基于視電阻率法測試技術的隧道圍巖松動圈測定

劉蒙,唐海*,馬諭杰,耿世明,潘永康,星曉金,武俊博

(1. 湖南科技大學 資源環境與安全工程學院, 湖南 湘潭 411201;2.中國核工業華興建設有限公司, 江蘇 南京 210000)

目前,常見的圍巖松動圈厚度大小測試方法有聲波法、地質雷達法、地震波法、電阻率法、鉆孔成像法和多點位移計法等.聲波法是目前應用最廣泛的一種方法,技術成熟,操作容易,但由于需要鉆孔并用水做耦合劑,所以只適用于巖性比較好、破碎程度較低的隧道或硐室[1],不然在鉆孔過程中容易塌孔,或者由于巖體過于破碎,導致水流失過快從而無法與圍巖耦合.其他幾種方法也各有缺點,如地質雷達法儀器貴,成本高;地震波法分析比較困難;鉆孔成像法儀器貴,操作過于繁瑣;多點位移計法工作量大,測量周期較長,精度不高[2-3].除地質雷達法外,其他幾種方法均需要鉆孔,而在鉆孔過程中會產生動荷載,圍巖在動荷載的擾動下,其松動圈厚度會隨著擾動的出現而發生變化,造成測量值與實際值偏差過大.而視電阻率法無需鉆孔,不會對圍巖產生擾動,可以實現無損檢測,同時具有操作簡單,可以實時測試,測量時間短,速度快等優點.因此,可以通過瞬變電磁儀探測獲取圍巖的視電阻率值,根據視電阻率值來區分松動圈與塑性區的邊界,確定松動圈的大小,判別出圍巖類別,從而提出安全可靠的支護方案.本文根據視電阻率松動圈測試方法,測定了某個隧道的松動圈,并根據測定的松動圈范圍設計了支護方案.為視電阻率方法在松動圈的測試中提供借鑒并推動視電阻率方法在工程中的應用.

1 松動圈測試技術

1.1 圍巖松動圈形成機理

圍巖松動圈的大小是分析隧道穩定性以及提出合理支護方式的一個關鍵因素.隧道在掘進前,受三向應力作用,巖體處于應力平衡狀態;隧道掘進后,會導致圍巖卸荷回彈以及應力重新分布,隧道周邊徑向應力下降為零,三向應力狀態變成兩向應力,同時環向應力集中.此時,如果集中應力不斷發展并逐漸超過圍巖強度,那么離巷道周邊最近的圍巖開始破壞,并隨著集中應力的增加,破壞逐步向深部發展,當發展到一定的深度后,圍巖會形成新的三向應力平衡狀態,破壞便不會再產生[4-5].通常將圍巖中產生的松弛破碎區定義為圍巖松動圈.松弛破碎區之外,是塑性區和彈性區,如圖1所示.

圖1 圍巖松動圈

1.2 測試原理

電阻率是巖石一個重要的電性參數[6],視電阻率法測試圍巖松動圈是以圍巖導電性強弱的不同為基礎.許多學者認為,在巖石電阻率方面,巖性[7]、孔隙率[8]、含水量[9-10]、溫度[11]、破裂[12]對巖石電阻率的影響較大,在前4項條件變化不大的情況下,破裂程度的大小是影響電阻率的主要因素[6].根據巖石電阻率的驟變情況,判別松動圈與塑性區的分界是完全可行的.松動圈范圍內的巖體非常破碎,導致孔隙率很高,因此電阻率高;而松動圈之外的塑性區和彈性區,巖體完整致密,所以電阻率就低.

圖2 瞬變電磁儀工作原理

試驗采用中煤科工集團重慶研究院自主研發的YCS-40礦用本安型瞬變電磁儀作為探測工具.瞬變電磁儀工作原理如圖2所示.YCS-40通過發射線圈向圍巖發射一次脈沖磁場,在一次脈沖磁場間歇期間利用接收線圈測量圍巖介質引起的二次感應渦流磁場[13],從而達到探測介質視電阻率的目的,最后對采集得到的數據進行軟件分析并反演成圖獲得圍巖松動圈的大小.值得注意的是,視電阻率并不是只與巖石的電阻率有關,它除了受巖石電阻率的綜合影響外,還與巖石的分布狀態、電極排列等具體情況有關.但總的來說巖石電阻率產生的影響占據了主要部分,僅依據電阻率所呈現出的規律就可以滿足判別圍巖松動圈厚度的條件,所以并沒有把巖石的分布狀態、電極排列等具體情況所造成的影響考慮在內.

2 工程實例

2.1 地質條件

試驗隧道圍巖狀況以棕紅色為主,巖性為含礫粗砂巖與砂礫巖等.礫石以花崗巖礫為主,變質巖礫與石美礫次之;碎屑結構為主,偶見泥質結構;構造以(斜)層理構造為主.風化裂隙較發育,局部結構部分破壞,多為泥鈣質膠結,巖芯呈短柱狀或碎塊狀.單孔RQD(巖芯質量指標)值為29.30～72.43,加權平均值為46.68,巖石質量差.

