邢修舉

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司， 陜西 西安 710077)

0 引言

在我國西南部(特別是有巖溶發(fā)育的地區(qū))修建鐵路時往往要穿越山區(qū)，即會出現(xiàn)長大埋深隧道，此類隧道在開挖過程中面臨巖溶突水的風(fēng)險(xiǎn)[1-2]，嚴(yán)重威脅施工人員和設(shè)備的安全。富水充泥溶腔的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)是目前地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)面臨的難點(diǎn)[3-4]，隧道應(yīng)用較多的地質(zhì)預(yù)報(bào)物探方法有地質(zhì)雷達(dá)法和地震反射波法(TSP)，地質(zhì)雷達(dá)法屬于近距離(30 m)預(yù)報(bào)技術(shù)[5]； 而TSP為彈性波波阻抗預(yù)報(bào)技術(shù)[6]，在長距離下預(yù)報(bào)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(yīng)探測方法，是一種對含(富)水構(gòu)造體較敏感的勘探技術(shù)[8]，該技術(shù)能夠在隧道掌子面進(jìn)行多角度、多斷面測量。自20世紀(jì)90年代瞬變電磁法引入隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)以來，薛國強(qiáng)等[9]對不同地電斷面情況下的異常體電磁響應(yīng)進(jìn)行定性分析，得出采用瞬變電磁法探測不良地質(zhì)體是可行的結(jié)論； 李貅等[10]研究得出瞬變電磁法對低阻含水?dāng)鄬?、充泥富水溶洞、含水含泥破碎帶等不良地質(zhì)體探測反應(yīng)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(shù)變化對結(jié)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(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明瞬變電磁法對巖溶體探測敏感，驗(yàn)證了瞬變電磁法超前預(yù)報(bào)的可行性。前人對巖溶發(fā)育隧道瞬變電磁法作了較系統(tǒng)的研究，但隧道掌子面瞬變電磁超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究都是基于隧道內(nèi)單條或幾條、自隧道左側(cè)到右側(cè)測線的數(shù)據(jù)采集，依據(jù)感應(yīng)電動勢剖面和二維視電阻率斷面來進(jìn)行解釋，無法準(zhǔn)確定位掌子面前方不良地質(zhì)體的空間范圍。隨著隧道面臨越來越復(fù)雜的地質(zhì)情況，對開挖前探測精度和不良地質(zhì)體的定位提出了更高的要求。因此，本文借鑒煤礦中應(yīng)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(shù)，開展隧道大斷面三維瞬變電磁超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，通過數(shù)值模擬研究掌子面前方不同距離、規(guī)模的低阻異常體瞬變電磁響應(yīng)特征，以期對隧道掌子面前方80 m、洞軸線30 m范圍內(nèi)巖溶發(fā)育構(gòu)造進(jìn)行三維空間定位。

1 瞬變電磁超前探測技術(shù)

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(shè)發(fā)射線圈激發(fā)脈沖電流產(chǎn)生一次電磁場，在發(fā)射間隙用接收裝置接收掌子面前方圍巖產(chǎn)生的二次場，由于二次場隨時間的強(qiáng)弱與周圍地下地質(zhì)體的導(dǎo)電性分布成正相關(guān)關(guān)系，通過對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jù)小線框全空間瞬變電磁法“煙圈效應(yīng)”原理推算出“煙圈”將沿47°傾斜錐面向外傳播[14](見圖1)，在隧道掌子面，對每一個探測點(diǎn)設(shè)計(jì)探測角度為α，如圖1所示。采用α±β(β為任意一小角，β< 47°)角度變化法，可以避免盲區(qū)，減小體積效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對有效區(qū)域的高密度全覆蓋探測，準(zhǔn)確收集地質(zhì)信息，確保地質(zhì)解釋的準(zhǔn)確性和精度，這也是設(shè)計(jì)扇形探測角度間隔的依據(jù)。

圖1 隧道瞬變電磁煙圈效應(yīng)示意圖

Fig. 1 Sketch of smoke ring effect of tunnel transient electromagnetic

1.2 隧道掌子面大斷面超前探測技術(shù)

