劉 俊，彭佳斌

（中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430050）

1 概述

隨著我國“一帶一路”的實施，更多的公路、鐵路隧道在西部巖溶地區(qū)修建。巖溶地區(qū)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)極其復(fù)雜，修建隧道極易發(fā)生塌方、涌水涌泥的地質(zhì)災(zāi)害，在修建過程中有必要對巖溶地層進行地質(zhì)勘探與超前地質(zhì)預(yù)報。當(dāng)前關(guān)于巖溶區(qū)隧道地質(zhì)勘探的方法主要為鉆探與物探，其中鉆探法只能對溶洞進行局部的探測，不能對溶洞的大小、形態(tài)及填充情況進行整體的反映，地質(zhì)雷達、孔間電磁波CT技術(shù)、高密度電法等物探方法正好彌補此方面不足[1]。由于巖溶地質(zhì)的復(fù)雜性，并非所有物探手段都適用，如地質(zhì)雷達受天線中心頻率的影響較大，不適用于被淺層破碎帶覆蓋的深層不良地質(zhì)的探測等[2，3]。電磁波CT技術(shù)作為近些年發(fā)展起來的地球物理探測技術(shù)，因其分辨率精度高、直觀等優(yōu)勢，已在堤壩[4，5]、采空區(qū)[6-8]等工程中得到了較好的運用，但在巖溶勘察中的運用中因不同的觀測系統(tǒng)在層析圖像質(zhì)量上不一樣，且不同的成像方法、重建算法，成像結(jié)果差異較大[9-11]。開挖過程中仰拱處揭示出溶洞

余慶至安龍高速公路董當(dāng)隧道左線仰拱開挖至ZK65+965時，隧道基底揭示出溶洞，如圖1所示。為進一步確定隧道基底巖溶的范圍及形態(tài)，利用電磁波CT技術(shù)對附近隧道基底進行了勘探，并結(jié)合取芯結(jié)果驗證，較為準(zhǔn)確的推斷了孔間巖溶發(fā)育帶的分布，進一步證實了電磁波CT技術(shù)在巖溶隧道勘探中的具有的獨特優(yōu)勢。

圖1 隧道基底揭示溶洞

2 電磁波CT技術(shù)的基本原理

電磁波CT技術(shù)是通過在兩個鉆孔中接收和發(fā)射無線電波，來確定地質(zhì)情況的地下物理測試方法。其源于麥克斯韋方程，是在電磁波幾何射線理論基礎(chǔ)上形成的勘探方法，電磁波場強變化公式[12]為

其中，E為接收點出場強值，單位為V/m；E0為發(fā)射點處初始發(fā)射常數(shù)；β為吸收系數(shù)，反映出電磁波的衰減程度，單位為dB/m；f(θ)為sinθ發(fā)射和接收天線的方向因子函數(shù)；r為發(fā)射點與接收點之間的距離，單位為m。

分析公式（1）得出，電磁波在不同地質(zhì)中傳播時，因不同地質(zhì)對電磁波的吸收值不一樣，可通過觀測數(shù)據(jù)的變化進行地質(zhì)的推斷。通常情況下，巖溶、破碎帶等地層的吸收系數(shù)要高于其他圍巖，因此得出巖溶、地層的場強值相對較小，最終呈現(xiàn)出負(fù)異常，通過此差異來推斷地層巖溶的發(fā)育情況。

3 數(shù)據(jù)采集

3.1 儀器設(shè)備介紹

本次探測采用的儀器為湖南岳陽奧成科技生產(chǎn)的HX-JDT-02B型地下電磁波儀，儀器掃頻范圍：0.1～32MHz；掃頻間隔：0.1～9.9MHz；發(fā)射機輸出脈沖功率：10W； 接收機測量范圍：0.17μV～>56mV；接收機測量誤差：-120dB～-30dB<±3dB；鉆孔儀器密封性能≥150大氣壓（≥1000m井深）；電源：充電電池連續(xù)工作8h；鉆孔儀工作溫度：5～45℃；面板工作溫度：0～45℃；天線：分段寬頻帶地下天線。

3.2 探測系統(tǒng)概述

本次探測針對現(xiàn)場布設(shè)的8個鉆探孔，共完成CT探測剖面14對，布孔圖如圖2所示。為了既能滿足透射距離又能保證接收質(zhì)量，本次勘探選擇的電磁波工作頻率為20～28MHz，頻率間隔為4MHz，發(fā)射點的密度與接收采樣密度相同，都為1m。發(fā)射機每隔1m固定發(fā)射，接收機自下而上相應(yīng)每隔1m間距采樣便可以得到對應(yīng)于某一發(fā)射點的一組觀測數(shù)據(jù)。然后改變發(fā)射源的深度，即往地表方向上移1m，重復(fù)下一個扇形排列接收。如此過程，直至發(fā)射源到達最小發(fā)射深度為止，探測系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖2 鉆探孔布孔圖

圖3 探測系統(tǒng)示意圖

4 數(shù)據(jù)處理分析

4.1 處理流程

電磁波CT技術(shù)成像資料數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程圖

4.2 數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵步驟

4.2.1 正演模型的建立

首先通過相關(guān)勘察設(shè)計圖對現(xiàn)場探測剖面圖的幾何、物理條件進行梳理；再進行剖面內(nèi)介質(zhì)的物理參數(shù)估算，一般高吸收的異?？腕w被低吸收的圍巖介質(zhì)包裹，物理參數(shù)用吸收系數(shù)表示，單位為dB/m；在以上基礎(chǔ)上，進行異?？腕w和圍巖介質(zhì)分布形態(tài)和狀態(tài)的估算，并進行剖面測量曲線的計算[10]；最后進行反演計算，并對正演模型參數(shù)以及異?？腕w、圍巖介質(zhì)形態(tài)大小的修正。