2.2 現場布置

該隧道開挖斷面凈尺寸為4.0 m×5.2 m(寬×高),開挖面積為20.8 m2,掘進后兩幫和頂板就需要及時進行支護,以防止隧道冒頂.而支護需要立型鋼鋼架、鋼筋網片和打入錨桿,這些金屬設施在瞬變電磁儀探測中能產生很強的瞬變電磁響應,有研究表明在隧道支護后的地方采用重疊回線組合測量時,比裸巖區域的瞬變電磁響應高幾倍[14],所以在實測時應盡量避開已經完成支護的地方,同時在可能受影響的地方做好標記,以便在資料解釋時排除此類影響.

為了能夠不受金屬影響并準確探測出隧道圍巖松動圈的厚度大小,探測試驗應在鉆爆掘進后,且支護尚未進行前開展.為了提高測量精確度,借鑒了易帥[15]采用瞬變電磁儀測試松動圈厚度的方法,測量前用4根1.5 m長的木棍把柔性線圈固定成邊長為1.5 m×1.5 m的正方形.然后分別在隧道距離掌子面1～4 m處左右側、頂板處緊貼巖壁各布置一條測線,線圈在每條測線上不重疊的采集2次數據,每次1.5 m,共3 m長,探測示意圖如圖3所示.

圖3 探測示意圖

現場探測步驟如圖4所示.探測步驟：(1)現場組裝線圈和發射電源；(2)兩名工作人員把線圈緊貼巖壁放置；(3)采集數據.采集完數據后,為了計算視電阻率,使用YCS-40礦用本安型瞬變電磁儀自帶的數據處理軟件MSD-2010,然后采用Surfer8.0軟件繪制成等值線圖.

圖4 探測步驟

2.3 可行性驗證

為探討視電阻率大小與巖層組成的內在關系,驗證瞬變電磁儀探測圍巖松動圈的可行性,分別通過卷尺和瞬變電磁儀對一處粗骨料堆進行堆放高度測試對比.如圖5所示,粗骨料堆由直徑大于5 mm的碎石構成,兩側用磚墻圍擋,粗骨料堆底部為C20素混凝土地面層.

圖5 粗骨料

首先通過卷尺對粗骨料堆進行了高度測量,結果顯示粗骨料堆高度約為2.5 m.其中,現場通過用鐵鍬從上向下挖掘粗骨料堆,發現高度在2～2.5 m時的粗骨料較為干燥,這是由于此處粗骨料接近外部自然環境,大量水分被自然蒸發,所以含水低;而高度在0～2 m時的粗骨料,由于埋藏在底部,不與外部自然環境接觸,水分很少被自然蒸發,所以含水高,較為潮濕.另經查看堆料地坪設計施工圖,得知粗骨料堆底部的素混凝土層厚度為0.25 m.隨后通過瞬變電磁儀對粗骨料堆進行探測,經過探測和軟件分析后,視電阻率等值線圖如圖6所示.

圖6 粗骨料視電阻率等值線

從圖6中可以看到,0～-0.5 m內(此處對應的是粗骨料堆2～2.5 m高度)等值線較密集,視電阻率由高到低逐漸下降,其原因是該區域內粗骨料水分較少,比較干燥;而-0.5～-2.5 m內(此處對應的是粗骨料堆0～2 m高度)等值線較均勻且視電阻率較穩定,這是由于該區域內粗骨料含水較多,比較潮濕.根據文獻[9]的研究:同一種形態的物質其電阻率會隨著含水率的增加而降低,隨著含水率的降低而增加.這與粗骨料堆0～-2.5 m所展現的特征相吻合;-2.5～-2.75 m這一范圍視電阻率驟降,此處應為25 cm厚C20素混凝土地面層,這是由于素混凝土層內密度很高,內部空間較粗骨料堆而言完整密實,且幾乎不含水分;-2.75 m之后應為原地面層,由土和碎石組成,孔隙率變大,所以等值線又重新密集起來且視電阻率增大.因此可將視電阻率驟降之前的0～-2.5 m視為粗骨料堆的高度,粗骨料堆的高度約為2.5 m.

利用瞬變電磁儀能夠探測物質的視電阻率這一特點,對粗骨料堆進行了探測.結果表明,空隙較多的粗骨料堆視電阻率值較高,而相比之下完整密實的素混凝土層視電阻率值較低.將此結果運用到探測隧道圍巖上,巖性差、破碎程度高的圍巖視電阻率值應該較高,而巖性好、破碎程度低的圍巖視電阻率值應該較低.通過卷尺和瞬變電磁儀的厚度測試對比,兩者的結果比較接近,同為2.5 m左右,說明用瞬變電磁儀探測圍巖松動圈是可行的.

