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［摘要］在隧道施工中，開展超前地質預報能夠有效查明隧道掘進前方的不良地質體，保證施工安全。直流電法通過獲取隧道附近巖層地電信息來推斷隧道掘進面的地質情況，以便預測隧道地質災害。然而在隧道有限空間內，傳統電法勘探工作效率較低且采集數據信息有限。引入并行電法采集系統，將高密度電法采集裝置簡化為擬地震排列的AM和ABM裝置，不但能夠轉化形成傳統電法的各種探測方式，而且可實現電阻率的快速測量，獲得更可靠的地電信息。在實際隧道超前探測應用中，設計改進的U型電極觀測系統對底板及掘進前方地質異常體進行探測，經反演獲得異常體電阻率空間分布形態，為隧道掘進工程提供重要地質信息。
0引言
隧道為隱蔽工程且深埋于地下，其巖體的斷層構造、破碎帶、軟弱層及含水體是主要的異常體，易造成塌陷水害等工程事故，并帶來嚴重的經濟損失［1］。對工作面周圍巖層賦水異常區域判定是減少隧道施工安全隱患的關鍵，目前用于超前探測的方法主要有直接鉆探法、地震波法、電磁波法等［2］。地震波方法采用了回聲測量原理,通過分析反射地震波信號的運動學和動力學特征，對斷層、巖石破碎等不良地質體的位置、規模、產狀及巖石力學參數進行計算與界面提取成圖。但是地震波對巖溶和采空效果不明顯，探測精確度低；水平鉆探方法有精度高、可排除水及有害氣體的特點，但其有施工困難、作業時間長及費用高的缺點；電磁波法對突泥涌水等低阻地質體具有敏感的特性，施工成本低，探測精度高，但是易受隧道周邊金屬體的干擾［3］。在超前探測技術中，網絡并行電法具有對低阻地質體敏感、測線布置靈活、采集數據量大、成本低等特點，在隧道等狹小空間環境中的超前探測上具備優勢［4］。近年來，許多學者、專家把并行電法、直流電阻率法和直流電法等應用于煤礦掘進工程探測，取得了很大成果［5］。太焦高鐵皇后嶺隧道位于長治市境內，穿越段為近煤層隧道，掘進過程中經常遇到采空區、溶洞、斷層破碎帶等地質異常體，容易引發塌方、涌水涌泥等地質災害。本文在前期地質及地球物理探測基礎上，引入并行電法隧道超前探測技術，實際施工過程中設計U型電極觀測系統，采用AM與ABM裝置，分別對隧道底板及掘進前方地質異常體進行探測，并反演形成異常體電阻率空間分布形態，為隧道掘進施工提供重要地質信息。
1原理
1.1直流電阻率法
直流電阻率法（ResistivityMethod）是以巖、土導電性的差異為基礎，在施加穩定電流場的作用下，研究地層中傳導電流分布規律的一種無損探測方法［6］。近年來該方法被廣泛應用于工程地質勘察中。傳統高密度電法兼具剖面法與電測深法的效果，能直接反映異常體狀態，是目前較為常用的直流電法手段［7］。其基本原理可以用對稱四極裝置加以說明。對稱四極裝置有2個供電電極A、B和2個測量電極M、N。在均勻大地電阻率模型中，通過供電電極A、B向地下提供電流I時，在地下電阻率為ρs的均勻半空間建立起穩定的電場，在M、N處觀測電位差△UMN。
1.2高密度電法
高密度電法探測系統采用一次性鋪設全部電極，然后通過多路電極自動轉換系統，可實現數據采集中的自動電極轉換；實際工作中，通過單片機控制裝置形式變化、極距大小變化及測點位置滾動，自動完成各測點的多極距、多裝置形式數據采集，實現電測深與剖面勘探。
1.3網絡并行電法
網絡并行電法是直流電阻率法的一種，是在高密度電法勘探基礎上發展起來的一種新技術。在傳統電法儀的基礎上采用單片機電極轉換控制系統，通過供電與測量的時序關系對自然場、一次場、二次場電壓數據及電流數據自動采樣，采樣過程無電極空閑［8］。智能電極與網絡系統結合，實現了并行電法勘探類似于地震勘探的數據采集功能，大大降低了電法數據的采集時間和成本，最大限度地獲取電位在空間上的分布，進行全電場觀測。根據電極觀測裝置的不同，并行電法數據采集方式分為AM法和ABM法2種［9］。同直流電法勘探場源一樣，網絡并行電法所采用的場源仍然是點電源電場（A）和異性點電源電場（A、B），AM和ABM裝置采集過程中某時刻電位分布特征如圖3所示。
