在隧道上方的分布情况，提供给注浆施工单位。

第二阶段：针对隧道塌方注浆完成后，拟采用高密度电法在第一次探测相同测线位置再次进行探测，通过两次探测的成果对比，判断第一次探测出的异常区域是否有明显变化，从发生的变化对注浆效果进行判断，若变化不大或者异常范围依然存在，可以向施工单位提出再次注浆的位置；若变化比较明显，希望施工单位进行钻探验证，以期达到满意的注浆效果，最终达到隧道塌方处理后，施工单位能进行下一步工作(图1)。

图1 技术路线图

在实际操作过程中，第一阶段，按拟定的计划完成(测线布置如图2所示)，在实施第二阶段时，由于施工单位所注的水泥浆沿地表流淌(如图2所示的高密度测线与设计线交叉的白色泥浆)，导致地表硬化，在进行第二阶段物探工作再采用高密度电法无法进行，我们提出了在隧道左幅进口尚未开挖的80 m围岩范围内，进行三维TSP技术，以期利用该技术的三维特性，从洞内向地表进行探测，与高密度电法探测隧道塌方区域重叠，发现是否还存在不密实区域；从地表进行物探工作，由以前的高密度电法改为瞬变电磁法，此方法受地形影响不大，与地表不接触，解决因地表硬化无法开展高密度电法，可以与第一阶段做的成果进行对比。

图2 高密度电法测线布置图

2 工程实例

2.1 项目简介

香丽高速公路ZK93+813～ K94+150段XX隧道位于丽江市玉龙县古那湾村南侧，隧道为浅埋、双连拱隧道，最大埋深57 m，隧道区属构造侵蚀、剥蚀中高山峡谷地貌区，地形相对较陡，植被茂密，地质作用以构造剥蚀、风化作用为主。隧道区主要受北西向断裂组之玉龙雪山西断裂带影响。

图3为里程在ZK93+972位置左幅掌子面处施工沉降情况，施工过程中出现塌方，工字钢严重变形，同时右幅二衬裂缝扩大。

图3 隧道地表开裂及洞内钢支撑变形情况

2.2 隧道塌方区探测

第一阶段主要采用高密度电阻率法在地表对隧道塌方体进行探测。高密度电阻率法是常规电阻率法的一种，以岩、矿石的电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的地下稳定电场的分布规律,来解决水文、环境和工程地质问题[2]。

高密度电法野外工作装置形式较多，经常使用的有九种，①α排列(温纳装置AMNB);②β排列(偶极装置ABMN);③γ排列(微分装置AMBN);④δA排列(联合正装置AMN∞);⑤δB排列(联合反装置∞MNB)等适合于固定断面扫描测量；⑥A—M(二极排列);⑦A—MN(三极排列);⑧AB—M(三极排列);⑨AB—MN(偶极排列)，其中α排列因其具有操作方便和对地下异常体的反映比较直观等优点，故该装置在野外工作中最为常用[3～4]。

固定断面扫描测量方法在测量时以剖面线为单位进行测量，一次测量最少测一条剖面线，一个断面由若干条剖面线组成。由于剖面上的测点数随剖面号的增大而向下减少，故断面上的测点数呈倒梯形分布。以α排列(温纳装置AMNB)为例，接地电极数为60，剖面层数为28，其断面测点分布如图4所示。

图4 野外工作装置示意图

变断面连续滚动扫描测量方法在测量时以滚动线为单位进行测量，一次测量至少测一条滚动线，滚动线是一条沿深度方向的直线或斜线，各测点等距分布其上，所有滚动线上具有相同测点号的测点构成一条剖面，不同深度的测点位于不同的剖面上，一条滚动线上的测点数等于断面的剖面数。

为了查明隧道塌方的成因，排除地形影响等外界因素，1号、2号物探测线(图5)与3号、4号、5号测线(图6)以地表可见的塌方区为中心布设(图7)，交角近垂直，可见隧道塌方体处于低电阻率值的区域内，电法剖面的低电阻在10 Ω·m～100 Ω·m之间。根据现场勘察钻探资料，地下水较少或无，低阻异常体由岩体破碎和松散引起(图8)，推测以地表塌方为中心水平影响范围为200 m～300 m，深度影响在10 m～60 m之间，结合现场情况，根据以往经验推测主要是高密度电法仪向下导电过程中，在塌方区空腔区多为块石松散堆积，形成了电流回路，未形成断路，相对应的剖面图上也就未形成空洞的高阻异常，反而空腔区剖面显示为极低阻异常，推测为蜂窝状松散体堆积,推算体积为40 000 m3～50 000 m3。

图6 北西走向测线的电阻率电法立体图

图7 从隧道进口端展示的电阻率电法立体图

图8 对物探异常进行钻探验证的芯样

2.3 注浆效果检测

由于第一阶段注浆后地表硬化和埋设的注浆管残留于隧道里等因素，第二阶段在地表采用了受地表影响较小的瞬变电磁法对注浆后的隧道塌方体向地下进行探测，在洞内利用尚未开挖的围岩段向四周进行TSP探测，以期从不同角度探测同一段隧道塌方体注浆的情况。

