［摘要］在隧道施工中，开展超前地质预报能够有效查明隧道掘进前方的不良地质体，保证施工安全。直流电法通过获取隧道附近岩层地电信息来推断隧道掘进面的地质情况，以便预测隧道地质灾害。然而在隧道有限空间内，传统电法勘探工作效率较低且采集数据信息有限。引入并行电法采集系统，将高密度电法采集装置简化为拟地震排列的AM和ABM装置，不但能够转化形成传统电法的各种探测方式，而且可实现电阻率的快速测量，获得更可靠的地电信息。在实际隧道超前探测应用中，设计改进的U型电极观测系统对底板及掘进前方地质异常体进行探测，经反演获得异常体电阻率空间分布形态，为隧道掘进工程提供重要地质信息。
［关键词］并行电法；超前探测；多风险源；长大隧道
0引言
隧道为隐蔽工程且深埋于地下，其岩体的断层构造、破碎带、软弱层及含水体是主要的异常体，易造成塌陷水害等工程事故，并带来严重的经济损失［1］。对工作面周围岩层赋水异常区域判定是减少隧道施工安全隐患的关键，目前用于超前探测的方法主要有直接钻探法、地震波法、电磁波法等［2］。地震波方法采用了回声测量原理,通过分析反射地震波信号的运动学和动力学特征，对断层、岩石破碎等不良地质体的位置、规模、产状及岩石力学参数进行计算与界面提取成图。但是地震波对岩溶和采空效果不明显，探测精确度低；水平钻探方法有精度高、可排除水及有害气体的特点，但其有施工困难、作业时间长及费用高的缺点；电磁波法对突泥涌水等低阻地质体具有敏感的特性，施工成本低，探测精度高，但是易受隧道周边金属体的干扰［3］。在超前探测技术中，网络并行电法具有对低阻地质体敏感、测线布置灵活、采集数据量大、成本低等特点，在隧道等狭小空间环境中的超前探测上具备优势［4］。近年来，许多学者、专家把并行电法、直流电阻率法和直流电法等应用于煤矿掘进工程探测，取得了很大成果［5］。太焦高铁皇后岭隧道位于长治市境内，穿越段为近煤层隧道，掘进过程中经常遇到采空区、溶洞、断层破碎带等地质异常体，容易引发塌方、涌水涌泥等地质灾害。本文在前期地质及地球物理探测基础上，引入并行电法隧道超前探测技术，实际施工过程中设计U型电极观测系统，采用AM与ABM装置，分别对隧道底板及掘进前方地质异常体进行探测，并反演形成异常体电阻率空间分布形态，为隧道掘进施工提供重要地质信息。
1原理
1.1直流电阻率法
直流电阻率法（ResistivityMethod）是以岩、土导电性的差异为基础，在施加稳定电流场的作用下，研究地层中传导电流分布规律的一种无损探测方法［6］。近年来该方法被广泛应用于工程地质勘察中。传统高密度电法兼具剖面法与电测深法的效果，能直接反映异常体状态，是目前较为常用的直流电法手段［7］。其基本原理可以用对称四极装置加以说明。对称四极装置有2个供电电极A、B和2个测量电极M、N。在均匀大地电阻率模型中，通过供电电极A、B向地下提供电流I时，在地下电阻率为ρs的均匀半空间建立起稳定的电场，在M、N处观测电位差△UMN。
1.2高密度电法
高密度电法探测系统采用一次性铺设全部电极，然后通过多路电极自动转换系统，可实现数据采集中的自动电极转换；实际工作中，通过单片机控制装置形式变化、极距大小变化及测点位置滚动，自动完成各测点的多极距、多装置形式数据采集，实现电测深与剖面勘探。
1.3网络并行电法
网络并行电法是直流电阻率法的一种，是在高密度电法勘探基础上发展起来的一种新技术。在传统电法仪的基础上采用单片机电极转换控制系统，通过供电与测量的时序关系对自然场、一次场、二次场电压数据及电流数据自动采样，采样过程无电极空闲［8］。智能电极与网络系统结合，实现了并行电法勘探类似于地震勘探的数据采集功能，大大降低了电法数据的采集时间和成本，最大限度地获取电位在空间上的分布，进行全电场观测。根据电极观测装置的不同，并行电法数据采集方式分为AM法和ABM法2种［9］。同直流电法勘探场源一样，网络并行电法所采用的场源仍然是点电源电场（A）和异性点电源电场（A、B），AM和ABM装置采集过程中某时刻电位分布特征如图3所示。
2网络并行电法超前探测应用
2.1地质背景
我国山西煤炭资源丰富，大量的开采活动使山区遗留了星罗棋布的煤炭采空区，地表沟谷切割较深，山体地质构造复杂，地层岩性多变，隧道建设除发生涌水、塌方、突泥灾害外，还面临高瓦斯威胁。太焦高铁皇后岭隧道位于山西省长治市境内，起始里程为DK241+765，终点里程为DK246+305，全长4540m。隧道进口位于长治县辛呈村西南角，出口位于长治县西八村东南，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层：上层覆盖新生界第四系黄土，下伏石炭系上统太原组、中统本溪组以及奥陶系中统峰峰组岩层，隧道区临近15#煤层。隧道地质剖面如图5所示。皇后岭隧道线路含有大范围浅埋段，穿越煤层、瓦斯、小煤窑采空区、岩溶发育区，为I级高风险隧道，施工环境复杂，给施工安全带来较大隐患。对近煤矿采空区多风险源隧道开挖工作面前方的水文地质条件及不良地质体的位置、产状、规模等进行超前探测，能够及时预防隧道灾害。