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(diǎn)，隧道建設(shè)的工期安排緊湊，這就需要設(shè)計(jì)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2 m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(cè)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(cè)旋轉(zhuǎn)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(見圖2)。

從圖2可以看出，富水性較強(qiáng)的區(qū)域主要集中在隧道中軸線右側(cè)，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(jù)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12.5 Hz發(fā)射、疊加200次再施加等間隔5°采樣一個斷面所用時間為20 min，10°需要10 min，15°需要6 min。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(shè)計(jì)由點(diǎn)到面、由面到體的3D探測技術(shù)。通過前期試驗(yàn)，制作了專業(yè)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(shù)據(jù)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0.4 m處架設(shè)角度控制支架，布置收發(fā)裝置； 2)采用扇形斷面、等間隔15°進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(見圖3(a))； 3)將數(shù)據(jù)離散到對應(yīng)的空間坐標(biāo)系下(見圖3(b))。最后使用Voxler軟件[15]，對離散化的三維數(shù)據(jù)網(wǎng)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(jìn)行綜合對比分析。

(a) 等間隔5°視電阻率等值線圖

(b) 等間隔10°視電阻率等值線圖

(c) 等間隔15°視電阻率等值線圖

Fig. 2 Sketches of water anomalies distribution unequal spacing ahead of tunnel face

2 巖溶體數(shù)值模擬

2.1 模擬參數(shù)設(shè)置

巖溶發(fā)育隧道面臨的富水或充泥溶洞發(fā)育在隧道開挖路徑的位置距離掌子面有遠(yuǎn)有近，規(guī)模有大有小，發(fā)育形態(tài)也是千變?nèi)f化的。將這些地質(zhì)構(gòu)造簡化成可以進(jìn)行數(shù)值模擬的構(gòu)造模型。設(shè)計(jì)數(shù)值模型中以形狀近似的低阻體來替代真實(shí)情況下的溶洞，通過總結(jié)模型的瞬變電磁響應(yīng)規(guī)律來提高實(shí)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(jìn)行瞬變電磁三維正演模擬，對整個模型進(jìn)行離散化處理，將模型劃分成一定數(shù)量的單元，建立每個小單元上的待求解的近似解，進(jìn)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(jì)算方式具有較高的計(jì)算精度[16]。建立隧道全空間模型，模型尺寸為500 m× 500 m × 600 m，假定隧道掌子面形狀為矩形，隧道斷面寬 10 m、高 13 m，隧道已開挖距離為200 m，富水巖溶體位于掌子面正前方25 m和50 m處，分別設(shè)置為邊長為10 m和20 m的立方體模型。

(a) 扇形斷面探測點(diǎn)示意圖

(b) 離散化后的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)圖

Fig. 3 Sketches of transient electromagnetic detection angles of tunnel face

在勘探電磁領(lǐng)域通常忽略位移電流，在實(shí)際計(jì)算中需要加入位移電流，這樣才能顯示時間迭代格式。加入位移電流后的麥克斯韋方程組為：

設(shè)計(jì)各向同性介質(zhì)為背景地質(zhì)條件，采用水平旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行瞬變電磁超前探測模擬，每次旋轉(zhuǎn)15°，從0°到180°。分別計(jì)算研究異常體在掌子面前方25 m和50 m時，異常體在掌子面正前方的瞬變電磁響應(yīng)。收發(fā)裝置離掌子面距離為0.4 m，模型示意圖如圖4所示。根據(jù)實(shí)際隧道中圍巖巖性、巖溶水的電阻率變化范圍，取其近似值作為模型的計(jì)算值，相關(guān)參數(shù)如表1所示。激勵源設(shè)置在掌子面中間，在激烈源中不同的時刻設(shè)計(jì)不同大小的電流密度來模擬實(shí)際的供電電流，在電流接通期間設(shè)計(jì)的電流密度最大，電流斷開期間設(shè)計(jì)的電流密度為0。

圖4 隧道前方有含水構(gòu)造的三維模型示意圖

Fig. 4 Three-dimensional tunnel model with water-bearing structure ahead of tunnel

表1 數(shù)值模型參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。從圖5中不同空間位置異常體瞬變電磁響應(yīng)結(jié)果，可以直觀地得到以下結(jié)論：

