摘要:針對巖溶發育地區隧道開挖時現有地質預報技術對巖溶突水較難做出準確預測的問題，設計出大斷面三維多匝小回線瞬變電磁探測技術。依據巖溶發育特點，采用數值模擬方法對隧道掌子面前方25m和50m處不同體積富水溶洞進行模擬，研究掌子面前方不同距離和規模的低阻異常體瞬變電磁響應特征。基于數值模擬結果，在張吉懷鐵路古丈隧道巖溶發育段進行探測驗證，結果表明:1)溶洞模型在二維視電阻率等值線斷面圖上25m和50m處形成閉合、視電阻值小于60Ω·m的低阻區，低阻區與設計的模擬體的位置和范圍一致;2)大斷面三維多匝小回線瞬變電磁探測三維顯示結果與現場實際揭露情況基本吻合，采用該技術能夠準確預報掌子面前方17～30m、隧道兩側20m到隧道中軸線的充泥含水溶洞。

　　關鍵詞:巖溶隧道;瞬變電磁法;三維超前探測;數值模擬

　　隧道工程師論文范文：公路橋梁隧道的試驗檢測研究

　　摘要:隨著我國經濟水平的不斷增長，公路橋梁隧道的數量也在逐年增加。而除數量的變化外，我們對路橋施工的質量也愈加關心起來，這不僅關系到道路運營的經濟效益，更關系到廣大群眾切身的安全，因此本文將對公路橋梁隧道的實驗檢測環節進行深度剖析研究，以找到更加高效安全的檢測方式來滿足民眾對安全的考量。

　　0引言

　　在我國西南部(特別是有巖溶發育的地區)修建鐵路時往往要穿越山區，即會出現長大埋深隧道，此類隧道在開挖過程中面臨巖溶突水的風險[1-2]，嚴重威脅施工人員和設備的安全。富水充泥溶腔的準確預報是目前地質超前預報技術面臨的難點[3-4]，隧道應用較多的地質預報物探方法有地質雷達法和地震反射波法(TSP)，地質雷達法屬于近距離(30m)預報技術[5];而TSP為彈性波波阻抗預報技術[6]，在長距離下預報巖溶水、裂隙水、地層水等存在難度[7]。瞬變電磁法是一種電磁感應探測方法，是一種對含(富)水構造體較敏感的勘探技術[8]，該技術能夠在隧道掌子面進行多角度、多斷面測量。

　　自20世紀90年代瞬變電磁法引入隧道超前地質預報以來，薛國強等[9]對不同地電斷面情況下的異常體電磁響應進行定性分析，得出采用瞬變電磁法探測不良地質體是可行的結論;李貅等[10]研究得出瞬變電磁法對低阻含水斷層、充泥富水溶洞、含水含泥破碎帶等不良地質體探測反應靈敏;譚代明[11]通過改變低阻異常體埋深、半徑、電阻率及高阻圍巖的電阻率，得到了各參數變化對結果的影響程度;趙雪平[12]利用ANSYS軟件，對巖溶隧道的瞬變電磁法超前地質預報進行了模擬計算，結果表明瞬變電磁法對巖溶體探測敏感，驗證了瞬變電磁法超前預報的可行性。

　　前人對巖溶發育隧道瞬變電磁法作了較系統的研究，但隧道掌子面瞬變電磁超前地質預報研究都是基于隧道內單條或幾條、自隧道左側到右側測線的數據采集，依據感應電動勢剖面和二維視電阻率斷面來進行解釋，無法準確定位掌子面前方不良地質體的空間范圍。隨著隧道面臨越來越復雜的地質情況，對開挖前探測精度和不良地質體的定位提出了更高的要求。因此，本文借鑒煤礦中應用較成熟的小巷道斷面多匝小回線扇形斷面瞬變電磁超前探測技術，開展隧道大斷面三維瞬變電磁超前地質預報技術，通過數值模擬研究掌子面前方不同距離、規模的低阻異常體瞬變電磁響應特征，以期對隧道掌子面前方80m、洞軸線30m范圍內巖溶發育構造進行三維空間定位。

　　1瞬變電磁超前探測技術

　　1.1瞬變電磁法原理

　　隧道掌子面瞬變電磁法是利用磁偶源裝置形式，在掌子面布設發射線圈激發脈沖電流產生一次電磁場，在發射間隙用接收裝置接收掌子面前方圍巖產生的二次場，由于二次場隨時間的強弱與周圍地下地質體的導電性分布成正相關關系，通過對接收到的數據進行成圖處理、分析和解釋，可以探測到掌子面前方圍巖富水性分布情況[13]。依據小線框全空間瞬變電磁法“煙圈效應”原理推算出“煙圈”將沿47°傾斜錐面向外傳播[14]，在隧道掌子面，對每一個探測點設計探測角度為α。

　　采用α±β(β為任意一小角，β<47°)角度變化法，可以避免盲區，減小體積效應，實現對有效區域的高密度全覆蓋探測，準確收集地質信息，確保地質解釋的準確性和精度，這也是設計扇形探測角度間隔的依據。

