肖繼文 陳 挺 張世奇 孫光吉

中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司

1 研究背景

我國西南地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜且是巖溶高發(fā)區(qū)，修建鐵路通常需要考慮深埋長隧道開挖過程中遇到的巖溶涌水、突泥等安全風(fēng)險[1]。利用地球物理探測方法掌握隧道掌子面前方不良地質(zhì)體情況并及時調(diào)整隧道施工工藝，不僅能夠加快隧道施工進(jìn)度，更能避免地質(zhì)災(zāi)害事故發(fā)生，減少人員傷亡[2]。超前預(yù)報中常用對含（導(dǎo)）水地質(zhì)構(gòu)造敏感的瞬變電磁法探測巖溶構(gòu)造[3]。它基于巖石導(dǎo)電性差異，利用巖石在電圈發(fā)射的一次電場間歇感應(yīng)的二次電場變化，實現(xiàn)探測地質(zhì)體導(dǎo)電性分布的目的[4]。TSP法是利用不良地質(zhì)體波阻抗界面產(chǎn)生的回波推斷前方地質(zhì)特征，對斷層、軟弱層、巖溶構(gòu)造強烈發(fā)育區(qū)有較好地反映[5]。

然而巖溶構(gòu)造充填物質(zhì)多樣，發(fā)育空間分布復(fù)雜，探測結(jié)果都是掌子面前方全空間地質(zhì)體的綜合響應(yīng)，反映前方異常體的總體情況，難以做到準(zhǔn)確、直觀地推斷巖溶構(gòu)造在空間中的分布[6]。

本文使用FCTEM60拖拽式高分辨瞬變電磁系統(tǒng)以點測和扇形掃描的方式采集數(shù)據(jù)，利用Voxler軟件中反距離權(quán)重插值法將反演的二維數(shù)據(jù)構(gòu)建為三維數(shù)據(jù)體，最后結(jié)合TSP結(jié)果綜合分析掌子面前方的含水構(gòu)造空間分布情況，使異常體直觀立體地顯示在解釋成果中。

2 探測方法工作原理

2.1 瞬變電磁法工作原理

瞬變電磁（TEM）是以巖石導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)的電磁感應(yīng)方法。其工作原理是利用不接地回線或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場，一次電磁場傳播至地下良導(dǎo)體時在其內(nèi)部生成變換的感應(yīng)電流，進(jìn)而再次感生二次磁場。在發(fā)射間歇，通過線圈或接地電極觀測由圍巖良導(dǎo)體感應(yīng)的二次電磁場的空間分布隨時間的變化，其變化反映了探測范圍內(nèi)巖體導(dǎo)電性的分布情況，進(jìn)而掌握掌子面前方充水和泥的不良地質(zhì)體的空間分布[7]。由于二次磁場來源于良導(dǎo)體的感應(yīng)電流，因此瞬變電磁法對于含（導(dǎo)）水地質(zhì)構(gòu)造反映及其靈敏。那么視電阻率可以表示為：

式中：

S1——當(dāng)發(fā)射線框面積；

N1——線圈匝數(shù)；

S2——接收線框面積；

N2——線圈匝數(shù)；

ρt——視電阻率；

t——衰減時間，V/I為歸一化的二次場感應(yīng)電壓，即接收線圈的觀測值。

2.2 TSP法工作原理

TSP是反射地震方法的一種，首先由隧洞后方特定位置小型爆破產(chǎn)生地震波，地震波在存在波阻抗的不均勻地質(zhì)體中傳播產(chǎn)生反射，然后通過隧洞后方的傳感器接收返回的地震波實現(xiàn)前方地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件的觀測[8]。

與常規(guī)地面地震勘探關(guān)注介質(zhì)垂直變化不同，TSP更多關(guān)注的是介質(zhì)的水平變化情況。為了從地震記錄中獲得隧洞前方反射波信息，在數(shù)據(jù)處理過程中的上下行波分離并保留下行波（負(fù)視速度）處理本質(zhì)上就是壓制來自測線垂向上的信息而保留來自水平方向上的反射信息，根據(jù)反射時距曲線的負(fù)視速度特征采用了線性Radon變換技術(shù)進(jìn)行上下行波分離，從而來提取反射波信息。