1)溶洞模型在二維視電阻率等值線斷面圖上25 m和50 m處形成閉合、視電阻值小于60 Ω·m的低阻區(qū)，低阻區(qū)與設(shè)計(jì)的模擬體的位置和范圍一致。

2)當(dāng)收發(fā)裝置正對著異常體時，其視電阻率值最低； 當(dāng)收發(fā)裝置偏離異常體時，視電阻率開始變大； 異常體不在收發(fā)裝置探測范圍時，視電阻率等值較高。這也說明了小線圈瞬變電磁探測具有一定的方向性。

3)圖5中異常的形態(tài)和設(shè)置的異常形態(tài)有一定的區(qū)別，但異常的中心位置一致。說明瞬變電磁探測成果的異常邊界范圍與實(shí)際會有一定的誤差，但異常響應(yīng)的中心位置準(zhǔn)確。

4)圖5中異常的閾值與設(shè)置的實(shí)際視電阻率值有較大區(qū)別，說明瞬變電磁探測視電阻率值是綜合的地電反應(yīng)。異常閾值的選擇應(yīng)根據(jù)探測區(qū)域的地質(zhì)條件情況來選取。

3 工程應(yīng)用

新建張吉懷鐵路古丈隧道位于湖南省古丈縣紅石林鎮(zhèn)、羅依溪鎮(zhèn)境內(nèi)，線路總體近南西(169°～210°)。場區(qū)屬溶蝕構(gòu)造中低山地貌，沿線地形標(biāo)高為400～800 m，地形陡峭，地勢起伏大。隧道穿越寒武系下統(tǒng)頁巖、灰?guī)r，寒武系中統(tǒng)白云巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r以及寒武系上統(tǒng)灰?guī)r等地層。該隧道起訖里程為DK81+257.32～DK86+138.00，長4 880.68 m。隧道穿越構(gòu)造侵蝕—溶蝕中低山區(qū)和構(gòu)造溶蝕中低山區(qū)。地表及地下巖溶極為發(fā)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(fā)育，最終匯集排泄于酉水河。

(a) 異常體在25 m位置的視電阻率等值線剖面

(b) 異常體在50 m位置的視電阻率等值線剖面

掌子面采用爆破法全斷面開挖和噴漿支護(hù)方式。根據(jù)掌子面開挖情況可知，圍巖是寒武系泥質(zhì)條帶灰?guī)r，青灰色、灰白色，弱風(fēng)化，薄—中厚層狀結(jié)構(gòu)，圍巖較破碎。依據(jù)現(xiàn)場情況，采用中煤科工集團(tuán)西安研究院生產(chǎn)的礦用YCS2000A型瞬變電磁儀器，設(shè)計(jì)了4個扇面進(jìn)行探測，扇面參數(shù)如表2所示，發(fā)射電流為3 A，發(fā)射頻率為12.5 Hz，數(shù)據(jù)采集疊加次數(shù)為200次。對于數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的點(diǎn)通過進(jìn)行多次重復(fù)測量和增加采集的疊加次數(shù)來保證第一手資料的質(zhì)量。

表2 掌子面探測角度及參數(shù)

注： 剖面命名中H代表水平及平行于隧道開挖方向的含義，數(shù)值代表夾角(下負(fù)上正，左負(fù)右正)。

4個扇形探測等值線剖面如圖6所示。低電阻率區(qū)域相對賦水的可能性較大，因此在做資料分析解釋時重點(diǎn)對低阻區(qū)域分析。在仰角為30°、15°和順開挖方向探測剖面圖中可以看到，在掌子面前方17～30 m和開挖洞軸線左側(cè)20 m到洞軸線中心范圍有一個閉合的較明顯的相對低阻異常區(qū)(圖中藍(lán)色閉合曲線范圍)，與該區(qū)巖溶發(fā)育形態(tài)近似，在俯角15°探測剖面等值線值相對較高，無明顯異常。