　　1.2隧道掌子面大斷面超前探測技術

　　對于隧道掌子面，其超大斷面的瞬變電磁裝置布置是面臨的難點，隧道建設的工期安排緊湊，這就需要設計的探測角度疏密合理，且施工便捷。借鑒煤礦小巷道掌子面的2m方形多匝線圈裝置，在隧道掌子面多匝線圈的法線方向成自以隧道左側與軸線成60°夾角為起始探測角度，以等間隔5°、10°或者15°向隧道右側旋轉至與中軸線成60°為最后一個探測角度的一個扇形探測斷面。富水性較強的區域主要集中在隧道中軸線右側，3個不同等間隔的異常在斷面上的位置和范圍幾乎一致，依據隧道后期開挖揭露情況可知，在該范圍拱頂及邊墻有不同程度的滲水、線性出水情況。在掌子面使用12.5Hz發射、疊加200次再施加等間隔5°采樣一個斷面所用時間為20min，10°需要10min，15°需要6min。在隧道掌子面建議使用15°等間隔，這樣施工效率高，能夠滿足對隧道前方圍巖富水情況探查的要求。

　　在隧道掌子面設計由點到面、由面到體的3D探測技術。通過前期試驗，制作了專業的角度控制支架，最大限度地減少人為干擾因素對最終采集數據的影響。具體的施工流程是:1)在隧道掌子面中心線上距離掌子面0.4m處架設角度控制支架，布置收發裝置;2)采用扇形斷面、等間隔15°進行數據采集);3)將數據離散到對應的空間坐標系下)。最后使用Voxler軟件[15]，對離散化的三維數據網格化，輸出異常體等勢面圖以及各個方向的視電阻率等值線切片圖，進行綜合對比分析。

　　2巖溶體數值模擬

　　2.1模擬參數設置

　　巖溶發育隧道面臨的富水或充泥溶洞發育在隧道開挖路徑的位置距離掌子面有遠有近，規模有大有小，發育形態也是千變萬化的。將這些地質構造簡化成可以進行數值模擬的構造模型。設計數值模型中以形狀近似的低阻體來替代真實情況下的溶洞，通過總結模型的瞬變電磁響應規律來提高實地探測資料的解釋精度。利用ANSYS有限元軟件對隧道前方富水(充泥)溶洞進行瞬變電磁三維正演模擬，對整個模型進行離散化處理，將模型劃分成一定數量的單元，建立每個小單元上的待求解的近似解，進而求得整個模型的近似解，采用以有限單元上的場量作為變量的計算方式具有較高的計算精度[16]。建立隧道全空間模型，模型尺寸為500m×500m×600m，假定隧道掌子面形狀為矩形，隧道斷面寬10m、高13m，隧道已開挖距離為200m，富水巖溶體位于掌子面正前方25m和50m處，分別設置為邊長為10m和20m的立方體模型。

　　3工程應用

　　新建張吉懷鐵路古丈隧道位于湖南省古丈縣紅石林鎮、羅依溪鎮境內，線路總體近南西(169°～210°)。場區屬溶蝕構造中低山地貌，沿線地形標高為400～800m，地形陡峭，地勢起伏大。隧道穿越寒武系下統頁巖、灰巖，寒武系中統白云巖、泥灰巖、灰巖、白云質灰巖以及寒武系上統灰巖等地層。該隧道起訖里程為DK81+257.32～DK86+138.00，長4880.68m。

　　隧道穿越構造侵蝕—溶蝕中低山區和構造溶蝕中低山區。地表及地下巖溶極為發育，地表峰叢洼地、峰叢槽谷十分普遍，地表河流常通過落水洞潛入地下形成斷頭河，地下暗河呈樹枝狀發育，最終匯集排泄于酉水河。

　　4結論與討論

　　本文在分析、總結現有隧道超前地質預報技術的基礎上，針對巖溶水設計了多匝小回線3D瞬變電磁探測技術，通過理論數值模擬和現場實踐應用，有效地探測了掌子面前方巖溶發育范圍，說明了該方法的適用性，也為相近地質問題隧道安全施工提供了參考技術方法，并得到以下結論:1)通過試驗可知，在隧道掌子面設計等間隔15°扇形剖面進行探測，探測時間短，施工效率高，能夠滿足探測精度的需要;2)通過數值模擬富水溶洞的瞬變電磁響應規律可知，掌子面前方25m和50m的溶洞模型能夠準確顯示在二維斷面成果圖中，且形成近似圓形的低阻區域;3)在巖溶發育區的應用結果表明，采用多匝小回線3D瞬變電磁探測技術有效地對掌子面前方的巖溶構造進行了預報，并給出了其三維立體空間的發育情況，探測結果與實際情況吻合較好。

　　本文研究也存在以下不足，需進一步研究:1)對巖溶發育區充水和充泥情況瞬變電磁響應存在的差異需進一步分析;2)巖溶發育的不規則性、多個小型巖溶連續發育等地質情況，應在下一步數值模擬中予以充分考慮;3)在數據處理過程中應綜合考慮隧道內的干擾因素(如支護條件、隧道空腔、開挖臺車等)對最終解釋成果的影響;