2網絡并行電法超前探測應用
2.1地質背景
我國山西煤炭資源豐富，大量的開采活動使山區遺留了星羅棋布的煤炭采空區，地表溝谷切割較深，山體地質構造復雜，地層巖性多變，隧道建設除發生涌水、塌方、突泥災害外，還面臨高瓦斯威脅。太焦高鐵皇后嶺隧道位于山西省長治市境內，起始里程為DK241+765，終點里程為DK246+305，全長4540m。隧道進口位于長治縣辛呈村西南角，出口位于長治縣西八村東南，最大埋深142.56m位于DK244+740，地面高程1131.02m。隧道穿越段主要分布地層：上層覆蓋新生界第四系黃土，下伏石炭系上統太原組、中統本溪組以及奧陶系中統峰峰組巖層，隧道區臨近15#煤層。隧道地質剖面如圖5所示?；屎髱X隧道線路含有大范圍淺埋段，穿越煤層、瓦斯、小煤窯采空區、巖溶發育區，為I級高風險隧道，施工環境復雜，給施工安全帶來較大隱患。對近煤礦采空區多風險源隧道開挖工作面前方的水文地質條件及不良地質體的位置、產狀、規模等進行超前探測，能夠及時預防隧道災害。
2.2野外數據采集
按照現場施工情況和工程要求，采用WBD-1型網絡并行電法儀進行數據采集.在隧道掌子面有限空間內，為最大限度提高探測深度及效率，設計U型電位觀測系統，在掌子面迎頭及臨近隧道左右側幫均勻布置電極，電極間距為1m，平均布置20個電極。為了防止無窮遠B極對數據采集造成干擾，將B極放置在離測線100m處，并行電法布置如圖6所示。數據采集分別在隧道進口、出口以及斜井小里程和大里程進行。根據現場條件，實際數據采集以ABM法進行，數據采集參數為0.5s，50ms采樣間隔，采集電流為單正方式，單次采集時間約10min。
2.3數據處理與解釋
網絡并行電法數據處理主要包括3大模塊：預處理模塊→數據處理模塊→結果輸出模塊。預處理模塊針對在采集中出現的無效電極、奇異跳點等進行處理，避免計算誤差造成假異常；數據處理模塊中網絡并行電法提供AM法和ABM法2種采集方式，分別從AM及ABM裝置中提取相應裝置的數據，同時也可提取自然場與激發極化數據。按二極法、溫納三極法、溫納四極法、溫納偶極法和溫納微分法5種方法進行計算，得到視電阻率數據，初步形成視電阻率剖面圖，進一步運用反演軟件將提取的視電阻率值進行反演運算，獲得真電阻率值，用以確定探測區域內的采空區及導水裂隙帶分布。網絡并行電法反演獲得的電阻率剖面如圖8所示。淺部低阻（黑色區域）解釋為地質異常體。經反演處理隧道掘進前方斜井小里程DK243+470、斜井大里程DK244+090、進口DK242+708以及出口DK245+926處網絡并行電法超前探測視電阻率成果如圖9所示，反映了掘進迎頭前方沿順層方向巖層視電阻率分布情況。圖9中淺色區域為相對低電阻率分布，深色區域為相對高電阻率分布，黑色圓點表示并行電法U型電極布設位置。并行直流電法可以彌補瞬變電磁在淺部存在25m左右的盲區問題，即探測控制隧道前方0～25m的范圍。綜合現有地質資料對異常區域解釋：斜井小里程DK243+470前方5m及20m處存在低阻異常區（圖中黑色虛線處）；進口DK242+708前方22m處存在低阻異常區（圖中黑色虛線處）。
3結論
太焦高鐵近煤礦采空區多風險源隧道掘進過程中的富水導水帶超前探測通過綜合運用網絡并行電法，并結合實際地質概況選取適宜的觀測系統，取得了較好的探測效果，后經隧道掘進也驗證了上述探測成果。研究結果表明，在有限的隧道空間內，并行電法系統不僅具有傳統高密度電法的多極測量功能，同時具有連續快速并行掃描電場的功能，很大程度提高了數據采集效率與可靠性，為隧道掘進的探查、預報提供更加完備的技術支持。
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作者:趙紅飛 單位:中鐵四局集團第四工程有限公司