(a) 仰角30°探測等值線剖面圖

(b) 仰角15°探測等值線剖面圖

(c) 順開挖方向探測等值線剖面圖

(d) 俯角15°探測等值線剖面圖

采用Voxler軟件繪制3D視電阻率等勢面圖，如圖7所示。在掌子面前方17～30 m存在相對低阻異常區(qū)域，該異常區(qū)導(dǎo)電性相對較好，橫穿隧道線路，垂向位置在洞身及隧道上部。根據(jù)瞬變電磁法的預(yù)報(bào)成果，及時布置了超前水平鉆，鉆孔布設(shè)在隧道掌子面正中心偏上部2 m位置，設(shè)計(jì)鉆深30 m，在隨后的鉆進(jìn)過程中，0～18 m鉆進(jìn)正常，無卡鉆，鉆孔返水成灰黑色，圍巖弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育； 18～29 m開始由滲水到股狀出水，鉆進(jìn)較快，鉆孔返水成土黃色。

圖7 三維視電阻率異常等勢面示意圖

Fig. 7 Sketch of equipotential plane of 3D apparent resistivity anomaly

根據(jù)鉆孔情況，在掌子面前方18～29 m鉆進(jìn)較快，有小股狀出水、伴有風(fēng)化的黃砂狀黃土泥，據(jù)此推斷是溶洞發(fā)育區(qū)，瞬變電磁探測結(jié)果顯示該掌子面前方17～30 m是相對低阻區(qū)，物探解釋成果與鉆探結(jié)果吻合度很高。隧道物探異常區(qū)揭露情況現(xiàn)場照片如圖8所示。

(a)

(b)

瞬變電磁超前預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際開挖情況吻合較好，說明采用多匝小回線裝置在隧道掌子面布設(shè)三維探測角度進(jìn)行瞬變電磁法地質(zhì)預(yù)報(bào)是可行的。此外，由于采用三維空間數(shù)據(jù)采集，可以從更廣闊的空間獲得電性參數(shù)的空間分布，可對隧道掌子面前方大范圍內(nèi)的巖體的含富水性進(jìn)行評價，成果的三維空間顯示使異常形態(tài)和范圍更加形象、直觀、準(zhǔn)確地展示在成果圖中，從而提高了異常位置判斷的精度，為隧道超前探水尤其是在巖溶發(fā)育區(qū)域地質(zhì)預(yù)報(bào)提供了一種快速的技術(shù)手段。

4 結(jié)論與討論

本文在分析、總結(jié)現(xiàn)有隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對巖溶水設(shè)計(jì)了多匝小回線3D瞬變電磁探測技術(shù)，通過理論數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)踐應(yīng)用，有效地探測了掌子面前方巖溶發(fā)育范圍，說明了該方法的適用性，也為相近地質(zhì)問題隧道安全施工提供了參考技術(shù)方法，并得到以下結(jié)論：

1)通過試驗(yàn)可知，在隧道掌子面設(shè)計(jì)等間隔15°扇形剖面進(jìn)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(shù)值模擬富水溶洞的瞬變電磁響應(yīng)規(guī)律可知，掌子面前方25 m和50 m的溶洞模型能夠準(zhǔn)確顯示在二維斷面成果圖中，且形成近似圓形的低阻區(qū)域；

3)在巖溶發(fā)育區(qū)的應(yīng)用結(jié)果表明，采用多匝小回線3D瞬變電磁探測技術(shù)有效地對掌子面前方的巖溶構(gòu)造進(jìn)行了預(yù)報(bào)，并給出了其三維立體空間的發(fā)育情況，探測結(jié)果與實(shí)際情況吻合較好。

本文研究也存在以下不足，需進(jìn)一步研究：

1)對巖溶發(fā)育區(qū)充水和充泥情況瞬變電磁響應(yīng)存在的差異需進(jìn)一步分析；

2)巖溶發(fā)育的不規(guī)則性、多個小型巖溶連續(xù)發(fā)育等地質(zhì)情況，應(yīng)在下一步數(shù)值模擬中予以充分考慮；

3)在數(shù)據(jù)處理過程中應(yīng)綜合考慮隧道內(nèi)的干擾因素(如支護(hù)條件、隧道空腔、開挖臺車等)對最終解釋成果的影響；

4)進(jìn)一步研究三維數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)點(diǎn)密度不等間隔對解釋精度的影響。