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method，TEM)，是利用不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极,观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，解决有关地质问题的时间域电磁法[5]。瞬变电磁场的探测深度主要由测量时间和地下介质的电阻率来确定。瞬变电磁法的激励场源主要有两种，①回线形式(或载流线圈)的磁源;②接地电极形式的电流源[6-7],作者采用的是回线形式的磁源。

瞬变电磁法测线位于高密度电法与隧道设计线交叉处，从测线1现场图(图9)和反演图(图10)看出：由于地表存在钢筋的影响，导致浅部地表5 m范围之上效果较差。在红色虚线范围内，电阻率值由处理前低电阻10 Ω·m～100 Ω·m，转变成了1 000 Ω·m，但垂直距离为15 m～20 m，水平距离为44 m～45 m存在等值线不连续性，电阻率值较低，推测该段存在注浆不完整性，下面两个低阻区域(<900 Ω·m)推测为隧道位置。测线2(图11、图12)是完成注浆的。从图10、图12中看出：浅部受到钢筋铁丝网的影响，地层分辨效果比较差，但在垂直距离20 m左右，存在连续性较好的高阻层，电阻率>1 000 Ω·m，推测注浆完整性较好。

图9 瞬变电磁法1号测线现场

图10 1号测线电阻率剖面图

图11 瞬变电磁法2号测线现场

图12 2号测线电阻率剖面图

“TSP-RF”系统地震波超前预报方法3D-3C是基于不同极化反射地震波来记录的，可以选择不同的震源(大锤，液压锤，见图13)和炸药。锤击震源在合适的地质条件下能够达到150 m的探测范围，炸药震源可达几百米。弹性波记录系统预设了三组分(3C)检波器的可选分配，可将它们分布在隧道壁等位置(一共3～10个检波器)。该技术的理念是专注于航空无线电定位每个3C检波器的工作原理，提出了一个定向覆盖锥形雷达(锥角为45°)。经过极化处理的波场根据每个检波器，在迁移映射的结果，所有覆盖锥还原成一在面部的中心点。在多个振源位置(连续)激发情况下，完整波场矢量分量记录被在现场处理系统，确保在任何方向从四面(前面，后面，两边)收到地块的可靠而稳定的总结性参数化三维图像。该参数图像可靠地识别地块分离元素(地块材料损坏垂直区对应于地块接触不同的地球动力学状态)，通过处理得到的图像可以判别涌水，冒顶和含水区域及破碎带等隧道前方危险情况[8]。

图13 TSP-RF测试现场

从TSP岩体破碎成果图(图14、图15)分析：K93+884～+934掌子面前方反射信号较弱，该区域应力局部有较小变化，岩质较软弱，推测注浆效果一般。K93+934～+944该区段反射信号较强，该区域应力发生剧烈变化，岩质较软弱，岩体较破碎，节理裂隙较发育，推测压注的水泥浆未到达该地段[9]。K93+944～+949掌子面前方反射信号弱，该区域应力未发生变化；岩体稳定性稍好，推测注浆效果一般。K93+949～+954该区段反射信号强，该区域应力发生剧烈变化，岩质较坚硬，岩体破碎，节理裂隙较发育，推测压注的水泥浆未到达该地段。K93+954～+964掌子面前方反射信号较弱，该区域应力未发生明显变化；岩体稳定性整体稍好，推测注浆效果一般。从纵波波速图(图16)来看：隧道左侧K93+939～K93+979段波速值较低在1 400 m/s～1 600 m/s之间，而右侧的波速在2 400 m/s～2 600 m/s之间，结合前期钻探成果，推测在该段岩体很破碎和松散，水泥浆未达到该位置，同时存在隧道偏压问题。从0 m、3 m、6 m、9 m破碎状况应力水平切片(图17)分析：K93+934～K93+954段岩体的纵向延伸10 m范围内依然破碎严重[10-14]。

图14 TSP-RF岩体破碎成果图

图15 松散等级分布图

图16 纵波波速分布图

图17 破碎状况应力分布水平切片

3 结论

通过第一阶段和第二阶段三种地球物理方法的成果对比，隧道塌方区域有了明显地改善，第一阶段使用高密度电法探测出的异常区域，电阻率值<100 Ω·m，而通过第二阶段采用瞬变电磁法对高密度电电法探测出的异常区域进行探测，电阻率值>900 Ω·m，推测隧道塌方区域较严重的松散区注浆后有了明显地改善。通过在隧道左幅进口具备条件的掌子面进行的三维TSP探测，从成果显示来看，局部还是存在破碎松散区域。主要原因是从地表注浆，浆液的流动轨迹不可知，局部未达到注浆的预期效果。

本次综合物探方法的应用研究采用了多种物探方法，即高密度电法、三维TSP及瞬变电磁法这三种方法，通过多个参数的对比实验，清晰地看到了不同物探方法的特点及适用性，通过对比塌方体注浆前后的物探成果进行综合判断，为隧道塌方处理提供依据。该综合物探方法的应用为地质灾害的预测、施工等做出了有益的尝试。