4.2.2 反演計算

為提高正演解釋的精確性，必須對正演結(jié)果進行反演計算。當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的反演計算方式有聯(lián)合迭代法（SIRT）、代數(shù)重建法（ART）、反射投影法（BPT）、最大嫡法（WEIR），可根據(jù)現(xiàn)場實際情況擇優(yōu)選擇，本工程采用精度較高的聯(lián)合迭代法。

4.3 研究區(qū)域地質(zhì)物理參數(shù)估算

根據(jù)鉆探揭露，探測區(qū)地層主要為二疊系上統(tǒng)（P2）灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育?；?guī)r中巖溶發(fā)育垂向型為主，存在部分水平干溶洞，被粘土夾碎石充填。巖溶發(fā)育的灰?guī)r與完整的灰?guī)r比較，在物性上存在較大差異。巖溶發(fā)育的灰?guī)r對電磁場產(chǎn)生明顯的吸收作用，觀測的電磁場強幅度明顯變小，吸收系數(shù)變大。通過對本區(qū)域探測分析，完整灰?guī)r的吸收系數(shù)較小，一般不超過0.2dB/m，巖溶發(fā)育區(qū)吸收系數(shù)大多數(shù)大于0.2dB/m。

5 電磁波CT探測剖面分析

因篇幅有限，本文選取03#～05#剖面、04#～06#剖面、07#～05#剖面進行分析，其鉆孔間電磁波吸收系數(shù)分布特征與推斷地質(zhì)圖如圖6～圖11所示，現(xiàn)場取芯照片如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場鉆孔取芯施工圖

03#～05#鉆孔間電磁波吸收系數(shù)分布特征與推斷地質(zhì)圖見圖 6、7，03＃里程為 ZX65+940.00左8.38m，實測深度為26m，05#里程為ZK65+960.00左 8.38m，實測深度為 45m，孔間距 20.00m，03?？装l(fā)射，05?？捉邮?，采用定發(fā)采集方式，移動步距l(xiāng)m。該剖面基巖為灰?guī)r，根據(jù)吸收系數(shù)等值線分析，吸收系數(shù)范圍在0.02～0.54dB/m，其中在0.00～7.00m高程702～716m，吸收系數(shù)相對較高，大于0.20dB/m，推斷為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)。在10.00～20.00m高程710～730m，吸收系數(shù)相對較高，結(jié)合鉆孔資料分析為回填碎石土。

04#～06#鉆孔間電磁波吸收系數(shù)分布特征與推斷地質(zhì)圖見圖 8、9，04#里程為 ZK+950.00左0.38m，實測深度為15m，06#里程為ZK65+968.00左 1.88m，實測深度為 38m，孔間距 19.60m，04＃孔發(fā)射，06#孔接收，采用定發(fā)采集方式，移動步距l(xiāng)m。該剖面基巖為灰?guī)r，根據(jù)吸收系數(shù)等值線分析，吸收系數(shù)范圍在0.06～0.50dB/m，其中在0.00～12.00m高程715～728m，吸收系數(shù)相對較高，大于0.20dB/m，推斷為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)。在剖面靠近6#孔一側(cè)，高程700～733m，吸收系數(shù)相對較高，結(jié)合鉆孔資料分析為回填碎石土。

07#～05#鉆孔間電磁波吸收系數(shù)分布特征與推斷地質(zhì)圖見圖 10、11，07#里程為 265+980.00左8.3m，實測深度為11m，05#里程為ZK65+960.00左8.38m，實測深度為45m?？组g距20.00m，07#孔發(fā)射，05#孔接收，采用定發(fā)采集方式，移動步距l(xiāng)m。該剖面基巖為灰?guī)r，根據(jù)吸收系數(shù)等值線分析，吸收系數(shù)范圍在0.06～0.44dB/m，其中在剖面下部，高程700～707m，吸收系數(shù)相對較高，大于0.20dB/m，推斷為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)。在剖面上部，高程710～725m，吸收系數(shù)雜亂無規(guī)律，結(jié)合鉆孔資料分析為回填碎石土。

圖6 03#～05#鉆孔間電磁波吸收系數(shù)分布特征

圖7 03#～05#鉆孔間的推斷地質(zhì)圖

圖8 04#～06#鉆孔間電磁波吸收系數(shù)分布特征

圖7 04#～06#鉆孔間的推斷地質(zhì)圖

圖10 07#～05#鉆孔間電磁波吸收系數(shù)分布特征

圖11 07#～05#鉆孔間的推斷地質(zhì)圖

6 結(jié)論

1）董當(dāng)隧道隧底探測區(qū)內(nèi)的中風(fēng)化灰?guī)r、回填碎石土與巖溶吸收系數(shù)差異明顯，回填碎石土表現(xiàn)為雜亂無規(guī)律，時高時低；裂隙發(fā)育區(qū)巖溶對電磁波的表現(xiàn)較中風(fēng)化灰?guī)r強，吸收系數(shù)一般大于0.2dB/m。

2）為提高反演解釋的準(zhǔn)確性，在探測前應(yīng)結(jié)合已有的地勘資料進行電磁波CT電性測試，以便對所勘探地層電性特征更準(zhǔn)確地判斷；

3）影響吸收系數(shù)的干擾因素很多，勘探出來的吸收系數(shù)應(yīng)結(jié)合實際取芯結(jié)果進行分析。

4）電磁波吸收系數(shù)特征分布圖能直觀顯示兩個勘探孔間溶洞的延伸狀況，并能通過鉆孔資料進行佐證，說明電磁波CT技術(shù)在隧道底部勘探中的有效應(yīng)用。