3 工程實例

云南某隧道處于地質(zhì)構(gòu)造中等復(fù)雜程度地區(qū)，項目區(qū)內(nèi)主要不良地質(zhì)現(xiàn)象為巖溶構(gòu)造區(qū)、暗河等。前期勘察工作顯示樁號K48+920的隧道上方188m處可能存在暗河。隧道向大里程方向施工，當(dāng)掌子面掘進(jìn)至K48+902位置處，開挖斷面巖體整體為中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r，巖石呈灰白色、淺灰色，屬較堅硬巖。巖體呈鑲嵌破碎狀、中厚層狀結(jié)構(gòu)。為探明前方不良地質(zhì)體分布情況，決定同時采用瞬變電磁法和TSP方法，測線布置如圖1、圖2所示。

圖1 瞬變電磁測線布置圖

圖2 TSP儀器布置圖

3.1 初步反演結(jié)果

（1）推斷掌子面正前方40m處有巖溶構(gòu)造發(fā)育區(qū)及其影響區(qū)，該區(qū)域位于隧道地面上方20m處。距離掌子面30m的上方和距離掌子面50m的下方顯示有低阻異常體，存在富水帶。

（2）推斷掌子面正前方50m處有巖溶構(gòu)造發(fā)育區(qū)及其影響區(qū)或者富水區(qū)域，該區(qū)域位于隧道地面以下25m處。掌子面左前方30m處亦有巖溶構(gòu)造發(fā)育區(qū)及其影響區(qū)或富水區(qū)域。

（3）推斷掌子面正前方40m處有巖溶構(gòu)造發(fā)育區(qū)及其影響區(qū)，該區(qū)域位于隧道地面上方20m處。

（4）從反演得到的視電阻分布特征來看，K48+912～K48+922隧道左側(cè)、K48+922～K48+937整個區(qū)段以及ZK48+947～ZK48+952左側(cè)邊緣存在低阻異常區(qū)。推斷該區(qū)內(nèi)為巖溶構(gòu)造發(fā)育區(qū)。相比于前兩個區(qū)段，ZK48+947～ZK48+952低阻異常特征相對較弱，可能為富水裂隙。此推斷結(jié)果與中部掃描結(jié)果一致。

TSP法結(jié)果為P、S波偏移剖面以及巖石物理屬性剖面，本文僅將主要的P波偏移剖面作為參考。

3.2 構(gòu)建三維數(shù)據(jù)體

將瞬變電磁反演結(jié)果統(tǒng)一坐標(biāo)，導(dǎo)入Voxler軟件，并應(yīng)用反距離權(quán)重插值法對數(shù)據(jù)插值，形成該區(qū)域范圍內(nèi)的三維數(shù)據(jù)體。顯示數(shù)據(jù)體中低阻異常的部分如圖3所示。圖中可以直觀地看到2.1中描述的異常區(qū)位置以及其在地質(zhì)體中的空間分布關(guān)系。

圖3 瞬變電磁三維數(shù)據(jù)體

TSP法P波偏移剖面中的值代表該反射層面的波阻抗大小，一般波阻抗越大代表該位置巖體破碎的可能性越高。二維剖面中的反射波為掌子面前方三維構(gòu)造的響應(yīng)，因此反射波所對應(yīng)的反射層面不一定位于正前方，可能向四周偏離。反射地震法假設(shè)連續(xù)反射波來自同一反射界面，因此假定反射波所在位置存在反射界面，其僅在與隧道開挖的垂直方向有偏離。根據(jù)以上可以將P波剖面沿著隧道掘進(jìn)方向的中軸線旋轉(zhuǎn)呈圓柱體，其圓柱體與瞬變電磁三維數(shù)據(jù)相交的部分則是既存在破碎又存在低阻的位置，那么則可以更準(zhǔn)確地定位巖溶構(gòu)造的發(fā)育區(qū)及其影響區(qū)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 瞬變電磁與TSP法P波三維數(shù)據(jù)體

4 結(jié)束語

隧道超前預(yù)報實例說明，前期在瞬變電磁法數(shù)據(jù)采集中，通過扇形掃描的方式從不同方向采集地質(zhì)體多個視電阻率二維剖面，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建三維數(shù)據(jù)體能夠直觀地表現(xiàn)異常體在圍巖中的空間分布。另外結(jié)合TSP法等其他同等探測范圍的物探方法能夠更準(zhǔn)確地定位異常位置，解決物探中的多解性問題。