2.2野外数据采集
按照现场施工情况和工程要求，采用WBD-1型网络并行电法仪进行数据采集.在隧道掌子面有限空间内，为最大限度提高探测深度及效率，设计U型电位观测系统，在掌子面迎头及临近隧道左右侧帮均匀布置电极，电极间距为1m，平均布置20个电极。为了防止无穷远B极对数据采集造成干扰，将B极放置在离测线100m处，并行电法布置如图6所示。数据采集分别在隧道进口、出口以及斜井小里程和大里程进行。根据现场条件，实际数据采集以ABM法进行，数据采集参数为0.5s，50ms采样间隔，采集电流为单正方式，单次采集时间约10min。
2.3数据处理与解释
网络并行电法数据处理主要包括3大模块：预处理模块→数据处理模块→结果输出模块。预处理模块针对在采集中出现的无效电极、奇异跳点等进行处理，避免计算误差造成假异常；数据处理模块中网络并行电法提供AM法和ABM法2种采集方式，分别从AM及ABM装置中提取相应装置的数据，同时也可提取自然场与激发极化数据。按二极法、温纳三极法、温纳四极法、温纳偶极法和温纳微分法5种方法进行计算，得到视电阻率数据，初步形成视电阻率剖面图，进一步运用反演软件将提取的视电阻率值进行反演运算，获得真电阻率值，用以确定探测区域内的采空区及导水裂隙带分布。网络并行电法反演获得的电阻率剖面如图8所示。浅部低阻（黑色区域）解释为地质异常体。经反演处理隧道掘进前方斜井小里程DK243+470、斜井大里程DK244+090、进口DK242+708以及出口DK245+926处网络并行电法超前探测视电阻率成果如图9所示，反映了掘进迎头前方沿顺层方向岩层视电阻率分布情况。图9中浅色区域为相对低电阻率分布，深色区域为相对高电阻率分布，黑色圆点表示并行电法U型电极布设位置。并行直流电法可以弥补瞬变电磁在浅部存在25m左右的盲区问题，即探测控制隧道前方0～25m的范围。综合现有地质资料对异常区域解释：斜井小里程DK243+470前方5m及20m处存在低阻异常区（图中黑色虚线处）；进口DK242+708前方22m处存在低阻异常区（图中黑色虚线处）。
3结论
太焦高铁近煤矿采空区多风险源隧道掘进过程中的富水导水带超前探测通过综合运用网络并行电法，并结合实际地质概况选取适宜的观测系统，取得了较好的探测效果，后经隧道掘进也验证了上述探测成果。研究结果表明，在有限的隧道空间内，并行电法系统不仅具有传统高密度电法的多极测量功能，同时具有连续快速并行扫描电场的功能，很大程度提高了数据采集效率与可靠性，为隧道掘进的探查、预报提供更加完备的技术支持。
［参考文献］
［1］石继光.隧道施工超前地质预报的研究现状及发展趋势分析［J］.交通世界，2018，471（21）:118-119.
［2］邱爱红，梁忠秋.采掘前方瓦斯异常及小构造超前探测技术［J］.能源技术与管理，2018，43（5）:164-166.
［3］舒森，王树栋，李广，等.瞬变电磁法指导复杂地质隧道超前水平钻探应用［J］.物探与化探，2018，42（6）:212-217.
［4］葛为中，吕玉增，丁云河.梯度电测深剖面法及其应用［J］.物探与化探，2011，35（2）:206-211.
［5］刘洋，吴小平.巷道超前探测的并行MonteCarlo方法及电阻率各向异性影响［J］.地球物理学报，2016，59（11）:4297-4309.
［6］刘盛东，刘静，岳建华.中国矿井物探技术发展现状和关键问题［J］.煤炭学报，2014，39（1）:19-25.
［7］李建楼，刘盛东，张平松，等.并行网络电法在煤层覆岩破坏监测中的应用［J］.煤田地质与勘探，2008，36（2）:61-64.
［8］李丽娟.高密度电阻率法在地质勘探中的应用［J］.科技创新导报，2011（25）:102.
［9］胡水根，刘盛东.电法勘探中并行数据采集与传统数据采集效率的比较研究［J］.地球物理学进展,2010，25（2）：612-617.
［10］刘盛东，郭立全，张平松.巷道前方地质构造MSP法超前探测技术与应用研究［J］.工程地球物理学报，2006，3（6）:437-442.
作者:赵红飞 单位:中铁四局集团第四工程有限公司