2.4 測試結果分析

首先對隧道內一處未進行仰拱初支的底板進行試驗.底板視電阻率等值線如圖7所示.圖7中0～ -0.2 m區域內等值線分布非常密集,視電阻率最高,該區域內視電阻率值保持在200以上,推測可能是因為該區域由淤泥和碎石塊組成,并未到達巖石層,經后期現場原地挖掘,正如推測所言,經過0.2 m厚的淤泥碎石塊層后才到達巖石層;-0.2～-2.1 m區域內等值線不再像之前那樣密集,逐漸變得稀松且視電阻率值逐漸下降,區域內視電阻率平均值為100左右,原因是隨著埋深的不斷增加,進入圍巖松動圈范圍內,圍巖破碎程度逐漸降低;-2.1 m以后,等值線消失,視電阻率較低,此區域內巖石不再破碎,具有一定的完整性,已到達圍巖塑性區范圍內.此次試驗說明,松動圈范圍內圍巖的視電阻率不會保持在一個定值,而是隨著圍巖破碎程度的降低而降低;而圍巖松動圈之外,巖體具有一定的完整性,所以其視電阻率幾乎保持不變.根據視電阻率等值線圖,-0.2～-2.1 m處等值線密集、視電阻率高,符合松動圈內的巖石特征,可將這一區域作為圍巖松動圈范圍.

圖7 底板視電阻率等值線

隨后,分別在隧道內3個不同里程斷面處進行了松動圈范圍的測試,里程樁號分別為K0+667 m～K0+670 m,K0+700 m～K0+703 m,K0+758 m～K0+761 m,得到不同里程斷面的松動圈厚度.圖8為K0+667 m～K0+670 m處視電阻率等值線圖.從視電阻率等值線圖中可以清晰地看到左側松動圈厚度為2 m,右側松動圈厚度為1.95 m左右,頂板松動圈厚度為2.1 m左右.根據此前的地震波法超前地質預報,此處為斷層破碎帶與影響帶,斷層內主要為斷層泥、斷層角礫及碎裂砂巖、泥巖、頁巖、灰巖等,巖體極破碎,呈角礫碎石狀松散結構,易塌方.同時,參考董方庭[16]提出的圍巖分類方法(見表1),判斷出此處圍巖類型為Ⅴ類圍巖.

圖8 K0+667 m～K0+670 m處視電阻率等值線

表1 隧道圍巖松動圈分類

圖9a為K0+700 m～K0+703 m處左側視電阻率等值線圖,松動圈厚度約為2.18 m左右;圖9b為右側視電阻率等值線圖,松動圈厚度約為2.1 m左右;圖9c為頂板視電阻率等值線圖,松動圈厚度接近2.25 m.根據此前的地震波法超前地質預報,此處為斷層破碎帶與影響帶,斷層內主要為斷層泥、斷層角礫及碎裂砂巖、泥巖、頁巖、灰巖等,巖體極破碎,呈角礫碎石狀松散結構,易塌方.同時,參考表1內容,判斷出此處圍巖類型為Ⅴ類圍巖.

圖10a為K0+758 m～K0+761 m處左側視電阻率等值線圖,松動圈厚度為1.75 m;圖10b為右側視電阻率等值線圖,松動圈厚度約為1.68 m;圖10c為頂板視電阻率等值線圖,松動圈厚度約為1.77 m.根據此前的地震波法超前地質預報,此處為砂巖夾泥巖、礫巖,弱風化,節理發育,呈塊狀、碎石狀鑲嵌結構或碎石狀壓碎結構,易塌方掉塊.同時,參考表1內容,判斷出此處圍巖類型為IV類圍巖.

圖10 K0+758 m～K0+761 m處視電阻率等值線

3 支護方案

董方庭[16]指出:松動圈擴展過程中產生的碎脹力及其所造成的有害變形是隧道支護的主要對象;圍巖松動圈尺寸越大,隧道收斂變形也越大,支護越困難.因此對于大尺寸的松動圈,在設計支護方案時應充分考慮其擴展過程中產生的碎脹力及收斂變形.

對隧道內3個不同里程斷面處圍巖松動圈進行測試,3處的圍巖松動圈厚度在1.68～2.25 m,都大于1.5 m,屬于大松動圈[17],圍巖類別為Ⅳ,Ⅴ類.根據圍巖松動圈的實際厚度,對現場Ⅳ,Ⅴ類圍巖區域采用了不同的鋼架錨噴網聯合支護.具體支護參數見表2.

表2 支護參數

后期采用收斂計監測隧道變形,監測數據顯示這3處的隧道左側、右側和頂板的收斂速率均小于0.02 mm/d,屬于穩定隧道[18-19].由此說明該支護方案是安全合理可靠的,采用此支護方案對隧道進行支護,現場隧道圍巖無垮落或大變形現象.

4 結論

1)巖體內部較破碎時,視電阻率值明顯偏高,等值線密集;巖體內部較為完整時,視電阻率值較低,等值線稀松.因此,通過視電阻率值高低驟變來確定圍巖松動圈厚度是可行的.

2)使用瞬變電磁儀對隧道爆破開挖后圍巖的松動圈厚度進行監測,確定了圍巖松動圈厚度分別為1.95～2.1 m,2.1～2.25 m,1.68～1.77 m,其圍巖類別分別為Ⅴ類,Ⅴ類,IV類圍巖.

3)根據圍巖類別,確定了不同的鋼架錨噴網聯合支護方案,經后期變形監測,收斂速率在合理的范圍內,隧道變形小,支護可靠.